探索地球內部的奧秘

王貞虎

人工地震

科學家揭開地下秘密的有效手段之一，是人工地震的方法。根據地震波在地球內部的傳播方式，可以知道地球內部的結構。

近年來，科學家們對地震波進行研究，發現地殼與地幔的交界處，就有一個密度突變的層面。它在海洋底部以下5公里處和大陸下10公里至70公里處。

在我們腳下的2900公里處，還有第二個密度突變的層面，那就是地核的外緣。另外，在地幔中尚有一個密度變化的區域，它在地下約400公里至700公里深的范圍內。這一區域把地幔本身分為上下兩個密度不同的部分。

由于地震波中的橫波通過液體時會發生變化，因此科學家們知道，地核的外層是液體，而這個液體層包著密度極大的固體狀內核。這就說明，地核是由固體狀內核加上液體層構成的。地核的半徑約為3500公里。

地球的剖面

地球像一個巨大的洋蔥頭那樣，是由一層層厚度不同的物質組成的。地球的最外層是具有陸地和海洋的地殼，它的厚度約30公里。地殼下面則是地幔的外層，其厚度在400公里左右。再往下，直到我們腳下700公里的范圍內，則是厚度約300公里的“過渡層”。它下面就是厚度約2200公里的地幔內層。再往里，在離地面2900公里處，則是地核了。地核主要由鐵所組成，地核的液體層厚約2270公里，其中除含有鐵以外，還有鎳與硫，地核的固體內核是個半徑為1200公里的圓球，主要成分是鐵與鎳。

科學家們按照地震波的變化，對地下70O公里深度以上的地幔與地殼，作了另外的分層。他們發現，地震波中的橫波，在通過地下的巖石時，巖石剛性越大則橫波傳播速度越快；但是，巖石的溫度越高則傳播速度越慢。當地震波的橫波通過海洋底板下面70公里和大陸下面約150公里處時，它的傳播速度突然降低了。可是再往下時，橫波的傳播速度重新變快；而到地下深40O公里與深700公里的地方，速度又有增加。

這樣，科學家們斷定：地面以下有一層70—150公里厚的堅硬而寒冷的巖石圈。在巖石圈下面，是厚550—620公里的軟流圈。軟流圈具有塑性，其溫度也較高。軟流圈的底部在地下700公里的深處，再往下就是上述地幔的內層了。軟流圈上部接近巖石圈的地方，有一些局部熔化的巖石，那里的巖石圈比較容易滑動，這是造成地球陸地變遷的主要因素。

大陸與海洋的變遷

漂浮在軟流圈上面的巖石圈，并不是一整塊的東西，而是許多碎塊組成的。我們把這些碎塊稱為“板塊”。板塊以不規則的方式，在軟流圈上緩慢滑動。按近年來研究的結果，人們發現整個地球的表面，是由13個大大小小的板塊拼成的，其中6個板塊最大，即大西洋板塊、澳大利亞板塊、北美洲板塊、南美洲板塊、非洲板塊和歐亞板塊。這13個板塊有的地方在互相擠壓，有的地方則在彼此分離。

地球上各大陸與各海洋的出現，是巖石圈的板塊在軟流圈上滑動的結果。據說在2億年前，地球上只有一塊大陸和一個海洋。只是因為巖石圈的板塊移動，整塊大陸才逐漸分裂，而變成目前這樣的五大洲和各洲之間的海洋。科學家們通過精密的衛星測量手段，測定板塊目前仍在繼續漂移，而且計算出了各個板塊漂移的速度。

他們預測，在未來的5000萬年中，美洲大陸將進一步遠離非洲和歐亞大陸的歐洲一邊，大西洋將變得更為寬廣；北美洲與南美洲之間的距離將加大；澳洲大陸則將向北移動；而位于歐洲與非洲之間的地中海，則將縮小。

軟流圈是怎樣推動板塊的呢？地幔中的熾熱巖漿，在板塊之間的縫隙中冒出來，形成海洋底部的一些山嶺，從而把板塊向前推移。于是被推移的板塊，就與其它板塊相擠壓，其邊緣被壓入軟流圈中，熔化而成為巖漿。板塊鉆入軟流圈的地帶，一般位于大陸邊緣兩個板塊的交界處。

上述板塊的移動有些像周而復始的橡皮傳送帶。然而，板塊一般移動得非常之慢，例如大西洋海底板塊每年只擴張幾毫米；不過太平洋海底板塊卻每年移動約lO厘米。板塊的相互擠碰會引起可怕的災難；因為板塊在互相長時期緩慢擠壓時所蓄積的能量，會在突然滑動時釋放出來，發生劇烈的地震。

火山爆發的原因

火山爆發也與板塊的移動有關。

以往人們一直錯誤地認為，在薄薄的地殼下面，就是沸騰的液體狀巖漿，只要地殼上出現裂縫，巖漿就會把地殼拱開，成為火山，而巖漿即從火山口噴發出來。

經過近年來的科學研究，證明事實并非如此。從地震波的分析中可以看到，我們地球內部唯一的一層液體，是在深2900公里的地方。它跟火山爆發毫無關系。

我們現在知道，火山所噴發的巖漿，是地幔中的固體物質，在一定的溫度和壓力條件下形成的。當某種固體巖石的溫度或其承受的壓力，超過其一定的限度時，它就會從固態變成液態巖漿。

