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《宇宙新论 之 天地本源》第三章 地下迷

时间:2019-07-21 11:12:05 点击:

  核心提示: 《宇宙新论之天地本源》 (杨建立著) 第三章地下迷局 前章我们细述了火山喷发、大陆漂移、板块运动等纷繁复杂的地面乱象。除了天降横祸所致的陨石坑外,其它地面乱象的根源在地下,其动力无疑也是来源于地下。那么,地下究竟什么样子,那里埋藏了什么?我们从地球内部结构着手,抽丝剥茧,探索地下能量来源之谜。 ...

《宇宙新论 之 天地本源》

(杨建立著)

第三章 地下迷局

  

    前章我们细述了火山喷发、大陆漂移、板块运动等纷繁复杂的地面乱象。除了天降横祸所致的陨石坑外,其它地面乱象的根源在地下,其动力无疑也是来源于地下。那么,地下究竟什么样子,那里埋藏了什么?我们从地球内部结构着手,抽丝剥茧,探索地下能量来源之谜。

    科学家利用地震波等手段,正在逐步揭开地球深处的谜团。他们发现地球除了我们通常知道的地壳、地幔、地核之外,地核还分为内核和外核,内核还拥有自己的“内内核”,地球内核和外核的边界处,在局部区域还存在“糊状层”;在地球深处地幔当中发现了两个大型的“液滴”状结构,这些大小与大陆相当的“液滴”位于地核之上,与地幔其他部分有着不同的物质组成。

地球内部结构

    人类无法直接进入地球深处去看个究竟,甚至,在现有技术条件下想把仪器扔下去也是天方夜谭。人类至今为止打得最深的科学钻探--科拉超深钻(Kola Superdeep Borehole),也只能到达12千米,但这个深度连大陆壳的一半还没穿过。至于进入地幔、地核,更是想都别想了,地幔的厚度差不多是地壳的90倍!

    但有一种东西却可以轻易遁入地球最深处取回信息,然后再反馈给地表的观测者,这种东西就是机械波。由于它传递的不是物质本身,而是物质振动的状态,因此可以很随意地在各种物质中穿梭来回。大地的振动自然就是地震波(seismic wave)了。鉴于自然地震具有不可预知性,人们可以通过在地表人工触发地震的方式来主动制造“信使”。

    地震波能够反映地下的结构,道理就是物质的密度不同,机械波在其中传播的速度也不同。还有,横波无法在液态物质中传播。从最简单的地壳、地幔和地核三层划分,到稍微复杂一点的六层划分,运用的都是这么一个简单的原理。人们从返回的地震波里发现,在某几个特定深度处,波速发生了明显的不连续骤变。 

    1910年,前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契意外发现,地震波在传到地下30公里处有折射现象发生。他认为,这个发生折射的地带,就是地壳和地壳下面不同物质的分界面。1914年,德国地震学家古登堡发现,在地下2900公里深处,存在着另一个不同物质的分界面。人们为了纪念他们,就将两个面分别命名为“莫霍面”和“古登堡面”。一般根据这两个面把地球分为地壳、地幔和地核三个 圈层。中心是地核,中间是地幔,外层是地壳。地壳与地幔之间由莫霍面界开,地幔与地核之间由古登堡面界开。

 

   

地壳

    地壳是地球的表面层,是地球表面以下、莫霍面以上的固体外壳,也是人类生存和从事各种生产活动的场所。地壳实际上是由多组断裂的,很多大小不等的块体组成的,它的外部呈现出高低起伏的形态,因而地壳的厚度并不均匀:大陆下的地壳平均厚度约35公里,我国青藏高原的地壳厚度达65公里以上;海洋下的地壳厚度仅约5~10公里;整个地壳的平均厚度约17公里。这与地球平均半径6371公里相比,仅是薄薄的一层。

    地壳上层为花岗岩层,主要由硅-铝氧化物构成;下层为玄武岩层,主要由硅-镁氧化物构成。理论上认为地壳内的温度和压力随深度而增加,每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明,在深达3公里以上时,每深入100米温度升高2.5℃,到11公里深处温度已达200℃。

    目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年,即使是最古老的石头--丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年;而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史,这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层,是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。

