 为了搞清楚地壳之下是什么，1952年，美国多样性协会向美国科学基金会申请一笔资金，科学家们设想，要想钻通地壳，最好的办法莫过于从大洋底下打孔，因为那里的地壳相对最薄，如果能一直钻过莫霍不连续面，就能取一块地幔中的物质出来，拿回去慢慢研究。他们的想法是如果能清楚地球内部岩石的性质，那么就能进一步搞清它们之间的相互作用，从而预报地震以及其它的地质灾害。当然，这是科学方面的原因，政治方面的原因是美苏在冷战时期的科技竞赛。美国和苏联这两个当时的超级大国，为了向国人展示自己的科技能力比对方强，那是上天入地无所不用其极。计划在 1958 年被科学基金会采纳，钱的问题解决了。 这个计划在当时很出名，可谓家喻户晓，计划的名称很自然地被称为“莫霍洞”（MoHole）（莫霍的英文是Moho）。名字很棒，但命运很惨。计划设计的是在墨西哥近海的 4000 米深的太平洋底开钻，往下钻 5000 米，就可以穿透相对较薄的地壳层。钻头是从一艘浮在海面上的船上深入水底的，用一位海洋学家的话来形容这次钻探，“就像站在帝国大厦的楼顶，用一根意大利面条在纽约的大街上钻洞”。1961 年 3 月到 4 月间，美国人开着钻井船来到墨西哥瓜德罗普岛附近的海面上，开始了向地心的疯狂钻探。在 20 天的时间里，他们在深深的海底打出了一个 183 米的洞，然后就遇到各种各样的技术难题，再也打不下去了。5000 米的目标实现了不到 4%，再也没有前进一米过。“莫霍洞”计划变成了“没有洞计划”（NoHole）。虽然洞没有打出来，但是钱却还越花越多，到了 1966 年，美国国会终于火了，枪毙了这个计划。 4 年之后，大概是受到美国人登月成功的刺激吧。苏联人想既然上天我们输了一着，那么我们就来比入地吧。苏联的科学家吸取了美国人的教训，没有选择听上去很美好，但是工程技术难度超高的海上钻井，他们决定在陆地上打洞。他们在科拉半岛离芬兰边境不远的地方选了一个点，开始了艰苦的工作，他们希望能往下钻 15000 米。1970 年 4 月 22 日，在纪念列宁同志诞辰 100 周年的日子，科拉超深井的钻头隆隆作响，朝着地心钻了进去。但是，这项工作比预计的要困难的多得多，钻头不是被卡住就是在提升的过程中掉落，这样的事故一而再地发生。但苏联人真的非常执着。他们努力了 19 年，最终才因为没钱而放弃了。最终，钻探的深度是惊人的 12262 米。但我不得不提醒你，这个深度仅仅是地壳厚度的三分之一，而地壳只不过是占了整个地球的 0.3%。还是那句话，连苹果皮都没有戳破，所以，我们怎敢说自己对地球内部有所了解呢？ 尽管我们打的这个洞不算深，但由此所发现的一切都让研究人员倍感意外。早先根据地震波的研究，科学家们都相信，地壳先是 4700 米厚的沉积岩，再下去是 2300 米厚的花岗岩，再下面就是玄武岩。结果，沉积岩的厚度比预期的多了 50%，而玄武岩则根本就没遇到。另外，地底的世界要比任何人预期的热得多，在 1 万米的深度就达到了 180℃，是预计的 2 倍。最令人吃惊的是深处的岩层居然浸在水里，这本被认为是不可能的。 因为我们无法直接看到地球的内部，所以只能通过一些其他技术来间接了解。其中最主要的技术便是分析地震波在穿越地层时的形态，从而推测下面都有些什么。我们还可以通过一种被称为“金伯利岩筒”的地质事件来了解地幔，得名于首次被发现的地点，南非的金佰利，这种事件也造就了钻石。具体说来，就是在地层的深处会发生一种爆炸，然后一发“岩浆炮弹”以超声速冲向地表。这是一种完全随机的地质事件。就在此时此刻，或许一个金伯利岩筒就在地球的某个地方炸开了。因为这一事件源自超过 200 公里深的地层深处，因此它会带来各种各样的地表附近很罕见的一些物质，比如橄榄岩和橄榄石晶体。