那么，我們現(xiàn)在先來探索一下地球的內(nèi)部。這句話說起來容易，但真想做，卻難道了一大批人，到目前為止甚至都不能認(rèn)為已經(jīng)解決了。

在我們形容一個(gè)人進(jìn)退兩難的境地的時(shí)候，我們一般會(huì)說“上天無路，入地?zé)o門”，這源于宋代的這么一個(gè)典故：“進(jìn)前即觸途成滯，退后即噎氣填胸，直得上天無路，入地?zé)o門。”

不過，人們認(rèn)為上有天堂，有美好的東西，下有地獄，是邪惡之處，中間是人間，這本身也是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)。所以在形容某人不知好歹，敬酒不吃吃罰酒，自尋死路時(shí)，會(huì)說一句“上天有路你不走，入地?zé)o門偏進(jìn)來”。

現(xiàn)在，我們?cè)从谡J(rèn)識(shí)論，其起點(diǎn)是眼見為實(shí)，所有的經(jīng)驗(yàn)積累和科學(xué)研究設(shè)計(jì)都必須符合這一邏輯。如今的人類，載人宇宙飛船已經(jīng)可以遨游太空，深海探測器已經(jīng)可以下潛到萬米深的馬里亞納海溝；人類已經(jīng)可以預(yù)報(bào)天氣，但卻無力預(yù)報(bào)地震。因?yàn)槲覀兲ь^可看見天上幾十米，甚至上百米空間，可低頭哪怕是望穿土層幾厘米，甚至幾毫米也不可能。真可謂是“上天有路，下海有法，入地?zé)o門”呀。

即使我們到了世界上最深的地方，也不可能看到地球的內(nèi)部是什么，這張照片是美國深海探測器在世界上最深的地方，馬里亞納海溝進(jìn)行探測。

那么，地球內(nèi)部究竟是什么樣子呢？是否像傳說中那樣有十八層呢？目前人類研究地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的主要手段是什么？這都是值得我們深思的問題。

曾經(jīng)有人想象出地球內(nèi)部是空心的，或稱為“地球空心論”，出現(xiàn)至今已有三、四百年了。盡管現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)證明地球是一個(gè)圓形的實(shí)體，但空心地球理論也并非是違反科學(xué)、荒誕不經(jīng)的妄言臆斷，其實(shí)它恰恰源于十分嚴(yán)肅的科學(xué)研究。第一個(gè)提出“空心地球”設(shè)想的正是大名鼎鼎的、發(fā)現(xiàn)了哈雷彗星的英國天文學(xué)家哈雷。哈雷認(rèn)為空心的地球里面還有三個(gè)層層相套的球體，就像俄羅斯套娃一樣，該理論的確是基于實(shí)際的觀察研究，是為了解釋地球多個(gè)磁場的位置和強(qiáng)度不斷變化的問題，這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致“磁偏角”理論的確立和陀螺儀的發(fā)明，至今仍然對(duì)航海、航空、航天發(fā)揮著重要影響。

1838年，美國的一支探險(xiǎn)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了南極洲，開始被認(rèn)為是進(jìn)入地心的入口。幾百年來，以“空心地球”、“地心人類”為背景的各類作品層出不窮、綿綿不斷，成為最熱門的題材之一。迄今為止，“地球空心論的信仰者”們雖然未找到“空心地球”的直接證據(jù)，卻先于科學(xué)家們表達(dá)了部分真理。他們真正關(guān)心的問題是：地球內(nèi)部究竟長什么樣?

比如，相關(guān)的作品，遠(yuǎn)的有十九世紀(jì)法國科幻作家儒勒·凡爾納大作《地心游記》。

近的，有最近幾年熱播的電影《地心歷險(xiǎn)記》，都已經(jīng)拍了三集了。大家是否看過呢？這幾部電影，總體還屬于硬科幻的，至少是我喜歡的類型。有關(guān)電影的詳情呢，我不想在這里介紹，有興趣的可以找來看看。

現(xiàn)在我們知道，46億年前，太陽星云分化形成原始地球，那個(gè)時(shí)候溫度較低，輕重元素渾然一體，尚無圈層分異。原始地球一旦形成，就有利于吸集更多星子，使其體積和重量迅速增加，同時(shí)因重力分異、放射性元素蛻變以及星體撞擊等因素，導(dǎo)致原始地球迅速增溫。當(dāng)原始地球內(nèi)部溫度達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，親鐵元素比重大就下沉形成了鐵鎳地核，親石元素上浮組成地幔和地殼。更輕的液態(tài)和氣態(tài)成分，通過火山噴發(fā)溢出地表形成原始大氣圈、水圈。這個(gè)時(shí)間約在42億年前。

