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揭开地球内部结构的奥秘

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:人类探索地球内部结构的兴趣是如此强烈,以至于千方百计地通过各种各样的方法,去揭开地球内部结构之谜。但是,地震波不但传来了地震的相关信息,也传来了地球内部结构的秘密。有了地震波这盏明灯之后,科学家们向地球内部结构的更深处进发。目前人们普遍认为,地球内部结构大致可分为三个同心层,即地壳、地幔和地核。

科学技术的发展,为人类研究宇宙插上了飞翔的翅膀。目前,随着射电望远镜的发展,我们可以观察相距地球150亿光年的宇宙空间,也就是说,以光速每秒为30万千米的大小计算,150亿光年大约等于1.42×1026米!但即使可以看得如此远,我们对地球内部的观察却是“望而却步”了。按照目前的水平,我们利用深井挖掘技术,最多也只能挖到地下12千米左右,这个深度相对地球半径(赤道半径)6378千米来说,几乎可以忽略不计。如果将地球比喻成一个大苹果,这个深度就相当于用指甲轻轻地在苹果皮上划下的痕迹。

既然如此,是不是目前对地球内部结构就无能为力了呢?当然不是!就像目前人类显微镜水平还无法观察到原子内部结构,但人类照样能构建原子内部结构模型一样,人类也可以通过各种各样的方法获得有关地球内部结构的数据,通过这些数据来构建地球的内部结构。

人类探索地球内部结构的兴趣是如此强烈,以至于千方百计地通过各种各样的方法,去揭开地球内部结构之谜。综合目前对地球内部结构的研究,主要有两种方法:

方法一,由于地球也是一种天体,科学家们通过对陨星的研究来推演地球内部结构。

方法二,全球每年发生地震次数多达500万次,当然绝大多数的地震对人类不能形成威胁。但是,地震波不但传来了地震的相关信息,也传来了地球内部结构的秘密。

人类对地球的探索由来已久,但得到地球内部结构的研究成果,还是近300多年之内的事。

1743年,法国著名数学家、天文学家克莱罗(Alexis-Claude Clairaut,1713~1765)出版了他的代表作《地球形状理论》一书,首先提出了地球内部结构的“非均质说”。在克莱罗之前,英国著名科学家牛顿认为地球是个“均质球体”,而同时代的荷兰著名物理学家惠更斯却认为地球的质量主要集中在核心,颇有点像卢瑟福的原子核式结构。但克莱罗这位18岁就成为法兰西科学院院士的天才发现,地球的结构是“非均质”的、多层结构的、密度随着地球深度的增加而增加的。后来有了相当多的证据证实了克莱罗的“非均质说”。

1845年,爱尔兰科学家罗伯特·马利特利用人工的地震波来测量地壳中弹性波的传播速度,因为地震波在不同岩石之中的传播速度不同,通过传播速度就可推测地球内部结构特征,这种方法开创了地震勘探法的新篇章。1889年,法国地质学家米歇尔·莱维等人进行了精确的实验,测得地震波在花岗岩中的传播速度是每秒10000英尺(1英尺=0.3048米),在二迭纪的砂岩中传播速度是每秒4000英尺。还是这一年,英国人米尔恩和尤因在德国波茨坦通过现代地震仪记录了发生于日本的一次地震,并形成了人类历史上第一张地震图。1900年,英国人R.D.奥尔德姆认识到地震波的本质是三种不同性质的波(即纵波、横波和瑞利波),这就像俄国物理学家戈里采恩所说的一样,地震波就像明灯一样照亮了地球的内部。

有了地震波这盏明灯之后,科学家们向地球内部结构的更深处进发。1907年,德国人策普里茨根据印度(1905年4月4日)、卡拉布里亚(1905年9月8日)以及美国加利福尼亚州(1905年4月18日)等地的地震资料,推测地球内部是同质的同心圆。

这样,到20世纪初,关于地球的结构从“均质说”发展到“非均质说”,进一步发展到“分层论”,人类对地球内部结构的认识迈出了一大步。1909年10月8日,南斯拉夫的萨格勒布发生强烈的大地震,南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇(Mohorovicic,1857~1936)对地震仪记录的数据进行分析时发现了令他震惊的“异常现象”,他根据这些数据提出存在一个“间断面”,这就是后来被证实的地壳与地幔的分界面,被命名为“莫霍间断面”(简称M界面),从实证的角度认识地球内部结构迈出了一大步。类似的,1914年,德国地球物理学家古登堡(Beno Gutenberg,1889~1960)也在分析地震波数据时发现了“异常现象”,从而发现了地幔与地核的分界面,被学界称作“古登堡-维舍特间断面”(简称WG界面)。这样,两层分界面的发现,使人们建立了地球内部结构的“鸡蛋模型”。

这里值得一提的是,埃米尔·维舍特(Emil Wiechert,1861~1928)是德国物理学家和地球物理学家,是哥廷根学派的思想领袖,也是古登堡的导师。在1897年到1914年之间,维舍特和他的学生策普里茨、本诺·古登堡、盖革、安根海斯特在《哥廷根学报》上发表了一系列关于地球物理学的重要论文,主要对地球内部结构、地震波传播理论以及机械地震仪的理论等进行论述。这些论文影响深远,无形中形成了地球物理学的哥廷根学派。维舍特于1897年提出了地核是铁质的假说,随后又认为地核可能是液态的。而1936年,丹麦地质学家莱曼(Inge Lehmann,1888~1993)通过精确的测量和严密的分析,认为地核内部也有“间断面”,这样地核也就被分为外核和内核(后又加了一层过渡层)。

目前人们普遍认为,地球内部结构大致可分为三个同心层,即地壳、地幔和地核。这样的结构与一个还没有完全煮熟的鸡蛋是非常相似的,地壳就像蛋壳,地幔相当于蛋白,而地核就是蛋黄。这里之所以将地球内部结构类比为“还没完全煮熟的鸡蛋”,是因为地球内部结构并非全部是固体,地球深部的外地核很可能是液体,而且在地壳与上地幔之间存在“软流层”。

1967年,新西兰地震学家布伦(Keith Edward Bullen,1906~1976)根据地震资料提出了地球内部结构的A模型,被广泛认可。

地球内部的分层(根据布伦的A模型)

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