主题:【25个科学问题征文】大地内部如何运作? -- MacArthur
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家园 【25个科学问题征文】大地内部如何运作?

Richard A. Kerr

板块构造论只能解释这么多 - 的确,对于地球上大部分地壳结构它都能给出合理解释。但这就象光看到大笨钟表盘怎么运动的 -- 表面之下还有很多需要了解,诸如它是怎么运行的,为什么... 对于地球而言,板块之下尚有6300公里厚的岩石和铁矿流。它们之间互相搅动,形成了地球热核的运动机理。地壳板块之间碰来撞去,就如同大笨钟表盘上转动的指针:虽能有所指示却无法揭示其内在的驱动机理。

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地球学家们沿用了前板块理论时代学者们的简单模型:地球就象个大洋葱。从地核深处传来的地震波表明,在千疮百孔的地壳之下,是2800公里厚的岩石地幔,再往下就是厚达3700公里的液态铁流 -- 在地核中心反倒是固态铁。地幔还可以细分为地表以下670公里厚的上地幔和下地幔 -- 下地幔最底层几百公里厚处有迹象表明可能又是一层。

经历了板块革命后,“洋葱”模型仍在发展壮大。目前主流观点认为:以地表下670公里处为界,地球内核可被认为是一个三层动力核。距地表670公里往上,地幔就像平底锅里的开水一样在缓慢蠕动,在大洋中脊喷吐出热量和岩石,形成新的地壳;经由深海海沟吞噬那些冰冷的旧岩层来冷却内部。670公里层以内喷吐出的热岩浆可以在地表形成象夏威夷那样的活火山。但是热岩浆不可能从670公里层下喷涌上来 -- 同样,冷却的岩层也不可能沉降到670公里层之下。另外有少数人则认为,地幔就象一口深煮锅里沸腾的水一样不停涌动,熔岩可从地核直涌地表。

四十年来,人们使用越来越高级的震波成像技术对地球内部进行探索,结果非但没有平息争论,反而愈加令地核模型复杂化。成像表明,670公里层并非不可逾越。岩板虽有困难但仍可穿透此层。分层学说的支持者们适时地放弃了670公里层,转而提议将此层划分到1000公里或者更深处。或者,只有一层不太明显的半透地层,只让最强劲的沉降层/岩涌通过?

震波成像同时也描绘出在非洲和太平洋下分别有一大团地幔岩,就象活塞一样(所谓地幔热柱)。学者们尚不清楚它们到底是因为比周围热而靠自身浮力升起来的,还是因为冷而沉降下来的,抑或干脆就是被附近的岩涌流给带上来的。薄薄一层半融岩石点缀在幔岩底部,似乎在标示着岩涌的底部,又似乎什么都不是?(圣母马利亚呀,救救偶吧... 连作者都不知道自己在说什么了,偶就更糊涂了...) 地球化学家们从幔岩的化学成分和同位素分析中发现,有五个长寿熔岩湖至少经历几十亿年而没有被搅和到地幔中去。但他们根本不知道在漫漫的地幔中何处寻找这些熔岩湖。

我们如何才能拆解地球运动这台越来越复杂的机器,来发现其运动机理?继续做更多的研究,和更多的耐性。毕竟,板块理论半个多世纪前才刚成形。那些先行者们则必须钻研海床以下更深的地方。

随着更好的地震探测器在地球表面均匀分布,震波成像技术将继续提高。震波数据已经能够分辨温度和成份之影响,描绘出一幅更加复杂的地幔结构图。矿物物理学家们在实验室里发现地幔深处岩石的更多成份参数,以供诠释震波资料 -- 但仍然受制于对于地幔成份之无知。模型学者们根据地震、矿物研究和细微地理观察资料,将会更精确地描绘出整个地热机制。再过40年或许就有答案了。

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