地球最初分異出來的是地核和地幔，并沒有地殼，地殼是后來從地幔里面長出來的。地殼和地幔的成分有很大的差異，主要就是地幔巖石的SiO2的含量比地殼要低。地球形成早期是非常熱的，在高溫的驅(qū)動(dòng)下，物質(zhì)開始分異，重的下沉，輕的上升。最后一次大撞擊更是在地表形成了一個(gè)非常深的巖漿海，更是加劇了分異。這時(shí)候的地表可能非?？植溃阂环矫媸潜韺永洌瑤r漿會(huì)有一部分凝固，另一方面，內(nèi)部熱，巖漿又會(huì)源源不斷的涌出。大家看到的這兩幅圖，左邊是早期地球的想象圖，右邊是位于埃塞俄比亞一個(gè)火山頂部的巖漿湖。這個(gè)巖漿湖自1906年以來就存在，是目前世界上存在時(shí)間最長的巖漿湖，地球的早期可能就像這個(gè)巖漿湖。

這么熱的地球，水肯定是無法存在的，那么地表的海洋又是從哪里來的呢？

在地球形成的早期，從宇宙中帶來的原始?xì)怏w——氫與氦就已散失了。后來地球上的大氣圈，是從地幔物質(zhì)中分離出來而逐漸形成的，起先的大氣成分主要是水蒸氣，還有一些二氧化碳、甲烷、氨、硫化氫和氯化氫等，沒有現(xiàn)在那么多的氮?dú)夂脱鯕狻Ｖ钡骄?/span>今38億年前，地球上的大氣仍是缺氧和呈酸性的。隨著地球上的溫度逐漸降低（<100攝氏度），大氣中的水蒸氣陸續(xù)凝結(jié)出來，才形成了廣闊的海洋。不過那個(gè)時(shí)候的海水仍然缺少氧，還含有許多酸性物質(zhì)。這樣的說法，是認(rèn)為地球剛一形成時(shí)便已存在足夠的水。

但是，有科學(xué)家提出質(zhì)疑，地球誕生初期溫度很高，能蒸發(fā)掉任何液態(tài)水。那么最大的可能是地表溫度降下來之后，彗星帶來的水或者冰變成了世界上第一批海洋。也就是說，海洋源于彗星撞擊。丹麥科學(xué)家后來證明了這種可能性：大約38.5億年前，撞擊地球的“肇事者”是冰質(zhì)彗星而非巖質(zhì)小行星，這個(gè)研究成果發(fā)表于2015年的《國際太陽系研究》這個(gè)雜志中。

目前，人們普遍認(rèn)同的地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)是這樣的一個(gè)模型，包括地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)和地球外部圈層結(jié)構(gòu)兩部分。其中內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)從里向外分別是地核、地幔和地殼；外部圈層結(jié)構(gòu)從地表向上分別是水圈、生物圈和大氣圈。當(dāng)然，這些圈層之間有很多是相互滲透的。

在地球的內(nèi)部圈層中，我們往往還將地核分成內(nèi)陸核和外地核，因?yàn)楹髞淼难芯堪l(fā)現(xiàn)，二者的物質(zhì)形態(tài)不一樣，由于引力的影響，地球內(nèi)核的壓力最大，溫度也最高，高到可以與太陽表面相媲美，比重高的鐵和鎳元素都沉到了這里，在強(qiáng)大的壓力下，這些元素的原子擠在了極小的空間里，形成了特殊的高溫固體。外地核呢，溫度也非常高，但因?yàn)闆]有了強(qiáng)大的壓力，所以呈液態(tài)。繼續(xù)往上，溫度降低，地幔的重元素沒有那么多了，因?yàn)闇囟纫埠芨?，所以呈熔?/span>態(tài)或者固態(tài)。再到地殼，溫度就比較低了，生物圈在這一層就開始出現(xiàn)了。

咦，這個(gè)結(jié)構(gòu)怎么這么像雞蛋呢？蛋殼、蛋白、蛋黃。那么我們不如來順便做一個(gè)比較。我們可以看到，地球如果是雞蛋，一定是一個(gè)軟殼蛋，因?yàn)樗暮穸戎挥袑?duì)應(yīng)雞蛋殼的一半大??；蛋黃也要相應(yīng)地要小一些。即便如此，人類目前向地心探索的進(jìn)程還不及蛋殼的1/10呢。

