《天地本源》

（楊建立著）

第三章 地下迷局

前章我們細述了火山噴發、大陸漂移、板塊運動等紛繁復雜的地面亂象。除了天降橫禍所致的隕石坑外，其它地面亂象的根源在地下，其動力無疑也是來源于地下。那么，地下究竟什么樣子，那里埋藏了什么？我們從地球內部結構著手，抽絲剝繭，探索地下能量來源之謎。

科學家利用地震波等手段，正在逐步揭開地球深處的謎團。他們發現地球除了我們通常知道的地殼、地幔、地核之外，地核還分為內核和外核，內核還擁有自己的“內內核”，地球內核和外核的邊界處，在局部區域還存在“糊狀層”；在地球深處地幔當中發現了兩個大型的“液滴”狀結構，這些大小與大陸相當的“液滴”位于地核之上，與地幔其他部分有著不同的物質組成。

地球內部結構

人類無法直接進入地球深處去看個究竟，甚至，在現有技術條件下想把儀器扔下去也是天方夜譚。人類至今為止打得最深的科學鉆探--科拉超深鉆（Kola Superdeep Borehole），也只能到達12千米，但這個深度連大陸殼的一半還沒穿過。至于進入地幔、地核，更是想都別想了，地幔的厚度差不多是地殼的90倍！

但有一種東西卻可以輕易遁入地球最深處取回信息，然后再反饋給地表的觀測者，這種東西就是機械波。由于它傳遞的不是物質本身，而是物質振動的狀態，因此可以很隨意地在各種物質中穿梭來回。大地的振動自然就是地震波（seismic wave）了。鑒于自然地震具有不可預知性，人們可以通過在地表人工觸發地震的方式來主動制造“信使”。

地震波能夠反映地下的結構，道理就是物質的密度不同，機械波在其中傳播的速度也不同。還有，橫波無法在液態物質中傳播。從最簡單的地殼、地幔和地核三層劃分，到稍微復雜一點的六層劃分，運用的都是這么一個簡單的原理。人們從返回的地震波里發現，在某幾個特定深度處，波速發生了明顯的不連續驟變。

1910年，前南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇契意外發現，地震波在傳到地下30公里處有折射現象 發生。他認為，這個發生折射的地帶，就是地殼和地殼下面不同物質的分界面。1914年，德國地震學家古登堡發現，在地下2900公里深處，存在著另一個不同物質的分界面。人們為了紀念他們，就將兩個面分別命名為“莫霍面”和“古登堡面”。一般根據這兩個面把地球分為地殼、地幔和地核三個 圈層。中心是地核，中間是地幔，外層是地殼。地殼與地幔之間由莫霍面界開，地幔與地核之間由古登堡面界開。

《天地本源》（楊建立著）第三章地下迷局

地殼

地殼是地球的表面層，是地球表面以下、莫霍面以上的固體外殼，也是人類生存和從事各種生產活動的場所。地殼實際上是由多組斷裂的，很多大小不等的塊體組成的，它的外部呈現出高低起伏的形態，因而地殼的厚度并不均勻：大陸下的地殼平均厚度約35公里，我國青藏高原的地殼厚度達65公里以上；海洋下的地殼厚度僅約5～10公里；整個地殼的平均厚度約17公里。這與地球平均半徑6371公里相比，僅是薄薄的一層。

地殼上層為花崗巖層，主要由硅－鋁氧化物構成；下層為玄武巖層，主要由硅－鎂氧化物構成。理論上認為地殼內的溫度和壓力隨深度而增加，每深入100米溫度升高1。近年的鉆探結果表明，在深達3公里以上時，每深入100米溫度升高2.5，到11公里深處溫度已達200。

目前所知地殼巖石的年齡絕大多數小于20多億年，即使是最古老的石頭--丹麥格陵蘭的巖石也只有39億年；而天文學家考證地球大約已有46億年的歷史，這說明地球殼層的巖石并非地球的原始殼層，是以后由地球內部的物質通過火山活動和造山活動構成的。

地球厚度變化有規律：地球大范圍固體表面的海拔越高，地殼越厚；海拔越低，地殼越薄。地殼由90多種元素組成，它們多以化合物的形態存在。一般認為，氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂8種元素的質量占地殼總質量的98.04%。其中氧幾乎占1/2，硅占1/4。硅酸鹽類礦物在地殼中的分布最廣。

