探秘地球最深處

文/李忠東

科學(xué)界通常認(rèn)為，太陽系是46 億年前從一片氣體塵埃云中誕生的。其中一部分塵埃從太陽內(nèi)部甩出來，在引力的作用下，隨著氣體的相互作用，不同密度的物質(zhì)開始分離，收縮成為地球。同其他類地行星相似，這顆內(nèi)部類似洋蔥的巨大巖石行星不是一個均勻的固體，結(jié)構(gòu)是層狀的……

內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜

作為最外層，地殼呈現(xiàn)出高低起伏的形態(tài)，成為人類賴以生存的地方。它實(shí)際上由多組斷裂的、大小不等的固態(tài)巖石塊體組成，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖。地殼約占地球半徑的1/400，占地球總體積的1.55%，占地球總質(zhì)量的0.8%。其中，海洋地殼主要由玄武巖和陸殼組成，平均厚度約8 千米。大陸地殼主要由花崗巖組成，平均厚度約32 千米。目前，世界上最深的鉆孔也不過12 千米，是1970—1993 年在科拉半島鉆孔約12.3 千米所保持的世界最深鉆井紀(jì)錄。理論上認(rèn)為，地殼內(nèi)的溫度和壓力隨深度增加，每深入100 米，溫度升高1℃。近年的鉆探結(jié)果表明，在深達(dá)3 千米以上時，每深入100 米，溫度升高2.5℃。到11 千米深處，溫度已達(dá)200℃。

地殼的下一層是非常黏稠的地幔，分別占地球體積和質(zhì)量的82.3%和67.8%，是地球內(nèi)部體積、質(zhì)量最大的一層，厚度約為2 900千米，橫向變化比較均勻。它可分成上地幔和下地幔兩層。上地幔頂部存在一個軟流層，推測是由于放射元素大量集中，蛻變放熱，將巖石熔融后造成的，可能是巖漿的發(fā)源地。軟流層以上的地幔部分和地殼共同組成了巖石圈。下地幔的溫度、壓力和密度均增大，像半熔融的巖石一樣流動。半熔融層則稱為軟流圈，巖石圈在它上方滑動。

地幔下面是地核，平均厚度為3 400 千米。科學(xué)根據(jù)地震波的傳播特點(diǎn)，將地核分為外地核、過渡層和內(nèi)地核。外地核的厚度為1 742 千米，平均密度為1 0.5克/立方厘米，物質(zhì)呈液態(tài)。過渡層的厚度只有100 多千米，物質(zhì)處于由液態(tài)向固態(tài)過渡的狀態(tài)。內(nèi)地核厚度為1 216 千米，平均密度增至12.9 克/立方厘米，主要成分是以鐵、鎳為主的重金屬，所以又稱鐵鎳核。地核是地球的核心部分，質(zhì)量占整個地球質(zhì)量的31.5%，體積占整個地球體積的16.2%，體積比太陽系中的火星還要大。

經(jīng)過測算，地球的現(xiàn)有質(zhì)量大約是60 萬億億噸，地核的溫度和壓力都很高?？茖W(xué)家用實(shí)驗(yàn)方法推算出地幔與地核交界處的溫度為3 500℃以上，外地核的溫度非常高，外側(cè)約4 400℃，越向內(nèi)越高，接近內(nèi)地核處達(dá)到約6 100℃。穿過外地核就到達(dá)了內(nèi)地核，你很難想象這個地球最熱部分的溫度究竟有多高， 竟然達(dá)到5000 ～7 200℃，比太陽表面的溫度還要高。即使如此高溫，內(nèi)地核仍然完全是固態(tài)的。

地核處于地球的最深部位，受到的壓力比地殼和地幔部分要大得多。在外地核部分，壓力已達(dá)到136 萬個大氣壓，到了核心部分便增加到360 萬個大氣壓。在這種高溫、高壓和高密度的情況下，地核內(nèi)的物質(zhì)既具有鋼鐵那樣的“剛性”，又具有像白蠟、瀝青那樣的“柔性”（可塑性）。這種物質(zhì)不僅比鋼鐵堅(jiān)硬十幾倍，而且還能慢慢變形、流動而不會斷裂?？茖W(xué)家做過一次實(shí)驗(yàn)，在每平方厘米承受1 770 噸壓力的情況下，最堅(jiān)硬的金剛石會變得像黃油那樣柔軟。

地核為何如此熾熱

我們很難想象，位于地球最內(nèi)部的地核具有如此高的溫度，而且從地球誕生以來就一直如此。那么，如此多的熱量如何產(chǎn)生的呢？

據(jù)科學(xué)家研究，地核如此灼熱首先源于地球形成時的吸積過程。太陽系形成時，地球開始繞著太陽運(yùn)行，一些隕石和其他物體在強(qiáng)大的引力作用下聚集在一起，形成了巨大的行星。每當(dāng)這種吸積過程發(fā)生時，就會產(chǎn)生巨大的熱量，就像兩個物體碰撞時產(chǎn)生熱量一樣。想象一下，當(dāng)錘子敲打石頭時，是不是錘子和石頭都變熱了呢？這些熱量足以加熱地球到熔融狀態(tài)，至今也沒有完全消散，大約占現(xiàn)在地球內(nèi)部總熱量的10%。