此外，很偶然地，大约 100 个岩筒中会有一个岩筒带出钻石。这是因为在金伯利岩筒的喷出物中含有大量的碳，但绝大部分碳都被汽化或是转换成了石墨，只是在极偶然的情况下，恰好有一团喷出物冷却的速度恰到好处，就会形成钻石。正是这个原因，使得南非成为世界上钻石产量最高的国家，但或许还有更多的地方，只是我们不知道而已。地质学家已经在印第安纳州东部附近发现了一些迹象，表明该地区可能存在数量不小的岩筒群，并且已经在该地区的不同地点发现了 20 克拉甚至更大的钻石。但是具体来源尚不清楚。麦克菲（John McPhee）认为，源头可能深埋在冰川沉积土下面，就像艾奥瓦州的曼森大坑，也有可能源头在五大湖底。 我们对地球内部的了解真的不多。科学家们能达成共识的仅仅是地下世界有四层：首先是一层岩石地壳，然后再是一层炽热又粘稠的地幔，再接着便是一层液态的外核和一层固态的内核。至于每一层的深度和厚度分别是多少，我们只能知道个很粗略的范围，并没有多大的把握。 地表的主要成分是硅酸盐。这种物质比较轻，不足以构成地球的平均密度。所以地球内部必然存在大量更重的物质。我们还知道为了产生地磁场，在地球内部必然还存在一层液态金属带。以上这些观点算是学界普遍接受的。但除此之外的几乎所有东西，比如层与层之间的相互作用，各地质现象的成因，以及如何预测地质事件等等，都是众说纷纭。总的来说，未知的东西太多太多了。 其实，即便是关于我们眼皮底下的地壳，也依然有许多激烈的争论。几乎所有的地质学资料都告诉你地壳的厚度在海底大约是 5-10 公里，大陆的平原地带则是大约 40 公里，而山脉地带则厚达 65-95 公里。但这些普遍规律中也存在令人困惑的变数。比如，内华达山脉地区的地壳厚度只有 30-40 公里，没人知道为什么。 地壳是何时生成的？又是怎样生成的？这两个问题把地质学家们分成了两个对立的阵营。一派认为地壳是在地球形成的初期突发式地形成的；而另一派则认为地壳是在更晚些时渐渐地形成的。两派的对立情绪还相当的强烈。耶鲁大学的阿姆斯特朗（Richard Armstrong）在上世纪 60 年代提出了一个早期爆发理论，此后一生都在与他的反对者们斗争。他 1991 年死于癌症。1998 年《地球》杂志的一篇报道中还讲到了他在去世前不久在澳大利亚的一份科学杂志上狠狠地抨击了他的反对者们，他指责那些人抱着一个神话冥顽不化。阿姆斯特朗的一个同事说他是“含恨而终”。 地质学家们把地壳以及地幔上部合起来称之为“岩层”，与岩层相接的下一层称为 “软流层”，岩层好像是“漂浮”在软流层之上的。但其实这样的术语表达得并不完全正确。听上去像是在说软流层具有一定的浮力，但这种理解却是错误的。同样地，你如果把软流层的岩石流动理解为普通的液体流动，那也是错误的。实际上，那里的岩石并不是软乎乎的，如果你取一块出来，它们可能与硬硬的沥青很像。网上有一个“沥青滴漏”实验的视频，用来证明看上去是固体的沥青实际上是液体，大家可以搜索来看看，我第一次看到也觉得挺不可思议。这就是软流层岩石的那种“流动”方式，它们的流动速度大约只有手表上时针走动速度的万分之一。 地球上的板块在水平移动的同时，还伴随上下运动，也就是岩石会升降，这种搅拌式的过程被称为“对流”。它是由那位古怪的伦福德伯爵在 18 世纪末首次推断出来的。60 年之后，一位叫费希尔（Osmond Fisher）的英国牧师很有先见性地提出地球内部很可能是液态的，物质可以在里面流动，但这种观点要等上很久很久才开始获得支持。 地质学家们大约是在 1970 年前后开始发现地底的这种混乱，于是产生了一些可以理解的惊慌。沃格尔（Shawna Vogel）在《赤裸地球：新地质学》（Naked Earth: TheNeo Geophysics）一书中写道：“这就好像说科学家们用了几十年的时间发现大气分为对流层、平流层等等，但竟然是在突然之间发现了'风’这种东西。” 