實(shí)心還是空心：認(rèn)識(shí)地球的深部結(jié)構(gòu)

2024年2月上映的科幻影片《金剛大戰(zhàn)哥斯拉2》，再次引發(fā)了人們對(duì)于怪獸大片的觀影熱潮。同時(shí)，該片也使得人們對(duì)“主角”金剛的出生地——地球內(nèi)部產(chǎn)生了無(wú)限遐想。那么，地球內(nèi)部到底是什么樣子的呢？

空心地球

在科學(xué)界，對(duì)于地球內(nèi)部是否存在一個(gè)真實(shí)而未知的空間爭(zhēng)論已久。17世紀(jì)末，英國(guó)天文學(xué)家艾德蒙·哈雷根據(jù)地球磁場(chǎng)強(qiáng)度和位置的變化，認(rèn)為地球是一個(gè)有著三層殼的球體，確切地說(shuō)，是由多個(gè)空心球體套疊組成的，這些球體靠離心力和重力懸空，不會(huì)相撞。正因?yàn)檫@些懸空的內(nèi)部球殼，才引發(fā)了地球磁場(chǎng)的變化。哈雷認(rèn)為，在這些內(nèi)部球殼上同樣存在生命，整個(gè)地球結(jié)構(gòu)就像多層建筑一樣，不同“樓層”有不一樣的生命。在每一個(gè)球體的空隙處都是同人類一樣的生存環(huán)境，植被茂盛，氣候宜人。在地球表面有一些連通著“地心世界”的神秘通道，只要找到這些通道，就能進(jìn)入“地心世界”。此外，哈雷還認(rèn)為，地球內(nèi)部是會(huì)發(fā)光的，相當(dāng)于地面上的陽(yáng)光。哈雷提出這些觀點(diǎn)距今已有三四百年了，雖說(shuō)是基于科學(xué)觀測(cè)，但更多的成分是“假想”。不過(guò)，在現(xiàn)代物理學(xué)建立之前，地球“空心論”的確收獲了大批忠實(shí)粉絲。

在哈雷之后，瑞士數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家萊昂哈德·歐拉認(rèn)為，地球內(nèi)部不是多個(gè)空心體，而是一個(gè)中空結(jié)構(gòu)，其中心有一個(gè)直徑600英里的小太陽(yáng)，為地心內(nèi)的生物照明和供暖。19世紀(jì)，美國(guó)人西蒙提出，地球的中空在1300千米以下，并且在兩極有開口，內(nèi)部沒(méi)有小太陽(yáng)。1906年，威廉·里德寫了一本名為《極地幻影》的書，明確提出了“空心地球”的觀點(diǎn)，但認(rèn)為不存在內(nèi)殼和地心小太陽(yáng)。

如今，我們?cè)诘乩碚n上獲取的知識(shí)是：地球是由地核、地幔和地殼三個(gè)同心球?qū)咏M成的。既然目前的技術(shù)尚不能讓我們深入地心，科學(xué)家又是通過(guò)什么來(lái)研究地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的呢？這就需要地震波的幫助。

地球圈層

地震波是地震發(fā)生時(shí)激發(fā)的一種向四周傳播的彈性波。地震是由于巖層斷裂、錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)釋放的能量，以波的形式向外傳遞。地震波在地球介質(zhì)中傳播，按傳播方式分為縱波、橫波和面波三種類型。縱波是推進(jìn)波，在地殼中的傳播速度為5.5～7千米/秒，最先到達(dá)震中，又被稱為“P波”。它使地面發(fā)生上下振動(dòng)，破壞性較弱。橫波是剪切波，在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，到達(dá)震中的傳播速度僅次于縱波，名為“S波”。它使地面發(fā)生前后、左右抖動(dòng)，破壞性較強(qiáng)。面波又稱“L波”，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長(zhǎng)大、振幅強(qiáng)，只能沿地面?zhèn)鞑ィ菍?duì)建筑物造成巨大破壞的主要因素。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過(guò)觀測(cè)地震波在地球內(nèi)部的傳導(dǎo)情況，可以推斷地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因?yàn)榈卣鸩ㄔ诘厍騼?nèi)部的傳播速度會(huì)隨著介質(zhì)性質(zhì)的變化而改變。例如，縱波在固體、液體和氣體中都可以傳播，速度也較快；橫波只能在固體中傳播，速度比較慢。由于地球內(nèi)部物質(zhì)不均一，地震波在不同彈性、不同密度的介質(zhì)中，傳播速度和通過(guò)的狀況也就不一樣，因此，地震波在地球內(nèi)部傳播時(shí)的行為提供了關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息。