其次是摩擦加熱，由密度較大的核心物質(zhì)下沉到地心引起。行星形成過程結(jié)束后，物質(zhì)開始根據(jù)密度分成不同的層。高密度富鐵物沉淀在地核中，這一過程也會產(chǎn)生大量熱量。熱量只能通過地殼消散，但由于板塊構(gòu)造如同毯子一樣，而地幔又不是一個特別好的熱輸送器，因此這些熱量就會在地核停留很長一段時間。

再次為放射性元素（比如鈾）的衰變，這些熱量約占地球核心溫度的90%。放射性衰變導(dǎo)致了子體同位素的形成，而這是一個放熱過程，正是這些熱量使地球無法完全冷卻下來。地殼和內(nèi)部的許多巖石都經(jīng)歷了這種放射性衰變過程，會產(chǎn)生亞原子粒子，它們會被壓縮，然后與地球內(nèi)部的物質(zhì)發(fā)生碰撞，動能轉(zhuǎn)化為熱能。如果沒有這個放射性衰變的過程，就不會有那么多的火山和地震，也就不會有那么多的地球山脈。

地球本來就很熱，同時自身也能產(chǎn)生熱量，但最重要的是地球“保溫”能力很強(qiáng)。地球核心通過地球液體外核和固體地幔內(nèi)部的熱量“對流”輸送和非對流邊界層(如地表的地球板塊)的較慢的熱量“傳導(dǎo)”輸送，實(shí)現(xiàn)熱量流失，但這需要很長時間。因此，從地球最初形成開始，地球上的大部分原始熱量就被保留了下來，自己產(chǎn)生的熱量也流不出去。

在過去的幾十億年里，雖然地球的溫度可能下降了幾百攝氏度，但在內(nèi)部，自己產(chǎn)生的熱量接近穩(wěn)定的溫度狀態(tài)。換句話說，自從數(shù)十億年前地球形成以來，它一直在失去熱量，但現(xiàn)在它產(chǎn)生的熱量幾乎和它失去的一樣多。幸運(yùn)的是，到達(dá)地球表面的熱量不足以顯著地影響我們的氣候，而有的熱量快速地輻射到外太空。然而，熱傳遞在每個地方各不相同，正如地溫梯度（每向下100 米或1 000 米溫度增高的數(shù)值）因地而異一樣，熱流動亦是如此，在靠近年輕的火山和活躍的溫泉附近最大，而在最古老及最不活躍的地殼附近則是最小?？茖W(xué)家認(rèn)為，熾熱的地核并不“孤獨(dú)”，與其他地質(zhì)層混合在一起。最新研究表明，地球最深處的地核物質(zhì)已泄漏到地幔柱長達(dá)25 億年，并且部分最終會到達(dá)地球表面。

地核灼熱源于地球形成時的吸積過程

地球磁場模擬圖

地核冷卻不堪設(shè)想

雖然地核的溫度堪比太陽，但它所起到的平衡作用對于維持地球上包括人類和動植物在內(nèi)的所有的生命至關(guān)重要。完全呈液態(tài)的外地核一直在流動，這種運(yùn)動所產(chǎn)生的對流便是地球磁場形成的原因，而內(nèi)地核有助于磁場的穩(wěn)定。地球磁場反過來又保護(hù)了地球生命免受太陽耀斑的影響，維持了適宜居住的大氣層。另外，外地核的對流以及外地核產(chǎn)生的熱量會使其上方特別是地幔的構(gòu)造發(fā)生運(yùn)動，有助于板塊移動，從而導(dǎo)致大陸移動和新的陸地產(chǎn)生。

如果地核溫度降低，固體或液體的狀態(tài)受到影響，地球就會變成一個寒冷且毫無生命力的星球，人類世界也將隨之陷入黑暗之中，生命可能將無法生存或茁壯成長。事實(shí)上，我們需要地核保持熾熱的狀態(tài)，這樣才能保護(hù)地球免受具有潛在危害性的太陽風(fēng)以及星際碎片的傷害。

地核冷卻會使人類失去環(huán)繞地球的磁場，這個屏障保護(hù)地球免受宇宙輻射的傷害，這一層保護(hù)盾是由不斷運(yùn)動的鐵引起的對流過程而產(chǎn)生的。就像地球本身一樣，地核也在不斷地旋轉(zhuǎn)，一些科學(xué)家認(rèn)為它的旋轉(zhuǎn)速度甚至比地球的其他部分還要快。摩擦力使動能轉(zhuǎn)化為能夠形成磁場的電能和磁能，從而令太陽發(fā)射出來的有害帶電粒子向南北兩極偏轉(zhuǎn)。

失去磁場會對地球上的生命產(chǎn)生多大的影響，目前尚不清楚。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，可能會受到輻射波的沖擊，使地球過熱而無法居住，太陽光的大幅度增加可能導(dǎo)致癌癥發(fā)病率的上升。而另一種看法指出，我們可能會遇到能夠橫掃一切的太陽風(fēng)，會像那些席卷火星、金星及其所有海洋、湖泊和河流的太陽風(fēng)一樣強(qiáng)烈。