地幔

地殼下面是地球的中間層，叫做“地幔”，厚度約2865公里，主要由致密的造巖物質構成，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。 地幔又可分成上地幔和下地幔兩層。一般認為上地幔頂部存在一個軟流層，推測是由于放射元素大量集中，蛻變放熱，將巖石熔融后造成的，可能是巖漿的發源地。軟流層以上的地幔部分和地殼共同組成了巖石圈。下地幔溫度、壓力和密度均增大，物質呈可塑性固態。

地核

地幔下面是地核，地核的平均厚度約3400公里。一般認為，地核還可分為外地核、過渡層和內地核三層，外地核厚度約2080公里，物質大致成液態，可流動；過渡層的厚度約140公里；內地核是一個半徑為1250公里的球心，物質大概是固態的。傳統理論認為，地核主要由鐵、鎳等金屬元素構成。地核的溫度和壓力都很高，估計溫度在5000以上，壓力達1.32億千帕以上，密度為每立方厘米13克。

美國一些科學家用實驗方法推算出地幔與核交界處的溫度為3500以上，外核與內核交界處溫度為6300，核心溫度約6600。

橫波不能在外核中傳播，表明了外核的物質在高溫和高壓環境下呈液態或熔融狀態。它們相對于地殼的“流動”，可能是地球磁場產生的主要原因。一般認為地球內核呈固態。

這就是目前理論所描述的地球內部結構，這與太陽系的形成理論一脈相承。然而，隨著我們對地下世界認識的不斷加深，我們現在發現，我們腳下的地球內部結構遠不是這么簡單，而是充滿了科學未解謎團。

地球內部未解之謎

就在201５年，澳大利亞的科學家通過研究地心溫度及地震波時得知，地表下3,000公里深處的溫度變化程度比以前認為的復雜得多，而且在地幔深部與地核交界的區域，變化程度比預期的高三倍。

　參與研究的澳大利亞國立大學地球物理學家赫爾沃耶塔卡西(Hrvoje Tkalcic)博士說：“地幔與地核的交界處比地球表面更富有變化。”他還補充道：“固態幔物質與液體地核之間的差異程度比地面與空氣之間的差異更大。地核就像是地球含有的一顆小行星”。因此他又感慨道：“研究地球中心的難度比太陽中心更大。”

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因為地核的復雜程度，所以科學家將之比喻為：地球中的小行星。

　 研究者發現，地幔深部的溫度達到3,000～3,500攝氏度，壓力值約為125GPa，約12,500個大氣壓。溫度及其它物質性質如密度和化學成分的變化程度會影響穿過地球的波速。

因此，研究者對世界各地4000多個地震儀的檢測結果進行對比分析。他們使用類似CT掃瞄的方法，并進行復雜的數學運算，最后繪制出迄今為止最詳細的一幅整個地球的地幔深層400公里區域的地震波變化分布圖，顯示出地震波的速度變化程度出乎意料的復雜。

研究者認為，這很可能是受地幔與地核的邊界溫度及放射性影響的結果。塔卡西博士說：“繪制的變化分布圖將有助于我們了解對地球表面與地幔底部之間的關系。其中溫度變化是一個深奧難懂的問題，但是它提示我們考慮造成地球磁場的原因，地核那里有一個地球發電機(geodynamo)。”

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地球內部結構遠不是以前認為的那樣：地球有個核心，稱之為地核，它位于地表2,900公里之下，地核的半徑約3,480公里，略大于地球半徑(約6,400公里)的二分之一。地核也不一定是個含鐵成分極高的“鐵球”，學術名稱為鐵鎳核。而是具有更復雜的結構，地心外核之下是內核，內核里面還擁有一個“內內核”。

地球擁有“內內核”

地球內部結構還可以分得稍細些：比如地殼可以再分為硅鋁質的上地殼和硅鎂質的下地殼，地幔可以再分為“二輝橄欖巖”的上地幔和我們知之甚少的下地幔；而地核也可以再分為由液態的外核和固態的內核。這六大圈層是那樣經典，以至于在當下時代，完全可以說是科學常識了。

然而就在近幾年，美國伊利諾伊大學和中國南京大學的一個聯合科研組，利用在1992年到2012年這二十年間全球寬頻地震臺陣（Global Broadband Seismic Arrays）積累起了最新一批的豐富數據，進行了研究分析，從而發現了深埋在地球最深處的新端倪。

