探索神秘的地下世界

张唯诚

科拉超深钻孔

17世纪，一些了不起的学者如开普勒、伽利略等人已经为现代天文学奠定了基础，但对于地球内部的认识，却依然停留在中世纪的神话和想象中。1664年，欧洲百科全书式的著名学者阿塔纳修斯·基歇尔出版了描绘地球内部结构的示意图。在图中，地球是一个有巨大洞穴的世界，洞穴中有很多分开的空间，有的充满空气，有的充满水，有的充满火;地球的中心是地狱，那是一个火焰世界;地狱的外层是炼狱，一些管道里燃烧着火，火加热了温泉，制造了火山。尽管基歇尔描绘的地下世界很荒谬，但他也不是一个完全靠想象构建理论的学者，他曾亲自进入冒着烟的维苏威火山口以测量那里的温度。

现在我们知道，地球的中心有一个固体的铁核，它的大小和月亮差不多，这铁核又被一层熔化的铁和镍包围着，这就是外核。外核的外面是固体的地幔，厚度为2900千米。地幔的上面就是地壳了，它是一些构造板块，在地幔上缓慢地漂移。

科学家意识到，在地球内部人类难以抵达的深度，正发生着一些强烈影响着生活在地球表面的生命的活动。在地球的中心，炽热的地核和太阳的表面一样热，从那里产生的地球磁场形成了地球生命的保护屏，它阻挡和偏转了致命的宇宙射线和太阳辐射。假若没有这样一个磁场屏障，那么地球将毫无生气——只要看看荒芜的火星和金星就明白了。

超深钻孔

如何深入地下一探究竟呢？也许钻探是一种可行的办法。在俄国西北端的科拉半岛上，至今还遗留着一个废弃的科学研究工作站。在冷战期间，苏联科学家在那里钻了一个很深的窟窿，这个窟窿被人们称为“科拉超深钻孔”，它是目前世界上最深的钻孔。

这个深孔开钻于1970年的春天，此前4年，美国人已经放弃了一项类似的工程：莫霍计划。莫霍计划的实施地点是太平洋底，美国人希望从那里通过钻孔深入地下几千米以得到一块地幔的样本。他们用了5年时间将钻孔从3350米深的水下向地壳钻进了183米。这个计划远远没有达到预定的目标。而俄国人显得更有耐性，一直工作了24年。到1994年结束时，他们的钻头接触到了27亿年前的古老岩石层，钻孔底部的温度超过150℃，那里的岩石具有极强的可塑性，乃至于只要钻头后撤，钻出的孔就会重新合上。

在这24年间，人类的探测器抵达了月球、火星，“旅行者”号探测器已经飞越了冥王星轨道。而科拉钻孔抵达了怎样的深度呢？大约12千米。想想地球的直径约为12750千米，假若把地球看成是一只苹果，那么科拉钻孔甚至还没有穿透它的苹果皮哩。

发射一枚探测器吧！

在地球上，所有的矿藏、洞穴和峡谷，大海、江河和生物都只存在于一个岩石的壳上，这就是地壳。地壳非常薄，依比例看，它比鸡蛋壳还要薄得多。而地球内部的地幔和地核，人类则从未抵达过，或许永远也无法抵达那里。

美国加州理工学院的地球物理学家戴维·史蒂文森有一个妙想：人们可以向太空发射探测器探索太空的奥秘，为什么不能向地心也发射一枚探测器呢？在他的一篇论文中，史蒂文森描述了一种直接发送探测器前往地球中心的设想。首先，在地球的表面引爆一次爆炸，这个爆炸可以是核爆炸，也可以是常规爆炸，从而在地面制造一个深达几百米的裂缝。接下来，人们便向这个裂缝中倾倒大量炽热的铁水。由于铁水的密度比周围的物质大一倍，它们会在重力的作用下将这道裂缝向下延伸，一直抵达地核。在铁水下降的过程中，由于周围岩石的压力，铁水经过后，地面会很快地弥合，不会造成永久裂缝和其他灾难性的后果。

在铁水中隐藏着一个足球大小的探测器，随同铁水一同向地核进发，前进速度大约为16千米/小时，只需一个星期就能抵达地核。这个探测器会不停地记录数据，显示温度、压力、岩石的组成等等。由于无线电波无法穿透固体的岩石，这个探测器必须自己振动，通过一系列微小的地震波传输数据。地面上非常敏感的地震仪能够接收它的信号。

基歇尔描绘地球内部结构的示意图

论文发表后，很多人都质疑它的可行性。首先，铁水的需求量太大，哪来这么多铁水浇注到地下呢？其次，即使有了足够的铁水，探测器也不一定能够到达地核，例如，如何让铁水不冷凝就是一个很大的难题;再次，即使探测器终于到达了地核，这小小的探测器又如何产生足以让地面地震仪探测到的地震波呢？

地震波的地下之旅

人们真正了解地球大致的结构得益于现代地震仪的出现。随着地震仪被安装到全球各地，形成了一个分布于全球的网络，从而使科学家们得以了解地震波如何从地球的一个地方传播到另一个地方。科学家发现，地震波主要有两种，即P波和S波。振动方向与传播方向一致的波为P波，振动方向与传播方向垂直的波为S波。前者引起上下波动，后者引起水平晃动。由于P波在花岗岩中的传播速度比S波快，所以发生地震时，人们总是先感到上下颠簸，过了数秒或者十几秒钟后才感到水平晃动。一般来说，水平晃动是造成破坏的主要原因。

