地球還有“內(nèi)內(nèi)核”？

李忠東

同學(xué)們都知道地球分為四層，即地殼、地幔、外核和內(nèi)核。然而，不久前澳大利亞的科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)核鐵結(jié)構(gòu)存在變化，在距離核心650千米處有一條“邊界線”。這表明地球的內(nèi)核是雙層結(jié)構(gòu)，在目前已知的內(nèi)核之中竟然還存在著一個(gè)“內(nèi)內(nèi)核”。一旦這個(gè)研究結(jié)果被認(rèn)可，說明地核的內(nèi)部還深埋著一個(gè)小小的結(jié)構(gòu)，“內(nèi)內(nèi)核”可能是地球真正的核心，當(dāng)然也可能在這個(gè)核心之中還存在著我們尚未發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，意味著人類關(guān)于地球的教科書將可能要重新編寫......

令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)

在此之前，科學(xué)家采用地震和火山噴發(fā)等地質(zhì)活動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)地球最深處進(jìn)行了研究，確定地球內(nèi)部存在一個(gè)最內(nèi)層的地核結(jié)構(gòu)，不過相關(guān)數(shù)據(jù)一直很模糊。與傳統(tǒng)方法不一樣，澳大利亞的科學(xué)團(tuán)隊(duì)這次采用的是搜索算法。他們通過國際地震中心收集了幾十年來關(guān)于地震波穿過地球傳播所需時(shí)間的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)千種“地球核心區(qū)域”模型進(jìn)行了追蹤和匹配。并且通過自己的算法發(fā)現(xiàn)，雖然地球的核心深度并沒有什么變化，也就是說地球的半徑區(qū)間沒有改變，但是在地球內(nèi)部確實(shí)出現(xiàn)了地震波的方向改變，出現(xiàn)54度角，而且快波的方向與地球自轉(zhuǎn)軸平行，這個(gè)微小的波動(dòng)說明內(nèi)部有一層隱藏性的結(jié)構(gòu)存在。鐵結(jié)構(gòu)中的微小變化表明，在地球演變的最初幾年里——大約45億年前，曾發(fā)生了一件戲劇性的未知事件。雖然該事件的具體細(xì)節(jié)仍然是一個(gè)謎團(tuán)，但為科學(xué)家理解地球內(nèi)核增加了一塊拼圖。

依據(jù)澳大利亞科學(xué)團(tuán)隊(duì)的觀點(diǎn)，地震波穿過地核時(shí)，它們的變化揭示了鐵結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異。科學(xué)家指出，由于受到全球尤其是地球兩極地震分布和接收地點(diǎn)的限制，存在很多干擾因素和差距，因此相關(guān)數(shù)據(jù)并不完美，降低了結(jié)論的確定性。但是，他們對(duì)這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)頗有信心，因?yàn)榈贸龅慕Y(jié)論與其他有關(guān)地球最內(nèi)層地核各向異性（各向異性是材料組成的差異改變地震波性質(zhì)的方式）的研究相一致。下一步，他們將探索地球的相關(guān)波場(chǎng)，其中包括一系列波場(chǎng)來源的疊加數(shù)據(jù)，這樣就能夠在震源和接收器有限分布的情況下，不受深層地球結(jié)構(gòu)的約束，提高對(duì)地球內(nèi)核的認(rèn)知，描繪更詳細(xì)的地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)圖像，增強(qiáng)對(duì)地球演變歷程的理解。

地球內(nèi)核的“套娃”結(jié)構(gòu)

