“地心”之旅：從科幻到現(xiàn)實

黃金生

地球是空心的嗎？

千百年來，我們一直對腳下的未知世界迷惑不已，相關(guān)傳說也層出不窮。

古希臘哲學(xué)家柏拉圖就描繪了一個神秘古老的大西洲，居住其上的亞特蘭蒂斯人預(yù)感到一場災(zāi)難將徹底毀滅他們的文明，于是，事先開鑿了兩條通往非洲和美洲的地下長廊。當(dāng)大西洲沉入海底時，他們通過這兩條通道進(jìn)行疏散，而其中一些人就一直生活在地心之中。

17世紀(jì)，一些著名學(xué)者如開普勒、伽利略等人已經(jīng)為現(xiàn)代天文學(xué)奠定了基礎(chǔ)，但對于地球內(nèi)部的認(rèn)識，卻依然停留在中世紀(jì)的神話和想象中。

迄今關(guān)于地下世界的描述，影響最為廣泛的應(yīng)該是科幻小說《地心游記》。這部小說首次出版于1864年，是法國科幻作家儒勒·凡爾納的經(jīng)典之作。在他的筆端，勇敢的探險家來到地球深處，遭遇火山爆發(fā)、巖漿飛濺，還看到了巨大的“地下海”以及各式各樣的奇異生物……

這些對地心的想象，都認(rèn)為存在著一個與地上世界不同的地下世界。而與之相對應(yīng)的，就是地球“空心說”。

地球空心說認(rèn)為，如果地球內(nèi)部全部由實體物質(zhì)構(gòu)成，那么它的重量應(yīng)該會比現(xiàn)在大得多。造成這種結(jié)果不外乎有兩種情況：空心或者多孔。

不過，這種說法早就被證偽。1799年，英國科學(xué)家卡文·迪什應(yīng)用萬有引力定律，測出地球的平均密度為水的5.48倍，超過巖石的密度，他還提出，這個密度隨著深度的增加而增加，地球中心的密度最大。

卡文·迪什的實驗和理論，后來被許多人的重復(fù)測定所證實，并取得更精確的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代測定的地球平均密度為5.517克/立方厘米，上部巖石圈的平均密度為2.65 克/立方厘米。如果地心是空的，地球的平均密度怎能高于巖石的密度呢？

給地球做“CT”

17 世紀(jì)，英國科學(xué)家羅伯特·胡克就設(shè)想過挖掘一條穿過地核的隧道作為新的旅行方式，并致函牛頓進(jìn)行討論。但到了今天，人類進(jìn)入太空乃至登陸月球都不再是夢想，“入地”卻依然顯得有點遙遠(yuǎn)，其主要障礙就在于“高溫” 和“高壓”。

一般估計，地幔與地核界面的溫度約在3700℃，內(nèi)核溫度約在4000℃至4500℃之間。地球內(nèi)部的壓強也隨著深度增加而增大。地球從表面到核心，愈往深處去，壓在單位面積上的物質(zhì)就愈多，因而壓力就愈大。在地殼下面大約有900萬百帕（9000個大氣壓），到地球中心則達(dá)到36億百帕。

因此，在地球內(nèi)部，我們設(shè)想應(yīng)該是一個高溫、高壓的環(huán)境;就物質(zhì)形態(tài)而言，應(yīng)該是熔融狀態(tài)。但是，強大的壓力使它們大部分仍然是固體的狀態(tài)，同時具有一定的可塑性，可以慢慢流動。

迄今為止，人類對地球內(nèi)部的探索研究，一種形式是做“CT”?？茖W(xué)家在地上制造的地震波會沿地下傳播，而當(dāng)?shù)卣鸩ㄅ龅讲煌刭|(zhì)體時就會反射回來，儀器接收到反射信號，經(jīng)過處理以后得到圖像。由于不同深度和巖石性質(zhì)反射的波是不同的，通過分析反射，科學(xué)家就能大體判斷地球深部的構(gòu)造。

1909年，南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇在一次大地震中，首先記錄到震波在地下43～44公里處傳播速度突然降低。顯然，在這個深度以下，地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。人們把這個交界面稱為“莫霍”面。

1914年，美國地球物理學(xué)家古登堡又測出地下2898公里處，縱波速度突然降低，橫波完全消失了，顯然，地球更深的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又發(fā)生了重大變化，人們把這個交界面稱為“古登堡”面。后來，人們根據(jù)這兩個面，把地球分為地殼、地幔和地核三個圈層。

莫霍面以上是地殼，它的厚度有15～70公里。莫霍面和古登堡面之間是地幔，它的厚度有2850多公里。古登堡面以下至地心是地核，半徑約有3450公里，分為內(nèi)核和外核兩部分。

目前，人們對地核的認(rèn)識還不清楚。大多數(shù)地學(xué)家這樣猜測：外核可能具有液態(tài)性質(zhì);內(nèi)核溫度很高，密度很大，可能是由鐵鎳等元素組成。但由于技術(shù)條件所限，目前人類對地心結(jié)構(gòu)、物質(zhì)構(gòu)成的論斷大多還只是猜測，很少能拿到第一手的實物樣本。

“地質(zhì)學(xué)上的登月”