能否通過深鉆的方式來了解地球內(nèi)部呢？在在1960年到1962年間的太空競賽期間，考慮到經(jīng)濟(jì)利益與國家自信心的結(jié)合，促使前蘇聯(lián)科學(xué)家計(jì)劃鉆出一個(gè)“俄羅斯超深鉆探”。這一工程耗時(shí)將近二十年，他們挖出的洞穴，垂直深度達(dá)到一萬三千米，是世界上最深的已知洞窟。因?yàn)樯婕案叨溶娛聶C(jī)密，所以“地球望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃始終都在絕對(duì)封閉的狀態(tài)下進(jìn)行，外界很少有人知道其中的內(nèi)幕。人類設(shè)計(jì)出了天文望遠(yuǎn)鏡，可以用肉眼來窺探宇宙星空的秘密，但是人的眼睛卻不能穿透地面，所以才將穿透地層的深淵，稱為“地球望遠(yuǎn)鏡”，可以借助它來直接觀測地底物質(zhì)。

也許大家還記得，在高中物理課上，我們做過一個(gè)穿越地心的題目：穿過地心，需要多久？具體來說，就是如果能挖一個(gè)穿越地心的洞，將地球兩端連起來，一個(gè)人從洞的一頭掉落到另一頭出現(xiàn)所需的時(shí)間是多少？不過，做這個(gè)題目的時(shí)候，一般給出了一些先決條件：必須先建造出能承受高熱和高壓的隧道，人的身體也要能承受這種環(huán)境并能應(yīng)對(duì)2萬9千公里的最高速度。為了計(jì)算方便，一般還要忽略風(fēng)阻，這樣地心兩邊的用時(shí)是一樣的。最后，大家可能都獲得了計(jì)算結(jié)果：42分12秒。不過，來自加拿大蒙特利爾麥吉爾大學(xué)的一位物理學(xué)畢業(yè)生AlexanderKlotz在這個(gè)問題較真，他認(rèn)為，地球中的物質(zhì)并不是勻質(zhì)的，這對(duì)重力和加速度影響很大。他的計(jì)算結(jié)果是，如果將地球地層的不同密度考慮在內(nèi)，穿越地心之旅應(yīng)比預(yù)計(jì)快4分鐘。他將這個(gè)結(jié)果發(fā)表在《美國天體物理學(xué)雜志》上?？磥?，高中物理題目如果認(rèn)真研究，也是可以發(fā)表在高端科技雜志上的。

不僅可以做題目，還可以寫科幻小說。劉慈欣的《地球大炮》就是以穿越地心為主題的科幻小說。該小說描述了一個(gè)稱為“南極庭院工程”的設(shè)想，就是修一條從北京到南極穿過地心的隧道，于是花費(fèi)的時(shí)間就比從北京去天津還快一些。不過，該工程帶來了許多災(zāi)難，我們舉一個(gè)例子吧，小說中稱 螺栓失落災(zāi)難，就是列車上的一個(gè)螺栓不小心失落了，然后它就來回在隧道中穿梭，特別是在地心，碰到什么就砸爛什么，穿越隧道的交通服務(wù)不得不停止，人們將這些災(zāi)難歸罪于工程的設(shè)計(jì)者。后來，劇情出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。半個(gè)世紀(jì)以后，隧道被后人改造成用于普通人進(jìn)行宇宙航行的發(fā)射基地。科幻作家凡爾納曾經(jīng)提到過一個(gè)登月大炮的設(shè)想，按照他的構(gòu)想，加速度非常大，人是會(huì)被壓成肉漿的。而實(shí)際上現(xiàn)在宇宙飛船是利用火箭逐步加速到第二或者第三宇宙速度的，即便如此，由于火箭加速的時(shí)間還是非常有限，因此短期內(nèi)加速度也比較大，只有受到專門訓(xùn)練的宇航員才行。我們?cè)囅胍幌?，如果有足夠長的炮管，炮彈以溫柔的加速度慢慢加速，這樣人人不需要宇航員的身體就能遨游太空了。

正如那個(gè)較真穿越地心題目的學(xué)生所在乎的，地球中的物質(zhì)并不是均質(zhì)的，組成的物態(tài)也不是一致的，那么我們的根據(jù)是什么呢？那就是最基本的物理現(xiàn)象，波在介質(zhì)中傳播的速度與介質(zhì)有關(guān)。具體來說，這里就是測定地震波速，地震波在巖石中傳播的速度，通常與巖石類型、圍限壓力、巖石結(jié)構(gòu)以及其他地質(zhì)因素有關(guān)。地震波主要有兩種傳播形式：縱波和橫波。它們有一些非常重要的特性，比如，縱波(P)能通過三態(tài)物質(zhì)，橫波(S)只能通過固態(tài)。所以，地震波通過不同密度介質(zhì)時(shí)波速不同，在越過不同介質(zhì)時(shí)還會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，波速變化意味著介質(zhì)密度和彈性性質(zhì)發(fā)生變化。比如，這張圖就是地球內(nèi)部不同圈層的地震波速變化情況。

