地心探秘新認(rèn)知

楊琳彥

比浩瀚宇宙更神秘的地核深處

在法國作家儒勒·凡爾納的科幻小說《地心游記》中，一個(gè)奇幻絢麗、神秘莫測的地底世界，激發(fā)了人們一直以來了解地心構(gòu)造的興趣。

迄今為止，科學(xué)家對于地球超深鉆井研究——“科拉超深鉆孔”，最深處已達(dá)到了12262米。1970年，蘇聯(lián)科學(xué)家在該國西北端的科拉半島（Kola Peninsula）開啟了探究地核深處的超深井工程。在開鉆9年后的1979年，“科拉超深鉆孔”打破了彼時(shí)9583米的鉆井世界紀(jì)錄。1983年，超深井突破了12000米的深度。1989年時(shí)，“科拉超深鉆孔”達(dá)到了12262米的最大深度。那么，這個(gè)數(shù)字又說明了什么呢？據(jù)測定，珠穆朗瑪峰的最新海拔為8848.86米，馬里亞納海溝最深處則為11034米。這就意味著“科拉超深鉆孔”的深度不僅超過了世界最高峰的高度，也比世界海洋最深處更深。

或許有人會(huì)擔(dān)心，如此之深的鉆孔，是否會(huì)把地球給“鑿穿”了呢？實(shí)際上，一萬多米的深度離地殼被真正鉆透還差得相當(dāng)遠(yuǎn)。假如我們把整個(gè)地球看作是一個(gè)西瓜的話，那么“科拉超深鉆孔”甚至連外層的瓜皮都還沒挖透。人們?nèi)绻霃牡乇泶怪毕蛳碌诌_(dá)地球中央，行程基本在6500千米左右，相當(dāng)于從阿聯(lián)酋的迪拜到南非約翰內(nèi)斯堡的飛行距離。當(dāng)前人們挖地鉆孔的最深距離，僅僅才沿著地心探索的方向筆直往下前行了1.2萬米，只占到地表到地心總行程的0.2%左右。

既然當(dāng)前人們已探知的地底深度距離地心仍相去甚遠(yuǎn)，那為什么不繼續(xù)向下鉆探呢？從理論上說，向地底鉆孔就是將鉆桿安裝至旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)上，持續(xù)往下鉆探就行了。但實(shí)際上這一過程并非如想象中的這般容易。尤其是超深鉆井工程，越往下鉆，其面臨的技術(shù)難度也越大。地層壓力，就是地心探秘時(shí)首先遇到的一大障礙。超深鉆井的鉆桿在不斷下探的過程中，井壁時(shí)刻承受著周圍數(shù)千米厚度的地殼壓力。此時(shí)的超深鉆井，就如同一根插向地底深處的“蛋卷”。要想維系脆弱的井壁不塌陷，就足以讓科學(xué)家們感到頭疼。此外，地底深處的高溫也是阻止人們進(jìn)一步了解地心的另一道“攔路虎”。鉆桿每向地球內(nèi)部鉆探100米，其承受的溫度就會(huì)升高3℃。當(dāng)鉆探深度達(dá)到1萬米后，地殼的溫度已有200℃左右，這導(dǎo)致鉆頭被軟化和熔化，給鉆探設(shè)備帶來了極大的考驗(yàn)。

“套娃結(jié)構(gòu)”的地球內(nèi)部組成

面對神秘的地心深處，科學(xué)家們從未停止過對地球內(nèi)部的探索。一段時(shí)期以來，科學(xué)家們基于對地球整體結(jié)構(gòu)的大致了解，將地球這一巖質(zhì)球體分為了地殼、地幔和地核三部分。想必牛油果對于大家來說都不陌生，其由外向內(nèi)可分為果皮、果肉和果核。當(dāng)我們把牛油果一剖為二后，就可以清晰地看到其內(nèi)部構(gòu)造。從某種程度而言，地球橫截面與牛油果較為相似。

地殼：如果將地球看作是一個(gè)牛油果，其最外層的果皮即是地殼，也就是我們腳下所處的地表，可分為大陸地殼和海洋地殼。這也是地球內(nèi)部構(gòu)造中，厚度最薄的一層結(jié)構(gòu)。海洋地殼較薄，平均厚度在17千米左右；大陸地殼則比較厚，平均為33千米。但即便如此，以當(dāng)前科技文明的發(fā)展程度，人類仍沒有能力將其鉆透。