    地球厚度变化有规律:地球大范围固体表面的海拔越高,地壳越厚;海拔越低,地壳越薄。地壳由90多种元素组成,它们多以化合物的形态存在。一般认为,氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁8种元素的质量占地壳总质量的98.04%。其中氧几乎占1/2,硅占1/4。硅酸盐类矿物在地壳中的分布最广。

    地幔

    地壳下面是地球的中间层,叫做“地幔”,厚度约2865公里,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。 地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层,推测是由于放射元素大量集中,蜕变放热,将岩石熔融后造成的,可能是岩浆的发源地。软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈。下地幔温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态。

    地核

    地幔下面是地核,地核的平均厚度约3400公里。一般认为,地核还可分为外地核、过渡层和内地核三层,外地核厚度约2080公里,物质大致成液态,可流动;过渡层的厚度约140公里;内地核是一个半径为1250公里的球心,物质大概是固态的。传统理论认为,地核主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高,估计温度在5000℃以上,压力达1.32亿千帕以上,密度为每立方厘米13克。

    美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上,外核与内核交界处温度为6300℃,核心温度约6600℃。

    横波不能在外核中传播,表明了外核的物质在高温和高压环境下呈液态或熔融状态。它们相对于地壳的“流动”,可能是地球磁场产生的主要原因。一般认为地球内核呈固态。

    这就是目前理论所描述的地球内部结构,这与太阳系的形成理论一脉相承。然而,随着我们对地下世界认识的不断加深,我们现在发现,我们脚下的地球内部结构远不是这么简单,而是充满了科学未解谜团。

地球内部未解之谜

    就在2015年,澳大利亚的科学家通过研究地心温度及地震波时得知,地表下3,000公里深处的温度变化程度比以前认为的复杂得多,而且在地幔深部与地核交界的区域,变化程度比预期的高三倍。

   参与研究的澳大利亚国立大学地球物理学家赫尔沃耶‧塔卡西(Hrvoje Tkalcic)博士说:“地幔与地核的交界处比地球表面更富有变化。”他还补充道:“固态幔物质与液体地核之间的差异程度比地面与空气之间的差异更大。地核就像是地球含有的一颗小行星”。因此他又感慨道:“研究地球中心的难度比太阳中心更大。”

因为地核的复杂程度,所以科学家将之比喻为:地球中的小行星。

  研究者发现,地幔深部的温度达到3,000~3,500摄氏度,压力值约为125GPa,约12,500个大气压。温度及其它物质性质如密度和化学成分的变化程度会影响穿过地球的波速。

    因此,研究者对世界各地4000多个地震仪的检测结果进行对比分析。他们使用类似CT扫瞄的方法,并进行复杂的数学运算,最后绘制出迄今为止最详细的一幅整个地球的地幔深层400公里区域的地震波变化分布图,显示出地震波的速度变化程度出乎意料的复杂。

    研究者认为,这很可能是受地幔与地核的边界温度及放射性影响的结果。塔卡西博士说:“绘制的变化分布图将有助于我们了解对地球表面与地幔底部之间的关系。其中温度变化是一个深奥难懂的问题,但是它提示我们考虑造成地球磁场的原因,地核那里有一个地球发电机(geodynamo)。”

 

    地球内部结构远不是以前认为的那样:地球有个核心,称之为地核,它位于地表2,900公里之下,地核的半径约3,480公里,略大于地球半径(约6,400公里)的二分之一。地核也不一定是个含铁成分极高的“铁球”,学术名称为铁镍核。而是具有更复杂的结构,地心外核之下是内核,内核里面还拥有一个“内内核”。

地球拥有“内内核”

    地球内部结构还可以分得稍细些:比如地壳可以再分为硅铝质的上地壳和硅镁质的下地壳,地幔可以再分为“二辉橄榄岩”的上地幔和我们知之甚少的下地幔;而地核也可以再分为由液态的外核和固态的内核。这六大圈层是那样经典,以至于在当下时代,完全可以说是科学常识了。

    然而就在近几年,美国伊利诺伊大学和中国南京大学的一个联合科研组,利用在1992年到2012年这二十年间全球宽频地震台阵(Global Broadband Seismic Arrays)积累起了最新一批的丰富数据,进行了研究分析,从而发现了深埋在地球最深处的新端倪。

