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抱歉啦，都这么久啦，才来更新。目测呢，这应该是这个系列的最后一篇了，就要告一段落了，如果有可能的话，会再更一个中国的系列。 言归正传。在前面的篇幅中，说的都是地球历史上的东西，而且多在地表，只有在第九篇中说板块运动的驱动力的时候，才提到了地幔的一些事情。在今天这篇中，我们就深入地下，看看地球的深部是什么。 在大多数介绍地球结构的文章中，总是笼统地把地球分成壳、幔、核三部分，对于地球更精细的结构介绍很少。在固体地球的最浅表，我们可以通过钻探稍窥地下的神秘世界，在更深处，科学家利用地震波和高温高压实验对地球内部的结构和成份做出了非常好的探索结果，我想把这些介绍给大家。 科学钻探 像有人在仰望星空一样，也有很多人一直在关注着脚下的大地，但我们对脚下大地的认识可能远远落后于对遥远的织女星的认识。当天文学家欢呼“旅行者1号”飞出太阳系的时候，地质学家们还在念叨着12公里。 提到这个12公里，可能很多人都已经猜到，我要说的就是前苏联在科拉半岛打下的一个深达12264米的超级钻孔。 早在1962年，前苏联就开始筹划打一个超深钻探，看看脚下的大地到底是什么样子，最终在1965年确定钻探地址在苏联西北部的科拉半岛上。自1970年开始，到1994年终止，这个孔前后共钻了24年。科拉深钻原计划钻到15000米的深度，但由于在12264米的位置，温度已经高达180℃（原估计是100℃左右），使得钻头变得非常软弱，加之经费紧缺，不得不终止[1]。与科拉半岛深钻比肩的另一个科学钻探是德国大陆深钻，开始于1987年，结束于1994年，钻探深度达9101米。 科拉深钻的位置 科拉半岛是一个古老的地盾，这里的地壳厚度大约是35公里。根据科拉钻探，在地表至地下7公里之间，是元古代的地层，在7公里之下，就变成了太古代地层，年龄在25亿年之上。在钻探开始之前的地震勘探研究中，科学家发现在地下7公里的地方，有一个地震波速的不连续面，称为康拉德面，被认为是上地壳和下地壳的分界面。原来科学家认为这个地震波不连续面是由于介质的改变造成的，即在7公里之上，地壳的主要成份为花岗质，而在7公里之下，则变成了玄武质。但是，钻探的结果却发现这里的岩性并没有发生变化，界面的上下都是花岗岩，波速的改变可能是岩石压力和温度逐步变大，导致岩石发生变质反应和岩石介质各向异性（岩石的不同方向上地震波速的速度不一致）造成的。科拉钻探的另一个发现是，在地下深处居然还有液态水的存在，而且其同位素组成明显不同于地表水，由于隔水层的存在，也不大可能和地表水发生交换。所以这些水只可能是原地产生的，也许是来自于岩石受到挤压变质的时候，内部晶体是释放。 从地壳到地幔 地球的壳幔核结构大家都很熟悉，地球也因此被比喻成一个鸡蛋，蛋壳、蛋清和蛋黄分别相当于地球的壳幔核。这样给人的感觉就是地壳就是地球坚硬的外衣，裹着里面柔软的“蛋清和蛋黄”。实际情况要比这个复杂。 岩石的坚硬程度表示岩石在受到外力时，变形的难易程度，如果容易变形则强度低，如果不易变形，则强度高。岩石的强度受到多方面的影响，比如温度、压力、水含量等等，一般，温度越高、压力越小、水含量越高，岩石的强度越低。 预备篇一曾经提到，地壳分为两种，大陆地壳和大洋地壳，大陆地壳要比大洋地壳复杂得多。大洋地壳的成分比较单一，由玄武岩组成，从浅表往下，虽然温度升高，但压力也在升高，其强度也在升高。大陆地壳在组成上比较复杂，在上半部分主要是花岗质成分，而在下地壳，就变成了玄武质，而且温度也较高。一个传统的模型认为大陆地壳和上地幔组成了一块“三明治”，即上地壳强度高，下地壳强度下降，而在地壳之下的上地幔的强度再次变大。这个模型是对地震的观察和实验得到的结果。 现在我们所观测到的地震，除了俯冲带之外，一般发生在地下30公里的范围内，再往下就非常少了，而几乎全部的大地震都发生在20公里之上，比如汶川地震的震源深度就为19千米，已经比较深了，而今年的尼泊尔地震的震源深度仅为10千米。而在地壳之下的地 幔最上部，有些地区也会有少量的地震。只有在强度大的地层中才能积累足够的应力，然后导致地层破裂产生地震。如果地层较软，就会在应力的作用下发生塑性变形，不能积累足够的应力产生地震。根据这个推论和实验室试验结果，地质学家就推测，大陆上地壳和地幔最上部强度较大，二者中间的下地壳是软弱的。 大洋（左）和大陆（右）的强度模型，横轴是差应力（代表强度），左竖轴是深度，右竖轴是温度，红色线条为莫霍面，即地壳和地幔的分界面[2]。 当然，近些年来一些观点认为大陆地壳和上地幔的强度模型不完全是这样的，要更复杂，而且受到很多因素的影响，尤其是水含量。这里的水不单指我们平常说的水，还包括岩石中含有的H、NH、和CH等离子或离子集团。