地幔：牛油果中間的果肉部分，遠(yuǎn)比果皮要厚得多。同樣，地幔厚度也遠(yuǎn)超地殼，約占地球半徑的四分之三。據(jù)測算，地幔的平均厚度約為2865千米。地幔層的溫度隨著深度的變化，會(huì)不斷上升。至于溫度高到什么程度，目前也沒有一個(gè)確切數(shù)據(jù)，可能并不會(huì)低于太陽表面溫度。上地幔主要由橄欖石等物質(zhì)構(gòu)成。地幔越深處，溫度和壓強(qiáng)也越高，其到底由哪些物質(zhì)組成，目前仍是一個(gè)未知數(shù)。地球上的火山巖漿，就出自地幔層中流動(dòng)的巖漿。

地核：當(dāng)我們切開牛油果后，會(huì)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有一顆較大的果核。同樣，處于地心最深處的地核，其厚度也異常驚人。地核的平均厚度超過了地幔層，能達(dá)到3400千米左右。作為地球核心的地核，可分為外核和內(nèi)核兩部分。外核為液態(tài)，系為保護(hù)內(nèi)核而存在，將內(nèi)核包圍后進(jìn)行著高速流動(dòng)。內(nèi)核則是一個(gè)密度很大的固態(tài)金屬核，可能由各類重金屬物質(zhì)所組成。人們生活的這一藍(lán)色星球，能夠孕育出生命，且擁有健康穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，都離不開地核如永動(dòng)機(jī)般的系統(tǒng)運(yùn)行。

深入地心的最新認(rèn)知

掌握地核內(nèi)部構(gòu)造對于了解地球是如何形成的，何時(shí)地球?qū)⒉辉龠m合人類居住等問題尤為重要。除了地底鉆探的超深井工程外，當(dāng)前科學(xué)家們也在嘗試?yán)闷渌夹g(shù)和數(shù)據(jù)信息，來進(jìn)一步了解我們腳下這片土地的更深處。

地震形成的地震波，可以說是人們獲取有關(guān)地球內(nèi)部情況的最重要數(shù)據(jù)。由于地層間的不同，地震波的移動(dòng)速度也有所區(qū)別?；谶@一原理以及相應(yīng)的技術(shù)手段，研究人員最新發(fā)現(xiàn)，地震波沿著地球直徑來回傳播最多有5次。這一傳播了5次的地震波，為地球內(nèi)部的探索提供了新的方向和工具。

2023年2月22日，澳大利亞國立大學(xué)地球科學(xué)研究院科學(xué)家在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》發(fā)表的最新研究，對地球內(nèi)部的“套娃結(jié)構(gòu)”提出了全新的認(rèn)知?？茖W(xué)家們在梳理了探測器數(shù)據(jù)的同時(shí)，對地震在地球內(nèi)部傳播時(shí)產(chǎn)生的地震能量波進(jìn)行了測量，并首次觀測到沿著地球直徑傳播了5次的地震波。這一情況，揭示了一個(gè)半徑約為650千米，且不同于內(nèi)核的存在。該最新發(fā)現(xiàn)顯示，地球內(nèi)部的“套娃結(jié)構(gòu)”中，還有一層最為神秘且此前不為人所知的結(jié)構(gòu)——“最內(nèi)層內(nèi)核”！換言之，在地核的內(nèi)核中，還有著一個(gè)半徑為650千米左右，幾乎由鐵、鎳合金組成，且?guī)в衅渌⒘吭氐那蝮w！鐵是銀河系中最為常見的元素之一，很多隕石中都被發(fā)現(xiàn)含有鐵的成分。但根據(jù)測定，地表實(shí)際的含鐵量并沒有想象中的那么多。這就帶來了一個(gè)問題，鐵元素去哪里了呢？有研究人員提出，在彼時(shí)地球形成之初，大量的鐵沉降到了地核之中。

地球上的火山巖漿，就出自地幔層中流動(dòng)的巖漿

不過，對于地心的最新認(rèn)知還需要科學(xué)家們做進(jìn)一步的研究，以便更深入地了解地球的內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)和形成歷史。一旦研究成熟，或許現(xiàn)有的地球科學(xué)教科書將會(huì)被改寫。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com