    他们研究发现,我们的地核并非仅仅由外核-内核这样一个双层结构组成。在内核里面还埋着一个更小的核心--“内内核”。这个最新成果发布在《自然》子刊《自然-地球科学》(Nature Geoscience)2015年2月的新一期上。

地球的内核里,还有一个“内内核”

    目前流行的理论认为,整个地核都是由铁这种均一的成分所组成的。传统内-外核的划分,反映的是液相和固相的分野。而科学家最新发现内核更内部的不连续反应--则是固态大前提之下的物性不连续。表明在固态地核的最深处,晶体结构并非是均一不变的,在固态内核之中,还坐落着一个在晶体结构上截然不同的内内核。

    科学家们普遍相信,地球,以及其他的行星、小行星,都大致形成于同一个时期--即46亿年前太阳系刚刚从星云中诞生的太初之刻--冥古宙(Hadean Eon)。那时,还没有围绕着太阳规则地旋动着的行星,而是一圈由尘埃、碎屑、块体组成的,充满着疯狂撞击的原行星盘(protoplanetary disc)。行星的诞生,便是这些碎屑物质--星子(planetestimal)之间剧烈碰撞,不断吸积、增生的过程。每一次星子的碰撞,都是动能向内能的巨大转换。星子之间大量偶然的撞击和融合,最终形成质量大到足以自动吸引临近物质的聚集体,这边是今日行星的最早期雏形--原行星(protoplanet)了。可想而知,原行星汇聚了无数“加盟天体”所带来的可观能量,导致其内部的温度高到完全可以维持一个全球熔融的岩浆之海。

一般认为,岩浆主要由六大元素--氧、硅、铝、铁、钙、镁所组成。正如一杯水静置时比重大的物质会率先沉入杯底似的,在宇宙中漂浮的这么一大团液态岩浆里,重的物质自然也会聚集到“杯底”。对于太空中的球体来说,“杯底”自然便是重力势最低的部位--球心了。六种主量元素里,铁的比重最大,于是,这团岩浆球中的铁便率先沉入岩浆最深处,沿着平行于球面的重力势,形成了地球最早的结构--地核。

电脑模拟的原行星景象。

    那么,液态外核和固态内核的分层又是怎么来的呢?一般认为,这与温度-压力的综合作用有关。在五六千多米深的地方,温度高到能够轻易达到铁的融点,在这种温度条件下,足以使铁维持长期的熔融状态,可物质的熔点并不是一个常数,在不同的压力之下,熔点也有所不同。我们知道,压力越高,物质的熔沸点就越高。现在倒好,我们的那坨铁被扔进了全地球压力最大的地方--它的“肩上”承受着的是整个地球的重量!在这种压力下,铁的熔点已经高到连地球最深处的温度都不足以融化它的地步了。自然,这个压力所对应的深度,便是固态内核所位于的深度了。

    那么“内内核”究竟是什么?说实话人们暂时还不知道。现阶段人类对地球深部物质结构的了解依然非常有限。它是铁镍还是其他,我们只能推测,依现在的科技水平,还不能确切知晓。

地核中心不仅存在“内内核”,迄今为止,关于地核的温度、物质成分、电导率、热导率等物理化学性质,地核为什么处处充满变化而不是均匀一致的球体,地核的分层结构及其成分来源等等,都是科学未解之谜。

最近的研究还发现,地球内核边界,并非平滑齐整,地球内外核边界,局部存在“糊状层”。

内核边界局部存在“糊状层”

    新华社2017年8月5日电,中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星教授研究组,利用地震观测资料首次发现地球内核边界在局部区域存在“糊状层”。国际权威学术期刊《自然·通讯》在线发表了该研究成果。

    磁场来自于地核,了解地球内核的凝固状态是理解地球磁场起源的关键。自上世纪八十年代起,科学家就预言地球内核边界附近可能包含三个区域:以纯液态形式存在的地球外核,以纯固态形式存在的地球内核和以固液态共存形式存在的中间区域--糊状层。糊状层的存在对理解地球内核的凝固过程具有揭示性意义,但科学界一直没有任何观测证据。

    近期,温联星教授研究组通过分析日本高感度地震台网Hi-net记录到的从地球内核边界反射的地震波的走时和波形,发现在鄂霍次克海西南部下方的地球内核边界存在一个厚度约为4到8公里的糊状层,而与该区域临近的其它地球内核边界则呈现出尖锐的界面,并无糊状层存在。

