我们的脚下是坚实的土地,那土地之下又是什么呢?

大科技2018-12-05 19:22:27

脚底藏着巨量钻石


你的脚下,是坚实的土地,而在这土地之下,又是什么呢?最近,科学家发现,就在你脚下的土地里,可能藏着千万亿吨的钻石。

如此巨量的钻石可能令许多人垂涎不已,仅将一小部分挖出来,已是一笔可观的财富。然而,抱有这样想法的人大概要失望了,因为这些钻石埋藏在地底大约160千米深的克拉通根处。

克拉通是地质学名词,指的是大陆地壳上古老而稳定的部分,缺乏明显的火山活动和没有发生过碰撞的地块,在近5亿年内的大陆运动过程中没有发生显著变化,有的克拉通形成于20亿年前甚至更早。我国华北地区、东北地区以及大部分朝鲜半岛、蒙古南部共同组成了面积达170万平方千米的华北克拉通。在克拉通底部,有锥形部分深深嵌入地球深处直至地幔处,最深可达200千米,嵌入地幔的这部分被称为“克拉通根”,巨量的钻石便是藏在这里。

千万亿吨的钻石藏在160千米深的地底是什么样的概念?大概意味着目前人类穷尽一切办法也无法窥见一丝一毫这些钻石的影子。那么你也许会问,人类钻地最深的记录是多少?

目前,世界上钻深最深的记录保持者是苏联。1970年,苏联在科拉半岛开始钻探,最深的钻孔形成于1989年,深度约12.3千米。截止目前,以垂直深度计算,这个深度仍是到达地球最深处的人造钻井,然而,与160千米相比,却连其零头都没达到。可以想象,想要开发出深埋地底的巨量钻石堪称天方夜谭。

读到这里,你可能会疑惑,既然人类无法深入160千米深的地底,科学家是怎么知道哪里藏有钻石的呢?答案是地震波,科学家能够利用地震波判断出地底到底藏着些什么。那么,科学家是如何借助地震波勘探地球内部的?


密探——地震波


现在,我们知道地球分为地壳、地幔和地核三个部分。地表以下为地壳,平均厚度17千米;地壳之下为地幔,分为上地幔、过渡带和下地幔,厚度约为2900千米;再往下便是地核了,半径约为3470千米,内核为固态的铁镍核心,半径为1200千米,温度达到5400℃,几乎与太阳表面温度相当,其余部分为外核,虽然大部分同样由铁镍组成,却是熔融的状态。

无法钻到地底深处的我们是如何知道这些信息的?这是因为我们有“密探”——地震波,科学家探测到钻石的存在便是这位“密探”呈上的密报。

利用地震波,首先得明确地震波的特性。地震波分为两类,一种为面波,另一种为体波。面波在地表横行,是摧毁建筑物的罪魁祸首;体波在地球内部传播,又分为两种:压缩波(P波)和剪切波(S波)。P波与S波似一对孪生兄弟,虽在震源处相伴而生,性格却是大相径庭。P波是个急性子,传播速度快,通常最先到达震源的地面,即震中,使地面上下波动;P波还是个大嗓门,信号强度远大于背景噪声,很容易被检测到。相比之下,S波则是个慢性子,姗姗而至,速度几乎只有P波的一半,使建筑物左右摇晃;S波“性格内向”,信号微弱,常常被P波信号覆盖,难以检测。地震发生时,人们首先感觉到地面或者建筑上下跳动,这是P波到来的标志,接着是一阵阵大幅度的左右摇摆,S波也抵达了。

第一个分辨出P波和S波并确定它们以上特点的是英国地质学家理查德·奥尔德姆,将两种波区分开后,他又发现这两种地震波在地球内部的折射现象。

在日常生活中,我们很容易注意到,光在不同的介质中传播会发生折射现象,体波也一样,体波的入射角与折射角的关系同样受到介质的折射率影响,对于在地球内部穿梭的体波来说,岩石的种类是影响波速的重要因素。P波在固态和液态中都能够传播,介质变换时会发生折射现象;S波只能在固体中传播,进入液体时会被完全反射,无法穿过。地震波的这一特点给了奥尔德姆新的启发,他想,用地震波也许可以勘探地球内部结构,从此,地震波有了一个新的身份——密探,用地震波研究地球内部构造的帷幕拉开了。


漫长探秘之旅


1906年,奥尔德姆发现了一件奇怪的事情。如果以震中为0°,震中在地球的另一面对应点为180°,那么在103°到142°的区域内,P波突然消失了,142°以后又重新出现,而S波在103°到180°的区域都毫无踪影。换个更通俗点的说法,如果我们把地球任何一个横截面比做一个表盘,如果在12点的位置发生了地震,那么在表盘的3点半到快5的地方,和对应的7点过到8点半这块区域,是测不到P波的。而3点半到8点半这几乎近一半的区域测不到S波。这个测不到体波的区域被称为“影子区”。根据体波的折射原理,奥尔德姆猜测,地球内部有一个液体核心,所以P波到达液态地核时发生了折射,无法到达“影子区”。同样,由于液态地核阻挡了S波。所以“影子区”也无法测到S波。于是,一个有着熔融地核的的观点形成并沿用了几十年。

