探索神秘的地下世界

張唯誠

科拉超深鉆孔

17世紀，一些了不起的學者如開普勒、伽利略等人已經(jīng)為現(xiàn)代天文學奠定了基礎(chǔ)，但對于地球內(nèi)部的認識，卻依然停留在中世紀的神話和想象中。1664年，歐洲百科全書式的著名學者阿塔納修斯·基歇爾出版了描繪地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。在圖中，地球是一個有巨大洞穴的世界，洞穴中有很多分開的空間，有的充滿空氣，有的充滿水，有的充滿火;地球的中心是地獄，那是一個火焰世界;地獄的外層是煉獄，一些管道里燃燒著火，火加熱了溫泉，制造了火山。盡管基歇爾描繪的地下世界很荒謬，但他也不是一個完全靠想象構(gòu)建理論的學者，他曾親自進入冒著煙的維蘇威火山口以測量那里的溫度。

現(xiàn)在我們知道，地球的中心有一個固體的鐵核，它的大小和月亮差不多，這鐵核又被一層熔化的鐵和鎳包圍著，這就是外核。外核的外面是固體的地幔，厚度為2900千米。地幔的上面就是地殼了，它是一些構(gòu)造板塊，在地幔上緩慢地漂移。

科學家意識到，在地球內(nèi)部人類難以抵達的深度，正發(fā)生著一些強烈影響著生活在地球表面的生命的活動。在地球的中心，熾熱的地核和太陽的表面一樣熱，從那里產(chǎn)生的地球磁場形成了地球生命的保護屏，它阻擋和偏轉(zhuǎn)了致命的宇宙射線和太陽輻射。假若沒有這樣一個磁場屏障，那么地球?qū)⒑翢o生氣——只要看看荒蕪的火星和金星就明白了。

超深鉆孔

如何深入地下一探究竟呢？也許鉆探是一種可行的辦法。在俄國西北端的科拉半島上，至今還遺留著一個廢棄的科學研究工作站。在冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)科學家在那里鉆了一個很深的窟窿，這個窟窿被人們稱為“科拉超深鉆孔”，它是目前世界上最深的鉆孔。

這個深孔開鉆于1970年的春天，此前4年，美國人已經(jīng)放棄了一項類似的工程：莫霍計劃。莫霍計劃的實施地點是太平洋底，美國人希望從那里通過鉆孔深入地下幾千米以得到一塊地幔的樣本。他們用了5年時間將鉆孔從3350米深的水下向地殼鉆進了183米。這個計劃遠遠沒有達到預定的目標。而俄國人顯得更有耐性，一直工作了24年。到1994年結(jié)束時，他們的鉆頭接觸到了27億年前的古老巖石層，鉆孔底部的溫度超過150℃，那里的巖石具有極強的可塑性，乃至于只要鉆頭后撤，鉆出的孔就會重新合上。

在這24年間，人類的探測器抵達了月球、火星，“旅行者”號探測器已經(jīng)飛越了冥王星軌道。而科拉鉆孔抵達了怎樣的深度呢？大約12千米。想想地球的直徑約為12750千米，假若把地球看成是一只蘋果，那么科拉鉆孔甚至還沒有穿透它的蘋果皮哩。

發(fā)射一枚探測器吧！

在地球上，所有的礦藏、洞穴和峽谷，大海、江河和生物都只存在于一個巖石的殼上，這就是地殼。地殼非常薄，依比例看，它比雞蛋殼還要薄得多。而地球內(nèi)部的地幔和地核，人類則從未抵達過，或許永遠也無法抵達那里。

美國加州理工學院的地球物理學家戴維·史蒂文森有一個妙想：人們可以向太空發(fā)射探測器探索太空的奧秘，為什么不能向地心也發(fā)射一枚探測器呢？在他的一篇論文中，史蒂文森描述了一種直接發(fā)送探測器前往地球中心的設想。首先，在地球的表面引爆一次爆炸，這個爆炸可以是核爆炸，也可以是常規(guī)爆炸，從而在地面制造一個深達幾百米的裂縫。接下來，人們便向這個裂縫中傾倒大量熾熱的鐵水。由于鐵水的密度比周圍的物質(zhì)大一倍，它們會在重力的作用下將這道裂縫向下延伸，一直抵達地核。在鐵水下降的過程中，由于周圍巖石的壓力，鐵水經(jīng)過后，地面會很快地彌合，不會造成永久裂縫和其他災難性的后果。