地質學家們認為，如果某種巖石所處地方達不到一定的深度，即其溫度不移高時（越是深處的巖石其溫度越高），那么必須增加它所承受的壓力，巖石才會熔化。反之，如果巖石深度超出了一定的限度，那么必須減少它所承受的壓力，巖石才會熔化。

巖石深度每增加l公里，它的溫度就增高30攝氏度。上面說過，要使巖石熔化，單是有一定的溫度還不行，還得有適當的壓力。板塊的移動就提供了適當的壓力。當巖石圈在大陸上或海洋中發生張拉時，產生裂縫的地方將使下面軟流圈所承受的壓力減弱。這時，那里的某種巖石開始熔化，裂縫處就會噴出基性巖漿即玄武巖漿來，形成火山的爆發。當兩個板塊相互擠壓時，擠壓處的地殼會加厚，從而使軟流圈承受的壓力增加。這時地殼中的另一種深成巖會發生熔解，但有時因地殼較厚，這種巖漿不一定都能噴出地面，這樣，它們冷卻后就變成了花崗巖的礦囊。

但是，地球上還有一些火山爆發，似乎與板塊的移動無關。有的火山口位于海洋板塊的中心（例如太平洋的夏威夷），有的則位于大陸的板塊上面（例如美國的黃石公園）。地質學家把這些噴發口稱為“熱點”。“熱點”并不跟隨板塊一起移動，它老是在固定的一點噴發，所以當板塊移動時，原來噴發過的地方變成了死火山口，“熱點”又在附近的地方噴發巖漿。隨著板塊的移動，它就留下一連串的死火山口。科學家們估計這些“熱點”所噴發的巖漿，來自地幔的內層，但目前尚不明白這些巖漿是怎樣冒到地面上來的。

神秘的地球核心

最神秘的要算地球的核心了。

早在43億年前，地球剛成形時，85% 地球核心已經形成了。地核的主要成份是鐵。中間固體狀態的內核容重很大，約為每立方米12600至13000公斤（即相當于比重l2.6—13）。由于鐵的比重是7.86，因此它不可能純粹由鐵組成，必定含有某種比鐵更重的元素，這種元素很可能是鎳。估計內核含有約10%至20%的鎳。至于內核外面的液體層，則由于容重太小，也不可能由純鐵組成，它可能含有硫。這層液體可能由86％的鐵、12％的硫和2%的鎳組成，其熔點比鐵低得多。

估計地核與地幔交界處的溫度，為3500攝氏度左右。固體內核的溫度則估計不會超過4500攝氏度，因為如果內核的溫度超過4500攝氏度，那么內核的鎳鐵合金就將熔化為液體了。

會定期轉移的磁極

隨著科學家們對地核的了解，他們也揭開了地球磁場的秘密。

地球磁場是從哪里來的呢？科學家們認為，產生地球磁場的，既非地幔，也非地核的固體內核；因為那些部分的溫度，已經高到使其中的金屬失去了磁性。

唯一能產生磁場的部分，那就是地核的液體層。盡管那里的溫度比地幔的溫度更高，但由于在這層液體中不斷地發生旋渦狀的運動，從而產生電流，因此使地球產生了磁場。

這樣，地球上就出現了南北兩個磁極，但這兩個磁極并不完全與地球自轉軸線的南北極相重疊，而是略有偏離。

奇怪的是，以上南北兩個磁極，會互相轉換位置。換句話說，目前的北磁極，過了一定時期，會移動而變成南磁極，而南磁極則會同時移動而變為北磁極。科學家們根據地質考察資料，認為近l億年來，地球磁極的互相轉換頻率，在有規律地增加。磁極平均每隔lO0萬年就互相轉換一次，而每次轉移的時間約為l萬年；南北磁極在此l萬年中逐步移動，直到相互易位為止，隨后則處于穩定狀態。科學家們從海底地殼中巖石的磁性檢測中，證明了地球磁極的轉移和頻率。

那么上述地核液體層中的旋渦狀運動，是怎樣發生，又是從哪里取得能量的呢？

產生這種運動的能量可能有兩種：一種是液體層中某種放射性同位素，在衰變過程中散發出來的熱能；另一種是液體層中一部分液體在逐漸冷卻時，其中每秒約有10O立方米的熔融的鐵鎳合金變成晶體，合金從液體變成固體時，重量增加，就下沉而接近內核。在此同時，一部分變得較輕的液體，則上升而接近地幔。液體層中的這種下沉和上升所產生的渦流，足以發生電流，并形成磁場。地球的自轉當然也是產生旋渦的主要原因。人們推測，南北磁極的轉移，似乎與地核液體層中的旋渦有關。

探索尚在繼續

目前人類可以進入太空，但還不能鉆到地球的內部去。人類迄今為止所獲得的地球內部資料，都是依靠間接的方法取得的。所以有不少內部情況，仍然有待于進一步的研究。人類也曾試圖以直接鉆探的方法，來探索地層的奧秘。如前蘇聯在西北邊境鄰近芬蘭的科拉半島上，鉆了一個深達12公里的探井。這是迄今為止人類對地殼的最深的鉆探。盡管如此，這個深度不過等于地球半徑的千分之二。按目前人類的科技水平，企圖依靠鉆探方法揭開地球內部的全部秘密，看來是不可能的。

不過，近年來人類依靠日新月異的科學發展，業已開始把地球長期掩蓋起來的神秘帷幕，一層一層地掀開了。許多間接探索的方法已經取得極為良好的成果，每年都在一步步地揭開蘊藏于地球內部深處的許多奧秘。