到了1929年6月17日,当地时间10:17,新西兰南岛发生了里氏7.3级大地震。这次地震的数据被全球的地震仪忠实地记录了下来,包括远在欧洲的法兰克福、哥本哈根等地的地震仪。本次地震的数据引起了丹麦地震学家莱曼的注意,在仔细研究了地震数据之后,她发现有两束微弱的P波信号出现在影子区。

莱曼对此百思不得其解,直到1936年,她综合了更精密的地震仪所记录的全球地震数据,对在地核中传播的地震波速度进行了更精确的测量,才终于勘破了7年前发现的奇怪现象。她认为,现在影子区测到P波,说明地核内层不完全是液态,有可能液态核心内层中心是固态的,因而折射率发生变化,所以即使是在影子区,有时候也会有微弱的P波信号。也就是说,地核是双层结构。后来这个观点被广泛接受,一直沿用至今。


内核是什么?


在接受了双层地核模型后,科学家又产生了新的疑问:固态的内核到底是什么?上面说过,地球内核是铁镍核心。科学家是怎么知道的呢?答案是,他们并不知道,这是猜的。不过,不是盲目猜测,而是有理有据的。

这一猜测首先基于人类对宇宙的认识,铁元素大量存在于宇宙中,是银河系中最常见的十大元素之一,普遍存在于陨石中,并且,陨铁中常常带有镍,地球身处银河系,应该不会例外。

其次,科学家需要证明铁在地心处能够以固体的形式存在。地心深处的有着5400℃的超高温,而一般铁的沸点2750℃,5400℃的超高温早就气化了。但地心深处的压强大约是标准大气压的300万倍,在这样的极端条件下,铁的性质会是怎样的?其实问题很简单,科学家们只需要测定铁在这样的高压之下的熔点。2000年,科学家根据分子动力学计算出该熔点理论上为6226.85℃,2013年,有科学家用金刚石压砧实验得到该熔点为5726.85℃,证明了铁能够在地心处保持固态。不过,实验中运用的都是纯铁,而地核的铁并不是纯铁,实际的熔点会有所降低。至此,虽然对地球内部结构的探索还在继续,但目前公认的地球内部结构图已然形成。

我们脚踩着的大地,仍然被层层谜团包裹,等待着我们一层层揭开。我们虽然不能深入160千米深的地底挖掘千万亿吨的钻石,但知道它就在那里;我们虽然不能像科幻小说的主人公,来一场地心之旅,亲眼看到地心图景,但可以不断探索,一步一步绘制出我们所了解的地球结构。


拓展阅读:

地球是空心的?

17世纪以后,一种假说——地球空心说异军突起。地球空心说认为地球是中空的,在地球内部还存在着一个适合人类居住的内表面。

在法国小说家儒勒·凡尔纳的科幻小说《地心历险记》中,主人公通过冰岛火山进入地球内部,沿着熔岩通道前进,一个神秘的世界在他们眼前徐徐展开,在那里,有海洋、猿人,甚至还有恐龙。这部充满神奇色彩的著作广受欢迎,一时令许多人相信地球是空心的,装载着另一个未知的世界。

不过,地球空心说可不仅仅存在于科幻小说中,有些科学家也纷纷为其摇旗呐喊,其中最著名的要属那位为哈雷彗星冠名的英国天文学家、地理学家爱德蒙·哈雷。哈雷提出,地球其实有三个同心的壳,壳与壳之间由大气层分隔开,内部的大气会发光,从两极漏出,便形成了极光。三个壳各有各的磁极,以不同的速度旋转,最里层的壳是实心的,也就是地核。另一位持类似观点著名人物是瑞士数学家莱昂哈德·欧拉,他的观点与哈雷略有不同,他认为地球内部没有多层壳,而是在中心处有一个直径约966千米的小太阳,照亮地球内部的神秘世界。

地球空心说风靡一时,不过很快受到了沉重一击,给出这沉重一击的是英国物理学家亨利·卡文迪什。1797年,卡文迪什根据扭秤实验首次成功测量出了万有引力常数和地球质量,后来,借由他的实验结果,其他人求得了地球密度。地球的密度为5.51克/立方厘米,一个空心的球体不应该有这么大的密度,地球内部应该大部分都是实心的固体,除非地心处存在着不为人知的极大质量物质。

之后,地球空心说被判定为伪科学,人们也渐渐开始广泛接受地球是实心的,且内部大部分是固体的说法。