地球内部的这种对流运动到底能到达多深的程度，长期以来一直是个争论不休的课题。一些人认为它始于地底 650 公里的深度，而另一些人则认为这个深度起码超过 3000 公里。这个问题产生的根源，正如特雷菲尔所观察到的，是由于“两种不同的学科各自有一套数据，无法调和。”地球化学家认为地表上的某些元素不可能来自于上层地幔，只能来自于地球的极深处。所以说，上下层的地幔物质至少曾经偶然融合过。但地震学家却坚持说证据不足。 现在我们基本能确定的是，在向地球中心前进的过程中，我们会在某个不太确定的点离开软流层而进入纯地幔。地幔占整个地球体积的 85%，质量的 65%，但却似乎不怎么吸引人们的注意力。很大程度上是因为对于科学家和普通民众来说，地心和地壳显然更有意思一些，因为地心产生了地磁场，而地壳则产生了地震。我们现在已知大约在 150 公里之前，地幔的主要成分是橄榄石，但这之后一直到 2650 公里深的地方却不太清楚。根据《自然》杂志上的一篇文章说的，再深下去似乎就不是橄榄石了。除此之外，我们啥也不知道了。这也是为什么《地心游记》这部凡尔纳的科幻小说能写的那么引人入胜的道理。 在地幔之下是二层地核，固态的内核和液态的外核。我们对它们的了解当然是通过间接的方式。但科学家们还是能够做出一些合理的假设。比如，地球中心的压力非常之大，约为地表的 300 万倍。这种压力足以把任何一种岩石都压成固态的。再比如，根据地质史的线索，可以得知地球内核非常擅于保存热量。尽管有一些猜测的成分，但据认为在过去的 40 亿年中，内核的温度仅仅下降了 110℃。我们无法准确地知道地核的温度，估计是在 4000 多度到 7000 多度之间，相当于太阳表面的温度。 而关于外核，人们普遍同意它是必须是液态的，而且成份应该是金属铁和镍。因为只有这样的构造，才能产生地磁场。那是在 1949 年，由剑桥大学的布拉德（E. C. Bullard）首次提出的理论，认为地核的液态部分在以某种形式转动，就像是一台电动机，从而产生了磁场。学过中学物理就知道，当电流环形流动的时候，就能产生磁场。在这种假设中，地球内部对流的液体扮演了导线中电流的角色。至于具体的工作机制我们并不清楚，但却可以肯定这与地核的转动以及地核的液体形态有关系。那些没有液态核的天体，例如月球和火星，就没有磁场。除了这些最最基本的概念外，我们对地核一无所知。 科学家们发现地磁场的强度会不断地发生变化，恐龙时代的地磁强度大约是现在的 3.1 倍。科学家们还发现，地磁场的极性会定期发生逆转，平均来说这个间隔周期是 50 万年左右，但这个平均值存在极大的不确定性。有时几百万年也不逆转，最长的一次是 3700 万年，而有时仅仅 20 万年就逆转一次。最近的一次逆转发生在 78 万年以前。在过去的 1 亿年中，大约总共发生了 200 次，什么原因尚搞不清楚。这被称为“地质科学中最大的未解之谜”。而且，磁极的位置也不是固定的，每年会都会移动数公里。磁北极目前约以平均每年 40 公里的速度向地理北极接近。两个磁极的移动彼此之间是独立的，而两个磁极也不会正好在地球球体的两端，也就是说，磁轴不会通过地球正中心。目前磁南极到地理南极的距离比磁北极到地理北极的距离远。 我们现在很可能正处在一次地磁逆转的过程中。在过去的一个世纪中，地球的磁场强度有可能减弱了 6%。这对我们来说，可不是一个好消息。地磁场除了让指南针指向正确的方向，它对人类的生存也起着至关重要的作用。因为太空中充满了危险的宇宙射线，如果缺少了地球磁场的保护，宇宙射线会洞穿我们的身体，将我们的 DNA 轰成毫无意义的碎片。在地磁场的保护下，宇宙射线被阻挡在了地表之外，并在近地空间中形成了 2 个特殊的区域，叫做“范艾伦辐射带”。