起先，多数科学家都认为地球有一个液态的铁核，理由是：人们在分析地震波在地球内部的传播情况时发现，地球的中心缺乏S波。由于S波只在固体中传播，而P波则能在固体、液体和气体中传播，所以科学家们认为，缺乏S波大概是这种波抵达地核时碰到了液态的缘故。

原来还有一个“内核”

1929年，新西兰发生了一次7.8级的大地震，它为科学家们研究地下结构提供了一次机会。全球各地许多地震学家都阅读了地震仪上记录的数据，他们大都并没有发现什么非同寻常的东西，但有一人除外，她就是丹麦地震学家英奇·莱曼。莱曼发现，一束P波偏转了传播的方向，这使她开始怀疑地核并非全是液态的，它的中间可能还有个固态的铁核。1936年，莱曼在一篇论文中指出，那束异常的P波一定是在被液态铁水包裹着的地核中遇到了密度更高的物质，这导致它偏转了方向。莱曼最后认定，地球在液态的外核中还拥有一个固态的内核。

内核的发现使人们对地球的基本结构和演化有了更加清晰的认识，这使得更新的研究得以指向地核的形成和它如何制造了一个磁场，这两个问题对地球生命的存在至关重要。

根据针对于地球古老岩石的放射性年代测定，科学家估计，地球已经存在了大约45亿年。当原始的地球冷却后，它的最外层变成了一层薄薄的壳，而地幔的冷却则需要时日，直到现在，地幔下部的温度依然有2200℃。

科学家们认为，地球的内核曾经完全是液态的，后来慢慢地从内到外转变成了固态，内核的直径因而也渐渐变大，其速度大约为每年增加0.5毫米。随着地球的冷却，地球内部极大的压力最终使内核以固体的形式存在，而外核却是一个温度高达8000℃的铁和镍的海洋。

谁启动了“地球发电机”？

如此热的地核在怎样影响着地球的发展和演化呢？原来，它产生了一个驱动整个地球运作机制的“地球发电机”。这个发电机要运转起来，首先需要大量导电的流体，地核外核流动的铁水就是发挥这种功能的“部件”。由于铁水下面的固体内核承受着极大的压力，因而温度也极高，它释放的热量在地心深处造成了向上涌动的热流，就像一锅在火炉上沸腾的汤。于是地心底部炽热且密度较低的铁便趋于上升，当它们碰到上面的地幔时，它们又因丧失了一部分热量而转于下沉，这个过程自下而上地传递着热量，人们称之为热对流。有了热对流，来自地核的液体便在地球自转偏向力的作用下呈螺旋形的轨迹上升和下沉，这种旋转着的运动正好启动了“地球发电机”的运行。

问题的关键在于，启动对流运动需要很大的热量，而人们对地球内部热活动的研究显示，外核产生的热量并不足以驱动其中的对流运动，因为来自外核的铁水将很多热量传导给了地幔，这就好比一锅汤将它的热量散发到了空气中，于是汤中的热对流就无法启动，这汤也就不会烧开了。

为了解释这个问题，科学家提出了一种假设：也许地球的过去比现在人们推测的更热。假若地球原本就包含有更多的热量，那么它就有可能在很早的时候就存在驱动“地球发电机”所需的热对流了。那么，这更多的热量是谁提供的呢？

碰撞是人们目前能够找到的最合适的解释。科学家推测，早期的地球和另外一颗原始行星发生了碰撞，碰撞将地幔物质推进地核，为地核提供了大量的热，从而启动了“地球发电机”的运行。

其实早在20世纪70年代，这样的观点就已经提出了，但它是用来解释月亮的起源的。人们推测，在大约45亿年前，一颗大小和火星差不多的古老行星脱离了原来的轨道和地球发生了碰撞。那场碰撞极其剧烈，释放的能量足以使地球的相当部分熔化和气化。结果是：地球的一部分被抛入太空，那颗行星也破碎了，无数碎片环绕在地球的周围最后形成了月亮。

地球是一个奇迹吗？

科学家设想，那场碰撞导致了月亮的诞生，同时也将能量转化成了热量把地球的内部熔化了，于是地球变得如此之热，乃至于它看上去像一颗小恒星似地在天空中闪耀了大约1000年。

假若没有来自于碰撞的热储备，“地球发电机”就根本不会启动，地球也就不会拥有一个保护着地球生命的磁场了。太阳辐射会毫不留情地剥离大气层并冲击地球的表面，地球不可避免地会遭遇和现在的火星相同的命运。

由此看来，我们这个适于居住的世界就好像是由一些互不相干的现象构建起来的，包括月亮的诞生、磁场的形成、板块构造和水的存在等等。假若没有那次碰撞，地球就没有足够的热能在地核中驱动热的对流运动，地球磁场也不会形成;假若没有水，地壳就可能太浓稠从而不会分解成构造板块。看看金星吧！它没有板块构造，没有水，没有磁场。我们的地球是否真的就是一个奇迹？地球的奇迹在宇宙中是否是可以复制的呢？

【责任编辑】庞  云