在鐵水中隱藏著一個足球大小的探測器，隨同鐵水一同向地核進發(fā)，前進速度大約為16千米/小時，只需一個星期就能抵達地核。這個探測器會不停地記錄數(shù)據(jù)，顯示溫度、壓力、巖石的組成等等。由于無線電波無法穿透固體的巖石，這個探測器必須自己振動，通過一系列微小的地震波傳輸數(shù)據(jù)。地面上非常敏感的地震儀能夠接收它的信號。

基歇爾描繪地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖

論文發(fā)表后，很多人都質(zhì)疑它的可行性。首先，鐵水的需求量太大，哪來這么多鐵水澆注到地下呢？其次，即使有了足夠的鐵水，探測器也不一定能夠到達地核，例如，如何讓鐵水不冷凝就是一個很大的難題;再次，即使探測器終于到達了地核，這小小的探測器又如何產(chǎn)生足以讓地面地震儀探測到的地震波呢？

地震波的地下之旅

人們真正了解地球大致的結(jié)構(gòu)得益于現(xiàn)代地震儀的出現(xiàn)。隨著地震儀被安裝到全球各地，形成了一個分布于全球的網(wǎng)絡，從而使科學家們得以了解地震波如何從地球的一個地方傳播到另一個地方?？茖W家發(fā)現(xiàn)，地震波主要有兩種，即P波和S波。振動方向與傳播方向一致的波為P波，振動方向與傳播方向垂直的波為S波。前者引起上下波動，后者引起水平晃動。由于P波在花崗巖中的傳播速度比S波快，所以發(fā)生地震時，人們總是先感到上下顛簸，過了數(shù)秒或者十幾秒鐘后才感到水平晃動。一般來說，水平晃動是造成破壞的主要原因。

起先，多數(shù)科學家都認為地球有一個液態(tài)的鐵核，理由是：人們在分析地震波在地球內(nèi)部的傳播情況時發(fā)現(xiàn)，地球的中心缺乏S波。由于S波只在固體中傳播，而P波則能在固體、液體和氣體中傳播，所以科學家們認為，缺乏S波大概是這種波抵達地核時碰到了液態(tài)的緣故。

原來還有一個“內(nèi)核”

1929年，新西蘭發(fā)生了一次7.8級的大地震，它為科學家們研究地下結(jié)構(gòu)提供了一次機會。全球各地許多地震學家都閱讀了地震儀上記錄的數(shù)據(jù)，他們大都并沒有發(fā)現(xiàn)什么非同尋常的東西，但有一人除外，她就是丹麥地震學家英奇·萊曼。萊曼發(fā)現(xiàn)，一束P波偏轉(zhuǎn)了傳播的方向，這使她開始懷疑地核并非全是液態(tài)的，它的中間可能還有個固態(tài)的鐵核。1936年，萊曼在一篇論文中指出，那束異常的P波一定是在被液態(tài)鐵水包裹著的地核中遇到了密度更高的物質(zhì)，這導致它偏轉(zhuǎn)了方向。萊曼最后認定，地球在液態(tài)的外核中還擁有一個固態(tài)的內(nèi)核。

內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)使人們對地球的基本結(jié)構(gòu)和演化有了更加清晰的認識，這使得更新的研究得以指向地核的形成和它如何制造了一個磁場，這兩個問題對地球生命的存在至關(guān)重要。

根據(jù)針對于地球古老巖石的放射性年代測定，科學家估計，地球已經(jīng)存在了大約45億年。當原始的地球冷卻后，它的最外層變成了一層薄薄的殼，而地幔的冷卻則需要時日，直到現(xiàn)在，地幔下部的溫度依然有2200℃。

科學家們認為，地球的內(nèi)核曾經(jīng)完全是液態(tài)的，后來慢慢地從內(nèi)到外轉(zhuǎn)變成了固態(tài)，內(nèi)核的直徑因而也漸漸變大，其速度大約為每年增加0.5毫米。隨著地球的冷卻，地球內(nèi)部極大的壓力最終使內(nèi)核以固體的形式存在，而外核卻是一個溫度高達8000℃的鐵和鎳的海洋。