關(guān)于內(nèi)部圈層的物理特性及變化，我們這里還列了一張表，大家可以暫停慢慢體會(huì)和比較一下各圈層的變化情況。注意在地幔與上、下層分別出現(xiàn)了兩個(gè)不連續(xù)面，莫霍不連續(xù)面和古登堡不連續(xù)面。不連續(xù)面的存在，標(biāo)志著地球內(nèi)部物質(zhì)在此層上下面有明顯區(qū)別，因此成為地球內(nèi)部圈層構(gòu)造的界面。同樣，在地核，也就是因?yàn)橛^察到利曼不連續(xù)面，才確定地核有兩個(gè)非常不同的內(nèi)核和外核。但總體上，我們應(yīng)該記住的是地球內(nèi)部的物態(tài)是固-液交替變化；密度、壓力和溫度隨深度增加；而重力是隨深度變化的，注意，我們這里沒有說重力是隨深度增加，為什么？

巖石圈，是指地球上部堅(jiān)硬的巖石圈層，厚約60~120公里，為地震高波速帶。包括地殼的全部和上部地幔的頂部（圖上標(biāo)注的地函，是地幔的另一種說法），巖石圈由花崗質(zhì)巖、玄武質(zhì)巖和超基性巖組成。超基性巖是一個(gè)地質(zhì)學(xué)名稱，指二氧化硅含量小于45%，鐵、鎂的含量高，并且不含石英。由于巖石圈包括了地殼和上部地幔，實(shí)際上與我們經(jīng)常所說的板塊概念是一樣的。軟流圈。是指巖石圈以下的上部地幔圈層，在地下60～250公里的地方。地震波的波速在這里明顯下降，所以又稱低速帶。溫度約1300℃左右，壓力3萬個(gè)大氣壓，接近巖石的熔點(diǎn)，以半粘性狀態(tài)緩慢流動(dòng)。在我們后面將要談到的板塊構(gòu)造理論中的地幔對(duì)流運(yùn)動(dòng)，就是在軟流圈中進(jìn)行的。巖石圈板塊也就漂浮在軟流圈之上，并發(fā)生板塊運(yùn)動(dòng)。

所謂板塊運(yùn)動(dòng)，就是說由巖石組成的地球表層并不是整體一塊，而是由板塊拼合而成。全球大致分為六大板塊，各大板塊處于不斷運(yùn)動(dòng)之中。由于它的運(yùn)動(dòng)，帶來了大陸漂移和海底擴(kuò)張。大陸漂移學(xué)說認(rèn)為，所有大陸在中生代以前曾是統(tǒng)一的巨大陸塊，稱為泛大陸或聯(lián)合古陸，中生代以后開始分裂并漂移，逐漸達(dá)到現(xiàn)在的位置。海底擴(kuò)張學(xué)說認(rèn)為，洋中脊熱的地幔物質(zhì)不斷上涌，冷卻后形成新洋底向兩側(cè)推移，擴(kuò)張速度每年為數(shù)厘米，2億年整個(gè)洋底將徹底更新一遍。這個(gè)是一簡單數(shù)學(xué)問題，2億年擴(kuò)張了近10億厘米，換算一下，就是1千萬米，那就是一萬公里左右。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，火星上沒有類似地球的板塊運(yùn)動(dòng)，是相對(duì)“平靜”的。美國科學(xué)家借助火星探測飛船拍攝的圖像進(jìn)行了分析，否定了這個(gè)認(rèn)識(shí)。“好奇”號(hào)火星車的調(diào)查發(fā)現(xiàn)火星與地球表面存在相似之處，正處于板塊構(gòu)造的最初階段，可以借此了解地球早期的模樣，以及地球板塊構(gòu)造的形成。最近研究又發(fā)現(xiàn)，地球和火星板塊構(gòu)造過程并不相同，它們之間存在重大差異。地球板塊構(gòu)造是在全球范圍內(nèi)進(jìn)行的，而火星的板塊僅僅表現(xiàn)出原始的局部性運(yùn)動(dòng)。

這一部分的內(nèi)容到此結(jié)束，待會(huì)兒見。