地震波在地球深處傳播時(shí)，如果傳播速度突然發(fā)生變化，那么這突然變化所在的面，就被稱為“不連續(xù)面”。根據(jù)不連續(xù)面的存在，人們間接地知道地球內(nèi)部具有圈層結(jié)構(gòu)。比如，我們所熟知的地球三圈層結(jié)構(gòu)——地殼、地幔和地核，就是通過(guò)這種特征推斷的。那么，從這些圈層結(jié)構(gòu)來(lái)看，有沒(méi)有可能存在內(nèi)部空洞呢？

地殼是指固體地球表層莫霍洛維奇地震不連續(xù)面（簡(jiǎn)稱“莫霍界面”）以上的一圈巖石，平均厚度17千米。

地殼的結(jié)構(gòu)基本上有陸殼和洋殼兩種類型。陸殼具有雙層結(jié)構(gòu)，上部為硅鋁層，下部為硅鎂層。陸殼厚度各處不一，平均厚度為35千米。其中，高大山系地區(qū)的地殼較厚，如阿爾卑斯山的地殼厚達(dá)65千米，亞洲青藏高原某些地方超過(guò)70千米。洋殼主要為硅鎂層，平均厚度為6千米。一般認(rèn)為，地殼上層由較輕的硅鋁物質(zhì)組成，因而被稱為“硅鋁層”，下層由較重的硅鎂物質(zhì)組成。而大洋底部一般缺少硅鋁層。

在地表，有70%的面積覆蓋著沉積巖，但如果按地球表面到16千米深的整個(gè)巖石圈算，沉積巖只占5%。沉積巖主要包括石灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖等。沉積巖中所含有的礦產(chǎn)，占全部世界礦產(chǎn)蘊(yùn)藏量的80%。

石灰?guī)r是地表分布最廣泛的巖石，因其各部分含石灰質(zhì)多少的不同導(dǎo)致被侵蝕的程度不同，逐漸形成互不相依、千姿百態(tài)的山峰和景觀奇異的溶洞，最終形成了我們今天所見的溶洞和喀斯特地貌。這個(gè)過(guò)程需要很長(zhǎng)時(shí)間，通常在地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)完成。從熱帶到寒帶、由大陸到海島，都有喀斯特地貌發(fā)育。較著名的區(qū)域有我國(guó)廣西、云南和貴州等省（自治區(qū)），越南北部，南斯拉夫狄那里克阿爾卑斯山區(qū)、意大利和奧地利交界的阿爾卑斯山區(qū)，法國(guó)中央高原，俄羅斯烏拉爾山，澳大利亞南部，美國(guó)肯塔基和印第安納州，古巴及牙買加等地。其中，我國(guó)喀斯特地貌分布較廣、面積較大。

地幔介于地殼與地核之間，由地殼底部一直延伸到地核的外圍，也就是莫霍面與古登堡面之間的部分，又被稱為“中間層”。根據(jù)地震波速度變化的情況，地幔被分為上下兩層，上部為“上地幔”，下部為“下地幔”。其體積占地球總體積的五分之四，質(zhì)量占地球質(zhì)量的三分之二。

從地殼最下層到100～120千米深處，被稱為“上地幔”，這里除硅鋁物質(zhì)外，鐵鎂成分增加，類似橄欖巖，又稱“橄欖巖帶”。地震資料表明，在上地幔上部，地震波傳播速度減弱，形成低速帶，自地殼巖石圈之下直到150千米深處的地幔物質(zhì)呈塑性，可以形成對(duì)流，稱為“軟流圈”，這里是巖漿的發(fā)源地。下地幔位于上地幔之下，下地幔的物質(zhì)大多是鉻的氧化物和鐵鎳的硫化物，雖是固態(tài)，但具有較大的可塑性。這使得下地幔能夠在地球內(nèi)部進(jìn)行緩慢的物質(zhì)循環(huán)和板塊運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)換帶是上地幔和下地幔之間的分界線，位于地幔的深部。轉(zhuǎn)換帶是地球內(nèi)部的一個(gè)重要界面，它對(duì)地球內(nèi)部的熱量和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)起著重要的調(diào)節(jié)作用。這樣，地幔又可分為上地幔、轉(zhuǎn)換帶和下地幔三層。

科學(xué)家借助地震波探測(cè)等技術(shù)手段對(duì)地球地幔進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些異常區(qū)域。在這些區(qū)域地震波的傳播速度變得異常，據(jù)此科學(xué)家推測(cè)地幔中可能存在空洞或空腔。這一現(xiàn)象在科學(xué)界引起了廣泛的關(guān)注。