水的存在（即湿）会大大降低岩石的强度。所以，到底下地壳和地幔最上部有没有水，含多少水，水对岩石的强度到底有哪些影响是最近地质学领域的一个研究热点，尚没有取得一致的认识。 不同干湿条件下上地壳（粉）、下地壳（蓝）和上地幔最上部（绿）的强度对比。[3] 地幔 地幔是地球的第二个圈层，厚度很大，从莫霍面一直到2900千米。在莫霍面上下，就是物质组成发生了变化，在莫霍面之上是由基性的岩石组成的，而在莫霍面之下，就变成了超基性的，这里就有一个波速的突增。 由于深度太大，很难直接观察，除了少量由岩浆带上来的地幔岩块（地质上称为包体）外，我们还没有直接的观察结果，所以地球物理方法是最重要的研究手段，尤其是地震学方法。 近些年来由于观察手段的提高和地震台网布设越来越密集，科学家们描绘出了越来越精细的地幔结构。通过捕捉地震波，我们可以知道地下的速度结构，速度变化的地方就是地球结构或组成变化的地方。 根据地震速度剖面，我们把地幔分为上地幔和下地幔，上下地幔之间还有一个转换带。 上地幔位于莫霍面和转换带之间，深度一般在30~410公里之间，其主要组成矿物是橄榄石，还有部分辉石等。由于压力和密度的增加，上地幔的地震波波速整体上是在自浅到深逐步变大的，但在大约100~250公里之间，有一个波速异常低（尤其是S波）的区域，被称为低速带。这可能是该深度的温度和压力条件导致这里的岩石出现了少量的融化（可能只有1%），显著降低了波速[4]。要注意的是，低速带在全球范围并不是连续的，有些地方并没有出现。 在410~660千米之间，是转换带。转换带是地幔中一个特殊的结构，在它上下以及内部，都发生了矿物结构的变化，导致地震波速的变化。如上所说，上地幔的主要组成是橄榄石，在深410千米的地方，橄榄石的结构发生了变化（成分没变），变成了瓦兹利石，地震波在这种矿物中传布的速度更快。在转换带内部，大约深520千米的地方，瓦兹利石再次发生结构的变化，变成林伍德石，这使得地震波速再次增大。再往下，在660千米处，林伍德石发生分解，变成了钙钛矿相矿物（即矿物结构和钙钛矿相同但成分不一样），地震波速再次增大，这样就进入了下地幔。 下地幔相对较均匀，没有出现十分明显的全球范围内的波速突变，压力和温度、密度逐步增加，地震波速也逐步增加。但在下地幔底部的300千米内，又出现了一个波速异常区，称为D’’层，这个在第九篇中有较为详细的介绍，此处不再赘述。 地球的波速和密度结构（左图），数轴是深度，横轴是速度和密度；右图是对应的地球结构图，crust-地壳，upper mantle-上地幔，transion zone-转换带，lower mantle-下地幔，outer core-外核，inner core-内核。Vp-P波速度，Vs-S结构，ρ-密度。图片来自royalsocietypublishing.org 地核 在2900千米之下，就是地核的范围了。核幔边界被称为古登堡面，是以它的发现人古登堡命名的。 地核的发现可谓地震探测地球内部结构的经典案例。在20世纪刚开始，精密的地震仪才发明不久，地震学家发现，在103°至143°之间，检测不到直达P波，而且在103°~180°之间，直达的S波也消失不见。在1914年，古登堡给出一个解释，认为在2900千米处，地球变成了液体，称为地核。到了1936年，丹麦女地震学家发现在143°~180°之间，仍有直达P波从存在，但已经发生了很大的变化，她就把5150千米之下的部分分离出来，认为这里地球再次变成了固体，称为内核。
地核的发现[4] 根据前人的研究，我们现在知道在2900千米处，P波波速下降，S波消失的原因就是地球的外核是液态，S波不能传播，而P波的波速也会大大下降，但在这里密度却大大增加。到了5150千米处，再次变成固态，有一部分的P波转换成了S波。 现在的理论认为，地球主要由铁组成，还有5~10%的镍，此外，还应该有一些轻元素，比如氧、硫等。 参考 [1] https://en./wiki/Kola_Superdeep_Borehole [2] Karato, Shun-ichiro. Deformation of earth materials: an introduction to the rheology of solid earth. Cambridge University Press, 2008. [3] Jackson, J. "Strength of the continental lithosphere: time to abandon the jelly sandwich?." GSA today 12.9 (2002): 4-9. |
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