誰啟動了“地球發(fā)電機”？

如此熱的地核在怎樣影響著地球的發(fā)展和演化呢？原來，它產(chǎn)生了一個驅(qū)動整個地球運作機制的“地球發(fā)電機”。這個發(fā)電機要運轉(zhuǎn)起來，首先需要大量導電的流體，地核外核流動的鐵水就是發(fā)揮這種功能的“部件”。由于鐵水下面的固體內(nèi)核承受著極大的壓力，因而溫度也極高，它釋放的熱量在地心深處造成了向上涌動的熱流，就像一鍋在火爐上沸騰的湯。于是地心底部熾熱且密度較低的鐵便趨于上升，當它們碰到上面的地幔時，它們又因喪失了一部分熱量而轉(zhuǎn)于下沉，這個過程自下而上地傳遞著熱量，人們稱之為熱對流。有了熱對流，來自地核的液體便在地球自轉(zhuǎn)偏向力的作用下呈螺旋形的軌跡上升和下沉，這種旋轉(zhuǎn)著的運動正好啟動了“地球發(fā)電機”的運行。

問題的關(guān)鍵在于，啟動對流運動需要很大的熱量，而人們對地球內(nèi)部熱活動的研究顯示，外核產(chǎn)生的熱量并不足以驅(qū)動其中的對流運動，因為來自外核的鐵水將很多熱量傳導給了地幔，這就好比一鍋湯將它的熱量散發(fā)到了空氣中，于是湯中的熱對流就無法啟動，這湯也就不會燒開了。

為了解釋這個問題，科學家提出了一種假設：也許地球的過去比現(xiàn)在人們推測的更熱。假若地球原本就包含有更多的熱量，那么它就有可能在很早的時候就存在驅(qū)動“地球發(fā)電機”所需的熱對流了。那么，這更多的熱量是誰提供的呢？

碰撞是人們目前能夠找到的最合適的解釋?？茖W家推測，早期的地球和另外一顆原始行星發(fā)生了碰撞，碰撞將地幔物質(zhì)推進地核，為地核提供了大量的熱，從而啟動了“地球發(fā)電機”的運行。

其實早在20世紀70年代，這樣的觀點就已經(jīng)提出了，但它是用來解釋月亮的起源的。人們推測，在大約45億年前，一顆大小和火星差不多的古老行星脫離了原來的軌道和地球發(fā)生了碰撞。那場碰撞極其劇烈，釋放的能量足以使地球的相當部分熔化和氣化。結(jié)果是：地球的一部分被拋入太空，那顆行星也破碎了，無數(shù)碎片環(huán)繞在地球的周圍最后形成了月亮。

地球是一個奇跡嗎？

科學家設想，那場碰撞導致了月亮的誕生，同時也將能量轉(zhuǎn)化成了熱量把地球的內(nèi)部熔化了，于是地球變得如此之熱，乃至于它看上去像一顆小恒星似地在天空中閃耀了大約1000年。

假若沒有來自于碰撞的熱儲備，“地球發(fā)電機”就根本不會啟動，地球也就不會擁有一個保護著地球生命的磁場了。太陽輻射會毫不留情地剝離大氣層并沖擊地球的表面，地球不可避免地會遭遇和現(xiàn)在的火星相同的命運。

由此看來，我們這個適于居住的世界就好像是由一些互不相干的現(xiàn)象構(gòu)建起來的，包括月亮的誕生、磁場的形成、板塊構(gòu)造和水的存在等等。假若沒有那次碰撞，地球就沒有足夠的熱能在地核中驅(qū)動熱的對流運動，地球磁場也不會形成;假若沒有水，地殼就可能太濃稠從而不會分解成構(gòu)造板塊?？纯唇鹦前桑∷鼪]有板塊構(gòu)造，沒有水，沒有磁場。我們的地球是否真的就是一個奇跡？地球的奇跡在宇宙中是否是可以復制的呢？

【責任編輯】龐 ?云