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地球的核心是什么样?

2015-8-26 9:20:47 来源:中国矿业报 作者:严晨风

英国广播公司(BBC)网站近日发表文章称,根据目前的计算结果,科学家们普遍认为地核的主体成分中大约有80%是铁。

该文章形容道,如今人类已遍布整个地球——我们占据了陆地,我们能够在空中飞行或者潜入最深的洋底,我们甚至还登上了月球。然而,有一个地方我们却从未抵达,那就是地球的核心。我们甚至还远远谈不上哪怕是接近地球核心的程度。

地球的中心点位于我们脚下6000千米深处,甚至是地球核区的外侧边界也在我们脚下3000千米左右的深处。而相比之下,人类迄今钻探的最深纪录是12.3千米,地点是位于俄罗斯的科拉超深钻孔。让我们感到熟悉的关于地球的一切也全部都发生在接近地球表面的区域——从火山口喷发的岩浆的源区大约位于地下数百千米深处,甚至是形成于地下极端高温和高压环境下的钻石,其形成的深度也仅有大约500千米左右。

这样看来,对于超越这一深度下的地球内部情况,我们应该是一无所知的。然而,事实却并非如此。我们对于地球内部情况的了解是相当丰富的。科学家们甚至还大致了解了地球内部在过去数十亿年间的演化过程——所有这一切都是在没有任何实际样品的情况下做到的。这一点可能会让很多人觉得不可思议。下面,就让我们了解一下科学家们是如何做到这一点的。

1. 密度估算

英国剑桥大学的西蒙·雷德费恩(Simon Redfern)指出,开始这一切的一种好方法就是试着想一想地球的质量有多大。我们可以通过地球对其地表物体施加的引力大小来计算出地球的实际质量。计算的结果显示,地球的质量约为5.9×1021吨,也就是说59后面还有20个“0”。如果光从地球表面的物质密度来看,地球质量无论如何不应该会这么大。

雷德费恩表示:“地球表面物质的密度远低于地球物质平均密度,这就告诉我们在地球内部存在着密度更高的物质。简单来说,这也就意味着地球质量的绝大部分必定是存在于靠近地球核心的区域。那么,究竟是什么物质组成了地球的内核呢?

答案应当是显而易见的——地核的主体成分应该是铁。根据目前的计算结果,科学家们一般认为地核的成分中大约有80%是铁,但更加精确的结果则存在一些争议。支持这一结论的一项重要证据是:铁大量存在于我们周围的宇宙中,事实上铁是银河系中丰度排名前十位的元素之一,同时铁也是陨石中非常普遍的成分。

考虑到铁的这种普遍性,我们很容易注意到在地球表面,相对而言铁是比较少见的,低于我们的预期。为此,科学家们提出一个设想——大约在45亿年前地球形成之时,地球上大量的铁都逐渐向下沉降到地核里去。

那里是地球大部分质量所在的地方,那里也必然是大部分的铁所聚集的地方。在正常条件下,铁是一种密度相对较大的元素,而在地核的巨大压力条件下,铁甚至还会在高压下遭受挤压并形成密度更高的形态,因此如果将地核的因素考虑在内,便可以解释地球表面铁元素缺失之谜。

2. 铁的沉降

在正常压力条件下,纯铁的熔点大约是1538摄氏度。

但是,这里还有一个问题——那些铁是如何沉降到地核里的?

毫无疑问,铁元素受到重力影响,从而向地球内部中心沉降。但是,一开始人们难以描述这一过程是如何具体实现的。

地球其它部分的主体成分是被称作“硅酸盐”的岩石物质,而呈现熔融状态的铁必须想办法穿过这些硅酸盐,从而抵达地核。总体来看,这就有点像是放在油腻表面上的水,铁同样形成了较小的“液滴”——它们相互聚集形成局部性的小型富集区,而不是向周围扩散和流动。

2013年,来自美国斯坦福大学的研究人员毛礼文与她的同事找到一个可能的答案。她们想要弄清,当铁与硅酸盐一同暴露于极端压力环境时会发生什么——而这正是地球深部的环境条件。

通过使用金刚石设备挤压的方式产生极端压力条件,她们发现可以让熔融状态的铁穿过硅酸盐的物质。毛礼文表示:“压力实际上改变了铁与硅酸盐之间相互作用的性质。在极端高压下,一种‘熔融网络’形成。”这一发现暗示着,铁元素很有可能是在数以百万年计的漫长时间里缓慢通过这种挤压逐渐穿过地球上厚厚的岩层并最终抵达地核区域的。

3. 地震学研究

可能有人会好奇,科学家们是如何得知地核大小的呢?他们是根据什么判断地核是从我们脚下大约3000千米开始的?对此,答案只需要一个词——地震学。

当地震发生时,地震波会穿过地球内部,地震学家会记录这些波的地球内部传播情况。这有点像是我们使用一个超大的锤子狠狠敲击地球的一端并趴在另一端聆听产生的声音。

雷德费恩表示:“1960年,在智利发生了一次强烈的地震,那次地震中得到了大量数据,分布在全球各地的地震台都接收到了那场地震产生的地震波。”

根据地震波在地球内部的传播路径与其它特征,我们从地球的另一端“倾听”时所能听到的“声音”也将是不同的。在地震学研究的初期,科学家们便意识到地震波中有某些震动似乎缺失了。当地球的一侧发生地震时,科学家们在另一侧未能监测到一种被称为“横波”(即S波信号)的抵达。原因很简单,这种横波只能在固态物质内传播而无法穿过液态物质。

显然,横波在传播的过程中必定在地核区域遭遇到液态区域。通过对S波传播路径的分析,科学家们判定在地下大约3000千米处物质呈现为液态,这就表明整个地核都是处于熔融状态。但是,地震学家们很快又有了另外的发现。