物理學(xué)家認(rèn)為，地球磁場(chǎng)的形成與穩(wěn)定都和地球的內(nèi)核有關(guān)。他們通過研究分析地震產(chǎn)生的沖擊波，計(jì)算出地球核心的可能結(jié)構(gòu)。地球核心是一個(gè)固體內(nèi)核，相當(dāng)于月球2/3的體積，主要成分是鐵。在5700°C的高溫下，鐵的溫度與太陽表面相近，但重力造成的碾碎壓力使鐵無法變成液體。外核處于地幔之下、固體的內(nèi)核之上，由液態(tài)的鐵和鎳構(gòu)成。外核的溫度大約從外側(cè)的4400°C向內(nèi)增加至接近內(nèi)核的6100°C。外核的溫度、壓力和成分的差異，導(dǎo)致熔融金屬產(chǎn)生對(duì)流。由于溫度較低的密度物質(zhì)下沉，溫度較高的密度物質(zhì)上升，沒有足夠的壓力使它成為固體，所以呈現(xiàn)液態(tài)。內(nèi)核伴隨著液態(tài)鐵的不斷冷卻形成固態(tài)，最大深度可達(dá)到6370千米，由剛性很高的、極高壓下結(jié)晶的固體鐵鎳合金組成。地核中心的壓力可達(dá)到350萬個(gè)大氣壓，溫度為6100°C。在這樣高溫、高壓的條件下，內(nèi)核物質(zhì)猶如樹脂和蠟一樣具有可塑性，可對(duì)于短時(shí)間的作用力來說，卻比鋼鐵還要堅(jiān)硬。這一次，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地球內(nèi)核是“套娃”結(jié)構(gòu)。作為最內(nèi)層的地核，“內(nèi)內(nèi)核”是一種不同類型的未知結(jié)構(gòu)，直徑大約相當(dāng)于整個(gè)內(nèi)核直徑的一半，距離地球核心650千米，是固態(tài)鐵，溫度超過5000°C，相對(duì)于其他地核層具有明顯的各向異性。內(nèi)核外層的鐵晶體指向南北方向，而在“內(nèi)內(nèi)核”中，鐵的晶體指向東西方向，這意味著它的物質(zhì)可能擁有不同的結(jié)晶類型。

研究邁出一大步

有的同學(xué)可能對(duì)科學(xué)家能如此清楚地了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)感到疑惑不解：看又看不到，憑什么他們說的都是真的，是不是在胡亂猜想？關(guān)于這點(diǎn)，如果你做過B超或CT檢查就很清楚了。波在不同密度的物質(zhì)中會(huì)發(fā)生方向和速度上的變化，通過測(cè)量這種變化，儀器就可以繪出身體內(nèi)部的情況，發(fā)現(xiàn)里面的腫塊。地球內(nèi)部同樣也是如此，但給它做CT檢查，就要用到更壯觀的地震波了。好在地球各地都有地震儀，忠實(shí)地記錄了每一次地震的翔實(shí)數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家通過分析研究這些數(shù)據(jù)，建立不同的計(jì)算機(jī)模型，就可以窺知地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，以及是由什么物質(zhì)組成的。

迄今為止，我們對(duì)地球的內(nèi)部狀態(tài)還沒有一個(gè)“實(shí)質(zhì)性”的研究，只是通過地球的活動(dòng)來進(jìn)行大體的劃分。并且地球到底形成了多少年，我們也只能夠根據(jù)放射性碳定年法的測(cè)量，給出大約的形成時(shí)間。在星云假說之中有這樣一個(gè)說法：形成地球的微行星起源于吸積坍縮后剩下的由氣體、冰粒、塵埃形成的直徑為1～10千米的塊狀物。這說明地球形成的時(shí)候具有所謂的“疊加效應(yīng)”。而且如今我們觀察到的一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)，不同時(shí)期形成的確實(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的“分層跡象”。

地球“內(nèi)內(nèi)核”的發(fā)現(xiàn)，可能不會(huì)給我們的日常生活帶來多大的影響。然而，它對(duì)科學(xué)家更好地理解地球和其他類似行星的形成卻是意義重大。例如，在地球的歷史上，內(nèi)核的范圍可能經(jīng)歷過很大的改變，這其中或許隱藏著有關(guān)地球演化的關(guān)鍵信息。