大西洋中的地殼空洞 2007年，科學(xué)家在大西洋中脊的一個(gè)海底洞穴中發(fā)現(xiàn)地殼神秘“消失”了，地幔直接暴露出來(lái)，形成一道巨大“裂縫”，真是令人匪夷所思！因?yàn)榘凑瞻鍓K構(gòu)造學(xué)說(shuō)，板塊移動(dòng)后，地幔應(yīng)該上升以填補(bǔ)裂縫并形成新地殼。對(duì)于這個(gè)“空洞”的成因，科學(xué)家們提出了兩種猜想：一種是地幔上升時(shí)，帶來(lái)的不是熔融的巖漿，而是固態(tài)的塊體，所以不能對(duì)裂縫進(jìn)行填補(bǔ)；另一種是地殼斷裂，導(dǎo)致地幔上方形fhAUIfh04aDcGrzyjdJY4g==成一個(gè)空洞。

印度洋的地幔異常 印度洋部分區(qū)域的大地水準(zhǔn)面，相對(duì)于周圍地區(qū)明顯下陷超過(guò)100米，這表明印度洋深層地幔存在大范圍的物質(zhì)缺失地帶。這種異常可能是由于印度次大陸以下的地幔比預(yù)期的熱得多，也可能是古老的海洋板塊幾百萬(wàn)年前下沉到印度板塊之下的結(jié)果。

地幔空洞現(xiàn)象是地球科學(xué)研究中的一個(gè)重要課題。雖然目前對(duì)于這些現(xiàn)象的具體成因和范圍還存在爭(zhēng)議，但科學(xué)家們通過(guò)不同的研究手段正在逐步揭示其奧秘。

地核是指從古登堡面以下到地心的地球核心部分，其體積為固體地球總體積的16%。地核的高溫可以達(dá)到7000℃，甚至要比太陽(yáng)表面的溫度高。地震波顯示，地核內(nèi)還存在兩處不連續(xù)界面，因而可進(jìn)一步劃分為外核、過(guò)渡層和內(nèi)核三部分。從外核不能傳播橫波且縱波波速降低明顯的特征，可以推斷出外核呈液態(tài)；由內(nèi)核可傳播橫波的現(xiàn)象，可以推斷出內(nèi)核具有固態(tài)特征。因?yàn)榈匦囊υ诘睾藘?nèi)制造的壓力是地球表面壓力的300萬(wàn)倍，所以地核為實(shí)心結(jié)構(gòu)。地核內(nèi)的鐵流使物質(zhì)產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)，有效地保護(hù)大氣圈免遭太陽(yáng)風(fēng)的侵蝕，進(jìn)而保護(hù)了我們。

由此可見，“地球空心說(shuō)”中所指的地下空洞是真實(shí)存在的。目前已經(jīng)探明的地下空間包括一些天然的山洞、未知的地道和大量的溶洞等。另外，火山口內(nèi)也被證實(shí)擁有巨大的空間，比如冰島的斯瑞努卡基古火山。再如溶洞，截至2023年9月，我國(guó)貴州省綏陽(yáng)縣的雙河洞已探明連通長(zhǎng)度達(dá)到了409.9千米，縱深達(dá)912米，成為世界第三長(zhǎng)洞。

老子有言：“有無(wú)相生。”“地球空心說(shuō)”與“地球?qū)嵭恼f(shuō)”看似水火不容，實(shí)則你中有我、我中有你，兩者對(duì)立統(tǒng)一。它們都是在一定科學(xué)事實(shí)上的推斷。看似實(shí)心的地球，其內(nèi)部構(gòu)造是分層的，每一個(gè)圈層的性質(zhì)也是不同的，甚至存在許多空洞；說(shuō)地球是空心的，它也不是空無(wú)一物。這種辯證思維，對(duì)于地質(zhì)學(xué)家乃至科學(xué)家揭示地球內(nèi)部的秘密具有十分重要的啟示作用。如今，勘探技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)正如火如荼地發(fā)展著，它們與地球科學(xué)研究融合在一起。相信在不久的將來(lái)，我們會(huì)把地球內(nèi)部看得更深、更清晰，從而更好地認(rèn)識(shí)地球，長(zhǎng)久地與地球相伴。

致謝：感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177123、42042054）、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全國(guó)煤炭行業(yè)高等教育教學(xué)改革研究課題項(xiàng)目（2021MXJG179）的支持。