在1930年,一位名叫英奇雷曼(Inge Lehmann)的女性地震学家发现,地震波中的另外一种波,即纵波(P波)意外地穿越地球内核并且可以在地球的另一端监测到其信号。她于是提出了一个让人大吃一惊的崭新理论:地球内核分为两层。从地下大约5000千米开始的内核是固态的,而其外部直到3000千米深度上的外核才是液态的。

到了1970年,随着越来越多地震波数据分析结果出炉,英奇雷曼的理论得到证实。观测结果显示,P波的确穿过了地球内核,并且在某些情况下发生了一定角度的反射。但是不管如何变化,它们的信号都可以在地球的另一端被监测到。

事实上,不仅是地震波穿越地球产生了很多有价值的研究成果,地震学本身甚至在核武器的开发过程中都曾起到过关键作用。

核爆炸同样会在地球内部产生震动波,因此各国可以通过对这种震动波的监测来监视别国的核武器试验情况。在冷战期间,这项工作非常重要,因此像英奇雷曼这样的地震学家们颇有用武之地。

相互敌对的国家互相严密监视来自对方国土上的震动波信号,从而判定对方的核武器能力。与此同时,我们也了解到越来越多关于地核的资料。即便是在今天,地震波仍然是监测核试验的重要手段。

流动的液态铁在地球内部产生了强大的电流,这一电流反过来就会产生磁场,并延伸至地球周围的宇宙空间。

美国境内的圣安德烈斯断层仍然非常活跃,随时可能引发地震。

4. 地球内部结构

现在,我们已经可以大致描绘地球内部的结构图。地球内部拥有一个熔融状态的外核,其大约从地球半径的一半深度上开始,并在大约5000千米深部过渡为一个固态的内核,后者的直径约1220千米。

但是,我们还有太多工作要去做,尤其是针对地球的内核。比如,地球内核的温度有多高?

来自英国伦敦大学的李敦卡·沃卡尔多(Lidunka Voadlo)表示,这个问题的答案显然难以一蹴而就,它长期困扰着科学家,直到最近才有了一定的突破。很明显的事实是,我们不可能将一个温度计放到内核里面去测量那里的温度,因此惟一的方法就是在实验室中进行模拟。

2013年,一个法国科研小组得到了迄今最好的模拟结果。他们将纯铁施加大约相当于地核内部一半以上的压力条件并开展分析。他们得到的结论是,在地核压力条件下,纯铁的熔融温度大约是6230摄氏度,但其它物质的存在会稍稍拉低这一熔融温度,因此这一数值大约为6000摄氏度左右。尽管有所降低,但这仍然已经相当于太阳表面的温度。

由于地球形成初期保留下来大量热量,因此地球内部得以长期保持较高的温度。另外,地球内部物质的摩擦以及放射性元素的衰变过程也会产生热量。但是,尽管能够得到部分补充,地核的温度仍然正以大约每10亿年降低100摄氏度的速度下降。

了解地核的温度情况非常重要,因为温度直接影响振动波在地核内传播的速度。科学家们非常关注这个问题,因为地震波在穿过地核时似乎有一些奇怪的表现。

5.其它成分?

P波在穿过地球内核时速度异常慢,其传播速度低于基于纯铁成分的理论预期。沃卡尔多表示:“在地震波或其它震动波中测量到的波速远低于我们在实验中或者在计算机中模拟时得到的结果。没有人知道这究竟是什么原因导致的。”

或许暗示着这里可能还存在其它的物质成分。那么,这种混入的物质究竟是什么?科学家们怀疑是另外一种金属物质——镍。但是,根据对地震波在铁镍合金中传播情况的模拟,发现实验结果与实际观测数据之间并没有很好的吻合。

沃卡尔多和她的同事目前正在考虑那里是否有可能还存在其它元素成分,比如硫或者硅。截至目前,还没有任何人提出的任何理论能够完全吻合观测数据。这真像是灰姑娘遇到的问题——没有一双鞋子完全合脚。

沃卡尔多想要尝试在计算机上模拟地球内核的物质,她希望能够找出一种物质、温度以及压力的组合,能够完美解释实际地震波观测数据给出的结果。她认为,其中的奥秘可能就在于内核的物质可能处于熔融临界点附近。因此,在这样的特殊条件下,物质的性质可能会与它们在完全固态或完全液态的情况下有所不同。

这种设想的确有望解释地球内核中地震波传播速度的异常缓慢问题。沃卡尔多表示:“如果情况的确如此,那么我们就将可以把组成物质的物理学结果与地震波实测结果联系起来。在此之前,人们还没能做到这一点。”

关于地核,仍然有大量的问题尚未解决。但是,我们目前又根本没有办法能够钻探到足够的深度。即使这样,科学家们仍然成功地掌握了地球内部包括核心区域的具体情况。

了解地球深部发生的这些过程将会以一种很多人没有意识到的方式,深刻影响到我们的日常生活:地球拥有一个强大的磁场,其产生的原因正是因为地球拥有液态的外核。流动的液态铁在地球内部产生了强大的电流,这一电流反过来就会产生磁场,并延伸至地球周围的宇宙空间。

地球磁场对于我们以及其它生命的生存至关重要,因为它会阻止有害的太阳辐射抵达地球。如果地球没有熔融的外核,那么地球磁场就将不复存在,而我们的生存就将面临严重危机。

科学家们从未看到过地核,然而借助地震波这一有力工具,我们对那里了解甚多。□

地震波可以大致分为体波和面波。其中,体波进一步分为纵波(图中红色区)和横波(图中黄色区),图中淡紫色区域表示面波。

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