地核的物化性质

第一节　地核的物化性质

现在人们已经很清楚地球是由地壳、地幔、地核三部分组成的，但是以目前的科学技术水平，人类对地球内部的勘探深度最大也不过12km，而地球的半径足足有6370km之深。因此，我们所触摸到的地球，实际上就像吃苹果时用刀子划开的果皮——仅仅限于薄薄的表面一层。一直以来，人们无法直接认识地球内部的结构，地球内部乃至中心究竟是什么东西？千百年来始终是一个未解之谜。但是人类对地球并不是一无所知的，智慧的人类根据地球的运动变化，不断向地球深处去探索。

图2．1　P波阴影区（来自USGS）

早在1910年，科学家们就发现如果地震波路径可以密集地覆盖地球内部的话，那么就有一个特别的空白区是完全没有地震波可以穿越的，这个区域是角距离约为103°到143°处（角距离：以弧度表示的从震中到测站在地球的大圆上走的距离），并命名为“阴影区”。阴影区的存在是由于地核的存在，使得在地球内部传播的地震波发生折射和反射，地面一部分地区记录不到直接到达的地震纵波和横波。古登堡指出P波和S波必须穿越2900km的深度，才可能抵达离震源103°弧距的地表。S波在此处消失，表示此深度以下由液态物质所组成，后来这个界面被称为古登堡界面，为地幔和地核的不连续面。通过古登堡界面的P波速度急剧下降，这有力地证明了低速地核的存在。

后来，随着监测地震的仪器灵敏度的不断提高，科学家发现在阴影区内，也就是距离震中角距103°～143°，也有些微弱的P波出现，1936年，莱曼发现通过核幔边界进入地核的P波在103°附近，振幅减弱，速度降低。而在143°以后，P波的振幅又重新增大，速度从8．2km/s左右逐渐增加到10．4km/s左右，而此时也能检测到S波。因此她发表了一篇文章，指出：假设地核还可以再分成两个部分——属于液态的外部地核和固态的内部地核，固态内地核的存在，则可以解释部分P波会在内地核中及内地核和外地核的边界上进行折射，而在阴影区内出现微弱的信号。这个观点随后得到了古登堡和杰弗利斯的证实。

图2．2　地震波在地球内部的传播路径

近些年来，人们根据爆炸的资料重新求得精确的PcP和ScS走时，同时参考地球自由振荡的数据，精确的地震波走时算得最佳的地核半径为3485km，又进而把地核分为E、F、G三层，这如图2．3所示。内外核的分界面在5155km左右。

因为横波不能通过外核，所以一般推测外核主要是由铁、镍、还有一定量的轻元素（如氧、硅、碳等）物质构成的熔融态或近于液态的物质组成。液态的外核会缓慢地流动，所以有学者推测地球磁场的形成可能与此有关。由于横波在内核中出现，所以内核可能是固态的。但是关于内核的物质构成，学术界有不少争议，一般认为是由铁、镍组成，但究竟为何物，还有待进一步的研究，最新的研究显示，地核的内部可能富含金、铂和其他亲铁元素，地球内核很有可能是一个“金核”，但是这一猜想目前还没有得到证实。然而，地球的内外核之间并不是截然分开的，在内、外核之间有一个过渡层，深度在地下4980～5120km之间。

图2．3　地核内部的分层

地核的总质量为1．88e24千克，占整个地球质量的31．5%，体积占整个地球体积的16．2%，体积比太阳系中的火星还要大。密度从地幔的5．55g/cm³突然跳到9．9g/cm³。外核的厚度为1742km，平均密度约为10．5g/cm³，物质呈液态。过渡层的厚度只有515km，物质处于由液态向固态过渡的状态。内核厚度为1215km，平均密度增至12．9g/cm³。在外地核，压力范围是136～329GPa，到内核部分就增加到了329～365GPa。地核内部不仅压力大，而且温度也高，可达4000～7000℃。根据地球化学和地球物理测量与实际资料推断，用同位素年代学方法测得的地核年龄大约为47亿年，与地球的年龄相当。

据报道，2007年4月，美国科学家罗伯特-范德休斯和他的团队公开表示他们已经测出地核-地幔边界的温度大约为3700℃，内核与外核交界处的温度为6300℃，并且估计地核内部温度可能高达6600℃，几乎与太阳表面一样热。

我们知道，地核是由铁、镍组成，在这么高的温度下，铁理应处于熔融状态了，为何还会有固态的内核呢？原因是，越向地核深入，压力会不断增加，铁的熔点也会不断增高，铁的熔点要比温度上升得快一些，因此，在地球的内核处，铁核变成了固态的内核。压力使得铁的熔点变得非常高，以至于在这么高的温度下也不能融化内核。虽然科学家们很难在实验室里模拟，但是科学家们深信不疑的一点是：地球内部是一个温度极高且极不平静的世界。地球比较稳定的旋转系统是由于质量很大的太阳，以其巨大的引力维系着行星和卫星内部的各种物质始终处于永不停息的运动之中。

知识链接

5．地心之谜

“科幻小说之父”法国作家儒勒・凡尔纳于1864年写了《地心游记》，讲述了李登布洛克教授在一次偶然的机会进行了一次地心旅行。他从汉堡出发，按照前人的指引，由冰岛的一个火山口下降，途中历尽艰险和种种奇观，从鱼龙的嘴里死里逃生，遭遇水源的危机……最终排除万难，在地心环游了地球一周，在一次危险的火山喷发中他被炙热的岩浆喷到了地中海的斯德隆布利岛……

尽管这个故事不太可信，但它表明了人类对地球内部的探索从来没有停止过。从柏拉图时代起，人们就开始猜测地心处也许可能存在生命。柏拉图设想：地球内部布满了隧道和空洞。而美国地球学家多利鲁则认为：地球的中心绝非泥浆熔岩，而是直径约160公里的空洞。科学家埃德蒙・哈雷发现：地球磁场有时有轻微变化，这也暗示着地球可能有几个磁场同时存在。后来也有研究人员假设：地球内部很可能藏着另一个“地球”，有适宜的气候，独特的动植物，甚至存在特殊文明等。他们认为，极光实际上是地球北极薄地壳处泄漏出来的气体。一些研究者还认为，地心文明是外星人的杰作，他们对于人类无休止的争战感到厌倦，于是移居地下，静观人类的发展。UFO并不是其他星系的来客，而是地下居民的交通工具……

而美国加州理工学院的达维史蒂文森在2003年5月15日出版的《自然》杂志上提出一种探测“地心”的构想：先在地表引发威力达数百万吨黄色炸药威力的核爆，挖掘一条长与深各300m，但宽度只有一米的壕沟，然后注入数十万吨的炽热熔铁，熔铁像巨大的刀锋切开地球的岩层，灌入铁水的同时，科学家会在其中放入一个葡萄柚大小的由特殊材料制成的探测器。探测器随着热的铁水逐渐渗入地球内部，大约1个星期之后能够到达地球外核附近。目前国际上有一个大陆深钻计划，中国是三个主要负责国家之一，在中国青藏地区，打一个8km深的深洞。以后会有无人驾驶的飞船，虚拟人驾驶着飞船进入“地心”。

2008年，美国伊利诺斯州立大学的科学家首次成功地制作了下面这个地核的三维立体模型，基本揭开了地核的奥秘，这有助于我们更好地了解地球内核的特性、矿物属性和演变过程。

图2．4　地核三维立体模型