他們研究發現，我們的地核并非僅僅由外核-內核這樣一個雙層結構組成。在內核里面還埋著一個更小的核心--“內內核”。這個最新成果發布在《自然》子刊《自然－地球科學》（Nature Geoscience）2015年2月的新一期上。《天地本源》（楊建立著）第三章地下迷局

地球的內核里，還有一個“內內核”

目前流行的理論認為，整個地核都是由鐵這種均一的成分所組成的。傳統內-外核的劃分，反映的是液相和固相的分野。而科學家最新發現內核更內部的不連續反應--則是固態大前提之下的物性不連續。表明在固態地核的最深處，晶體結構并非是均一不變的，在固態內核之中，還坐落著一個在晶體結構上截然不同的內內核。

科學家們普遍相信，地球，以及其他的行星、小行星，都大致形成于同一個時期--即46億年前太陽系剛剛從星云中誕生的太初之刻--冥古宙（Hadean Eon）。那時，還沒有圍繞著太陽規則地旋動著的行星，而是一圈由塵埃、碎屑、塊體組成的，充滿著瘋狂撞擊的原行星盤（protoplanetary disc）。行星的誕生，便是這些碎屑物質--星子（planetestimal）之間劇烈碰撞，不斷吸積、增生的過程。每一次星子的碰撞，都是動能向內能的巨大轉換。星子之間大量偶然的撞擊和融合，最終形成質量大到足以自動吸引臨近物質的聚集體，這邊是今日行星的最早期雛形--原行星（protoplanet）了。可想而知，原行星匯聚了無數“加盟天體”所帶來的可觀能量，導致其內部的溫度高到完全可以維持一個全球熔融的巖漿之海。

一般認為，巖漿主要由六大元素--氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂所組成。正如一杯水靜置時比重大的物質會率先沉入杯底似的，在宇宙中漂浮的這么一大團液態巖漿里，重的物質自然也會聚集到“杯底”。對于太空中的球體來說，“杯底”自然便是重力勢最低的部位--球心了。六種主量元素里，鐵的比重最大，于是，這團巖漿球中的鐵便率先沉入巖漿最深處，沿著平行于球面的重力勢，形成了地球最早的結構--地核。

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電腦模擬的原行星景象。

那么，液態外核和固態內核的分層又是怎么來的呢？一般認為，這與溫度-壓力的綜合作用有關。在五六千多米深的地方，溫度高到能夠輕易達到鐵的融點，在這種溫度條件下，足以使鐵維持長期的熔融狀態，可物質的熔點并不是一個常數，在不同的壓力之下，熔點也有所不同。我們知道，壓力越高，物質的熔沸點就越高。現在倒好，我們的那坨鐵被扔進了全地球壓力最大的地方--它的“肩上”承受著的是整個地球的重量！在這種壓力下，鐵的熔點已經高到連地球最深處的溫度都不足以融化它的地步了。自然，這個壓力所對應的深度，便是固態內核所位于的深度了。

那么“內內核”究竟是什么？說實話人們暫時還不知道。現階段人類對地球深部物質結構的了解依然非常有限。它是鐵鎳還是其他，我們只能推測，依現在的科技水平，還不能確切知曉。

地核中心不僅存在“內內核”，迄今為止，關于地核的溫度、物質成分、電導率、熱導率等物理化學性質，地核為什么處處充滿變化而不是均勻一致的球體，地核的分層結構及其成分來源等等，都是科學未解之謎。

最近的研究還發現，地球內核邊界，并非平滑齊整，地球內外核邊界，局部存在“糊狀層”。

內核邊界局部存在“糊狀層”

新華社2017年8月5日電，中國科學技術大學地震與地球內部物理實驗室溫聯星教授研究組，利用地震觀測資料首次發現地球內核邊界在局部區域存在“糊狀層”。國際權威學術期刊《自然·通訊》在線發表了該研究成果。

磁場來自于地核，了解地球內核的凝固狀態是理解地球磁場起源的關鍵。自上世紀八十年代起，科學家就預言地球內核邊界附近可能包含三個區域：以純液態形式存在的地球外核，以純固態形式存在的地球內核和以固液態共存形式存在的中間區域--糊狀層。糊狀層的存在對理解地球內核的凝固過程具有揭示性意義，但科學界一直沒有任何觀測證據。