来自宇宙的粒子与它们相互作用，就在地球的外层大气中形成了绚烂的美丽光幕，这就是著名的“极光”。 总的来说，我们对地球内部知之甚少。很大一部分原因在于我们一直以来没有下功夫去把地球内部和外部所发生的事情结合起来考虑。按照沃格尔的说法，“地质学家和地球物理学家很少会在一起开会，并就同一个课题一起合作。” 每当有大的地质运动发生的时候，就体现出我们对地球内部运动的无知，因为我们总是会犯下严重的错误。对此最好的一个例子是 1980 年华盛顿州的圣海伦斯火山喷发。 当时，美国本土的 48 个州有超过 65 年没有发生过一起火山喷发事件。因此，所有被政府征召过来观测预报圣海伦斯火山的专家们都只见过夏威夷的火山活动。结果证明，这两种火山根本就不是一回事儿。 圣海伦斯火山是从 3 月 20 日开始发出不详的隆隆声。在一周之内，它就开始喷出岩浆，尽管量不大，但每天多达 100 多次，还伴随着持续的地震活动。人们都撤离到了 13 公里之外被认为是安全的区域。随着火山活动的增强，圣海伦斯开始吸引全世界大胆的游客的目光。报纸每天报道着最佳的观景位置。不断地有电视记者乘着直升机飞抵山顶，甚至还有人在爬山。有一天，绕着山顶盘旋的直升机和小型飞行器竟然超过 70 架。但是时间一天天过去，火山的隆隆声并没有持续发展出更多戏剧性的变化。人们变得越来越不耐烦了，普遍认为这座火山不会再有大的喷发了。 到了 4 月 19 日，山的北侧明显地鼓了出来。此时居然没有一个处在领导位置的人意识到这是火山爆发的一个强烈信号。专家们依据他们对夏威夷的火山活动的经验，认为火山不可能从侧面喷发出来。只有一个人相信马上就要有大事发生了，他就是塔克马社区大学的地质学教授海德（Jack Hyde）。他指出圣海伦斯火山不像那些夏威夷的火山一样都有一个火山口，因此积聚在它内部的压力很可能会以一种戏剧性的方式释放出来，很有可能也是灾难性的。但是，海德并不是官方的专家团成员，他的声音并没有引起多少注意。 后来发生的事情我们都知道了。5 月 18 日上午 8 点 32 分，那是一个周日的早晨。火山北侧突然塌方了，数不清的泥土和石块像大雪崩一样，以 250 公里的时速滑下来。这是人类有史以来最大的山体滑坡，滑落的泥石足以把整个曼哈顿埋在 120 米之下。仅仅 1 分钟之后，圣海伦斯火山在已变得单薄的北侧爆发了，以相当于 500 颗广岛原子弹的能量，喷射出巨量炽热而危险的灰云，时速达到惊人的 1050 公里每小时。显然，在这样的速度之下，附近的人不可能反应的过来，有很多自以为是在绝对安全地带的人，他们远得甚至望都望不到火山，但也遭了殃。57 人遇难，其中有 23 人尸骨无存。要不是那天刚好是周日，伤亡人数远不止这么一点儿。在任何一个工作日，都会有许多伐木工人在死亡区域工作。事实上，连远在 30 公里之外都有人丧命。 不过那天也有幸运儿，有一位叫格利肯（Harry Glicken）的研究生。他是一位距火山 9 公里远处的一个观察所的工作人员。但是 5 月 18 日那天，他刚好要去加州参加一次大学编班面试，于是在火山爆发前一天，他离开了那里。约翰斯顿（David Johnston）接替了格利肯的位置，他成了第一个报告火山喷发的人，但几分钟后就不幸丧命，尸骨无存。吊诡的是，格利肯的幸运也是暂时的。11 年后，他奔赴日本的云仙岳火山。历史再次重演，那又是一次未能预期到的灾难，包括格利肯在内的 43 名科学家和游客死于非命。他们被喷涌而出的致命的炽热火山灰、洆汽、融岩（这些混合物有个学名叫“火成碎屑流”）击中，瞬间人就没了。 |
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