    该研究结果为内核边界糊状层的存在提供了直接的证据,同时还表明糊状层仅存在于地球内核局部区域。研究结果显示,地磁场驱动力随区域变化,地球外核成分接近铁和轻元素的共晶组成物的成分,因而在大部分地区形成了无糊状层的尖锐内核界面;而在局部地区,地球外核偏离铁和轻元素的共晶组成物的成分,形成了局部糊状层。

    也还是在最近,我们的科学家们,又在地幔中发现两个大型熔岩“液滴”。

地幔中发现大型熔岩“液滴”

 

在地球深处,科学家发现了两个大型的液滴状结构,每个的厚度都比珠穆朗玛峰高100倍。这些大小与大陆相当的“液滴”位于地核之上,距离地表约2900公里。研究者认为它们是由与地幔其他部分不同的物质所组成的。

 

这些奇特的大型结构或许能揭示地球形成的过程,并帮助解释驱动火山喷发甚至板块构造运动的机制。图中是一个对流数值实验示意图,绿色是热化学异常体,其周围的地幔物质呈蓝色。

  2016年7月新浪科技消息,在地球深处,科学家发现了两个大型的液滴状结构,每个的厚度都比珠穆朗玛峰高100倍。这些大小与大陆相当的“液滴”位于地核之上,距离地表约2900公里。研究者认为它们是由与地幔其他部分不同的物质所组成的。

  研究者称,这些奇特的大型结构或许能揭示地球形成的过程,并帮助解释驱动火山喷发甚至板块构造运动的机制。来自美国亚利桑那州立大学的科学家将他们的发现发表在近期的《自然-地球科学》(Nature Geoscience)杂志上。

  这两个“液滴”正好分处地球两端,一个在太平洋下方,另一个则在大西洋之下。它们通常被称为“热化学异常体”(thermochemical piles)。长期以来,科学家一直认为热化学异常体是由地幔物质构成,但温度高于平均值。这是热地幔岩石缓慢搅动、上升导致的结果,与熔岩灯的原理类似。

  不过,研究者现在提出,地幔中的热化学异常体可能具有独特的化学性质。新研究显示,这些“液滴”中含有被板块构造向下挤压的物质,甚至可能是由地球在45亿年前形成时的残余物质所组成。

  亚利桑那州立大学地球和太空探索学院的爱德华·加尔内罗(Edward Garnero)说:“尽管这些‘液滴’的起源和组成依然未知,但我们推测,它们包含着地球如何形成以及如何运作的线索。”对地球深处地震的研究显示,地震波在这些热化学异常体中传播得较为缓慢。

  研究者认为,由于板块构造的向下运动,这些热化学异常体周围的地幔物质可能由温度相对较低的岩石组成。尽管还有很多问题需要解决,但新的数据显示,它们比周围的地幔物质密度更大。除此之外,它们的活动还更加稳定,持续时间很久,形状受到地幔流的影响。

    随着该领域研究的深入,研究团队预测,这些“液滴”的神秘起源将很快被揭开。“如果一个神经学家在人类大脑中发现了一个未知结构,那整个有关大脑的科学家群体,从心理学家到外科医生,都会积极地探索它扮演的角色,了解它在整个系统中的功能,”加尔内罗说,“随着热化学异常体研究变得越来越清晰,我们希望其他地球科学家也参与进来,探索这些性质如何与地球的大谜题进行整合。”

    处于地球核心的“内内核”是怎么来的,地核与地幔交界处的“糊状层”是什么,热化学异常体的“大液滴”又是什么?我们目前不清楚。但是,这些结构被发现,必然对我们重新认识地球的生成理论有所助益,这迫使我们重新思考教科书中理论。最起码,地球形成之初,一定有我们现在所认为的普通物质不同的物质参与其中。因为,如果像教科书中所说的那样,地下物质应该是比较均匀的存在:地心是最重的铁镍核,其外为热岩浆物质,最外边是凝固的岩石层。而事实上,可能并非如此简单,很可能存在着我们目前不甚了解的物质形态。

 

作者:杨建立 录入:杨建立 来源:原创
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