近期，溫聯星教授研究組通過分析日本高感度地震臺網Hi-net記錄到的從地球內核邊界反射的地震波的走時和波形，發現在鄂霍次克海西南部下方的地球內核邊界存在一個厚度約為4到8公里的糊狀層，而與該區域臨近的其它地球內核邊界則呈現出尖銳的界面，并無糊狀層存在。

該研究結果為內核邊界糊狀層的存在提供了直接的證據，同時還表明糊狀層僅存在于地球內核局部區域。研究結果顯示，地磁場驅動力隨區域變化，地球外核成分接近鐵和輕元素的共晶組成物的成分，因而在大部分地區形成了無糊狀層的尖銳內核界面；而在局部地區，地球外核偏離鐵和輕元素的共晶組成物的成分，形成了局部糊狀層。

也還是在最近，我們的科學家們，又在地幔中發現兩個大型熔巖“液滴”。

地幔中發現大型熔巖“液滴”

《天地本源》（楊建立著）第三章地下迷局

在地球深處，科學家發現了兩個大型的液滴狀結構，每個的厚度都比珠穆朗瑪峰高100倍。這些大小與大陸相當的“液滴”位于地核之上，距離地表約2900公里。研究者認為它們是由與地幔其他部分不同的物質所組成的。

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這些奇特的大型結構或許能揭示地球形成的過程，并幫助解釋驅動火山噴發甚至板塊構造運動的機制。圖中是一個對流數值實驗示意圖，綠色是熱化學異常體，其周圍的地幔物質呈藍色。

　 2016年7月新浪科技消息，在地球深處，科學家發現了兩個大型的液滴狀結構，每個的厚度都比珠穆朗瑪峰高100倍。這些大小與大陸相當的“液滴”位于地核之上，距離地表約2900公里。研究者認為它們是由與地幔其他部分不同的物質所組成的。

　 研究者稱，這些奇特的大型結構或許能揭示地球形成的過程，并幫助解釋驅動火山噴發甚至板塊構造運動的機制。來自美國亞利桑那州立大學的科學家將他們的發現發表在近期的《自然-地球科學》(Nature Geoscience)雜志上。

　 這兩個“液滴”正好分處地球兩端，一個在太平洋下方，另一個則在大西洋之下。它們通常被稱為“熱化學異常體”(thermochemical piles)。長期以來，科學家一直認為熱化學異常體是由地幔物質構成，但溫度高于平均值。這是熱地幔巖石緩慢攪動、上升導致的結果，與熔巖燈的原理類似。

　 不過，研究者現在提出，地幔中的熱化學異常體可能具有獨特的化學性質。新研究顯示，這些“液滴”中含有被板塊構造向下擠壓的物質，甚至可能是由地球在45億年前形成時的殘余物質所組成。

　 亞利桑那州立大學地球和太空探索學院的愛德華·加爾內羅(Edward Garnero)說：“盡管這些‘液滴’的起源和組成依然未知，但我們推測，它們包含著地球如何形成以及如何運作的線索。”對地球深處地震的研究顯示，地震波在這些熱化學異常體中傳播得較為緩慢。

　 研究者認為，由于板塊構造的向下運動，這些熱化學異常體周圍的地幔物質可能由溫度相對較低的巖石組成。盡管還有很多問題需要解決，但新的數據顯示，它們比周圍的地幔物質密度更大。除此之外，它們的活動還更加穩定，持續時間很久，形狀受到地幔流的影響。

隨著該領域研究的深入，研究團隊預測，這些“液滴”的神秘起源將很快被揭開。“如果一個神經學家在人類大腦中發現了一個未知結構，那整個有關大腦的科學家群體，從心理學家到外科醫生，都會積極地探索它扮演的角色，了解它在整個系統中的功能，”加爾內羅說，“隨著熱化學異常體研究變得越來越清晰，我們希望其他地球科學家也參與進來，探索這些性質如何與地球的大謎題進行整合。”

處于地球核心的“內內核”是怎么來的，地核與地幔交界處的“糊狀層”是什么，熱化學異常體的“大液滴”又是什么？我們目前不清楚。但是，這些結構被發現，必然對我們重新認識地球的生成理論有所助益，這迫使我們重新思考教科書中理論。最起碼，地球形成之初，一定有我們現在所認為的普通物質不同的物質參與其中。因為，如果像教科書中所說的那樣，地下物質應該是比較均勻的存在：地心是最重的鐵鎳核，其外為熱巖漿物質，最外邊是凝固的巖石層。而事實上，可能并非如此簡單，很可能存在著我們目前不甚了解的物質形態。