經(jīng)由CT獲取的認(rèn)知，畢竟仍然是間接的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國際社會開始紛紛建造伸入地球內(nèi)部的“望遠(yuǎn)鏡”，即開展大陸科學(xué)鉆探工程。但就當(dāng)前的實際科技水平來說，人類至今還只是鉆進(jìn)地殼，尚未進(jìn)入地幔圈層中。

地殼是地球最外面薄薄的一層，而從地殼層較薄的大洋（平均厚度5～7公里）鉆探，比從大陸地殼（平均厚度12～17公里）鉆探要容易得多。因此，20世紀(jì)中期美國科學(xué)家倡議，利用深海鉆探在地殼最薄的地方打穿莫霍面，以研究地球的年齡、地幔的物質(zhì)組成和內(nèi)部作用，這就是“莫霍計劃”。

1968年，美國使用深海鉆探船“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號”開始深海鉆探計劃，該計劃完成鉆探站位624個，實際鉆井逾千口，回收巖芯9.5萬多米。最深海底鉆井達(dá)1741米。

不過，在冷戰(zhàn)背景下開展的“莫霍計劃”后來由于資金缺乏而被迫中斷。2012年7月，美國、日本和德國的科學(xué)家們打算繼續(xù)中斷的莫霍鉆探，重新開啟地下之旅，這就是“新莫霍計劃”?？茖W(xué)家們準(zhǔn)備花費10億美元和10多年的時間來做這個工程。

雖然資金需求大、技術(shù)難度仍然非常高，但科學(xué)家們認(rèn)為這些投入非常值得。如果能夠抵達(dá)莫霍面，人類可以加深對地幔的認(rèn)識。

地幔是地球內(nèi)部體積、質(zhì)量最大的地質(zhì)層，而且它涉及地球本身的演化和起源問題，但我們對地幔的了解卻很少，原因就是我們無法獲得純凈的地幔巖石樣品。一件原始純凈的地幔樣品將會是一個珍貴的寶物，就像阿波羅計劃帶回的月球巖石一樣。所以科學(xué)家又將該計劃稱為“地質(zhì)學(xué)上的登月”。

不過，這個計劃也引起了很多地質(zhì)學(xué)家的擔(dān)憂，因為鉆探點選擇在地殼厚度最薄的地方，這里同時也是地震以及火山活動最為活躍的區(qū)域，如果有什么沒有預(yù)料到的因素存在，鉆探可能會引發(fā)一系列的災(zāi)難，板塊之間的摩擦有可能會驟然減小，以此引發(fā)的人工地震或許會造成比2004 年印度洋海嘯更具破壞力的巨大波浪。

超深鉆井的發(fā)現(xiàn)

與大洋鉆探相比，大陸科學(xué)鉆探起步要晚一些。在俄羅斯科拉半島上，至今還遺留著一個廢棄的科學(xué)研究工作站。在冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)科學(xué)家在那里鉆了一個目前世界上最深的科研鉆井——深達(dá)12262米的“科拉超深鉆井”。

科拉半島位于蘇聯(lián)西北端，大部分處于北極圈內(nèi)。蘇聯(lián)之所以把超深鉆定位這里，是因為科拉半島上地層古老，具有鮮明的地質(zhì)意義。鉆探于1970年開始。直到7000米深鉆井過程都相對平穩(wěn)，但隨著深度加深，鉆探過程變得復(fù)雜起來。

因為隨著向地心掘進(jìn)，必須維持鉆井的垂直度和穩(wěn)定性。而且，在幾千米的地下深處，所遭遇的巖層非常堅硬，即便是特殊材質(zhì)的鉆頭也要經(jīng)常更換，每向下鉆探一米，都要付出沉重的代價。

到1983年，該井的鉆探深度已經(jīng)達(dá)到了12000米，而最后的262米花了整整十年。盡管沒有完成預(yù)期的15000米鉆進(jìn)目標(biāo)，但12000米的科拉超深鉆本身就是人類的一項壯舉，它的深度保持了20年領(lǐng)先紀(jì)錄，直到2008年才被卡塔爾的一口石油鉆井打破（注：阿肖辛油井12289米）。不過，迄今為止，世界上超過8000米的科研鉆井，仍只有科拉超深鉆井與德國的KTB鉆井（9101米）。

21世紀(jì)初，由于財政困難及缺乏國家支持，“科拉超深鉆井”項目被決定徹底關(guān)閉。

這口井不僅深度創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，而且有許多有價值的發(fā)現(xiàn)。據(jù)悉，通過對地下深層地幔、地殼變化規(guī)律的研究，推翻了許多原來無法證實的推論。如發(fā)現(xiàn)地層7公里以下全是花崗巖，從而否定了以往科學(xué)家們認(rèn)為7公里以下是液體巖石的推論;首次在1000米以下深度發(fā)現(xiàn)了金礦。地?zé)豳Y源方面，發(fā)現(xiàn)地下12公里處溫度高達(dá)2300℃，越往下溫度越高;在深處還發(fā)現(xiàn)含有大量的天然氣。研究還發(fā)現(xiàn)，科拉半島地下巖芯的成分與月球土壤的成分極其相近。

（張甫卿摘自《國家人文歷史》2018年第15期）