顧云

腳底藏著巨量鉆石

你的腳下，是堅實的土地，而在這土地之下，又是什么呢？最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，就在你腳下的土地里，可能藏著千萬億噸的鉆石。

如此巨量的鉆石可能令許多人垂涎不已，僅將一小部分挖出來，已是一筆可觀的財富。然而，抱有這樣想法的人大概要失望了，因為這些鉆石埋藏在地底大約160千米深的克拉通根處。

克拉通是地質(zhì)學(xué)名詞，指的是大陸地殼上古老而穩(wěn)定的部分，缺乏明顯的火山活動和沒有發(fā)生過碰撞的地塊，在近5億年內(nèi)的大陸運(yùn)動過程中沒有發(fā)生顯著變化，有的克拉通形成于20億年前甚至更早。我國華北地區(qū)、東北地區(qū)以及大部分朝鮮半島、蒙古南部共同組成了面積達(dá)170萬平方千米的華北克拉通。在克拉通底部，有錐形部分深深嵌入地球深處直至地幔處，最深可達(dá)200千米，嵌入地幔的這部分被稱為“克拉通根”，巨量的鉆石便是藏在這里。

千萬億噸的鉆石藏在160千米深的地底是什么樣的概念？大概意味著目前人類窮盡一切辦法也無法窺見一絲一毫這些鉆石的影子。那么你也許會問，人類鉆地最深的記錄是多少？

目前，世界上鉆深最深的記錄保持者是蘇聯(lián)。1970年，蘇聯(lián)在科拉半島開始鉆探，最深的鉆孔形成于1989年，深度約12.3千米。截止目前，以垂直深度計算，這個深度仍是到達(dá)地球最深處的人造鉆井，然而，與160千米相比，卻連其零頭都沒達(dá)到?？梢韵胂?，想要開發(fā)出深埋地底的巨量鉆石堪稱天方夜譚。

讀到這里，你可能會疑惑，既然人類無法深入160千米深的地底，科學(xué)家是怎么知道哪里藏有鉆石的呢？答案是地震波，科學(xué)家能夠利用地震波判斷出地底到底藏著些什么。那么，科學(xué)家是如何借助地震波勘探地球內(nèi)部的？

密探——地震波

現(xiàn)在，我們知道地球分為地殼、地幔和地核三個部分。地表以下為地殼，平均厚度17千米；地殼之下為地幔，分為上地幔、過渡帶和下地幔，厚度約為2900千米；再往下便是地核了，半徑約為3470千米，內(nèi)核為固態(tài)的鐵鎳核心，半徑為1200千米，溫度達(dá)到5400℃，幾乎與太陽表面溫度相當(dāng)，其余部分為外核，雖然大部分同樣由鐵鎳組成，卻是熔融的狀態(tài)。

無法鉆到地底深處的我們是如何知道這些信息的？這是因為我們有“密探”——地震波，科學(xué)家探測到鉆石的存在便是這位“密探”呈上的密報。

利用地震波，首先得明確地震波的特性。地震波分為兩類，一種為面波，另一種為體波。面波在地表橫行，是摧毀建筑物的罪魁禍?zhǔn)?；體波在地球內(nèi)部傳播，又分為兩種：壓縮波（P波）和剪切波（S波）。P波與S波似一對孿生兄弟，雖在震源處相伴而生，性格卻是大相徑庭。P波是個急性子，傳播速度快，通常最先到達(dá)震源的地面，即震中，使地面上下波動；P波還是個大嗓門，信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于背景噪聲，很容易被檢測到。相比之下，S波則是個慢性子，姍姍而至，速度幾乎只有P波的一半，使建筑物左右搖晃；S波“性格內(nèi)向”，信號微弱，常常被P波信號覆蓋，難以檢測。地震發(fā)生時，人們首先感覺到地面或者建筑上下跳動，這是P波到來的標(biāo)志，接著是一陣陣大幅度的左右搖擺，S波也抵達(dá)了。

第一個分辨出P波和S波并確定它們以上特點的是英國地質(zhì)學(xué)家理查德·奧爾德姆，將兩種波區(qū)分開后，他又發(fā)現(xiàn)這兩種地震波在地球內(nèi)部的折射現(xiàn)象。

在日常生活中，我們很容易注意到，光在不同的介質(zhì)中傳播會發(fā)生折射現(xiàn)象，體波也一樣，體波的入射角與折射角的關(guān)系同樣受到介質(zhì)的折射率影響，對于在地球內(nèi)部穿梭的體波來說，巖石的種類是影響波速的重要因素。P波在固態(tài)和液態(tài)中都能夠傳播，介質(zhì)變換時會發(fā)生折射現(xiàn)象；S波只能在固體中傳播，進(jìn)入液體時會被完全反射，無法穿過。地震波的這一特點給了奧爾德姆新的啟發(fā)，他想，用地震波也許可以勘探地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從此，地震波有了一個新的身份——密探，用地震波研究地球內(nèi)部構(gòu)造的帷幕拉開了。

漫長探秘之旅

1906年，奧爾德姆發(fā)現(xiàn)了一件奇怪的事情。如果以震中為0°，震中在地球的另一面對應(yīng)點為180°，那么在103°到142°的區(qū)域內(nèi)，P波突然消失了，142°以后又重新出現(xiàn)，而S波在103°到180°的區(qū)域都毫無蹤影。換個更通俗點的說法，如果我們把地球任何一個橫截面比做一個表盤，如果在12點的位置發(fā)生了地震，那么在表盤的3點半到快5的地方，和對應(yīng)的7點過到8點半這塊區(qū)域，是測不到P波的。而3點半到8點半這幾乎近一半的區(qū)域測不到S波。這個測不到體波的區(qū)域被稱為“影子區(qū)”。根據(jù)體波的折射原理，奧爾德姆猜測，地球內(nèi)部有一個液體核心，所以P波到達(dá)液態(tài)地核時發(fā)生了折射，無法到達(dá)“影子區(qū)”。同樣，由于液態(tài)地核阻擋了S波。所以“影子區(qū)”也無法測到S波。于是，一個有著熔融地核的的觀點形成并沿用了幾十年。

到了1929年6月17日，當(dāng)?shù)貢r間10：17，新西蘭南島發(fā)生了里氏7.3級大地震。這次地震的數(shù)據(jù)被全球的地震儀忠實地記錄了下來，包括遠(yuǎn)在歐洲的法蘭克福、哥本哈根等地的地震儀。本次地震的數(shù)據(jù)引起了丹麥地震學(xué)家萊曼的注意，在仔細(xì)研究了地震數(shù)據(jù)之后，她發(fā)現(xiàn)有兩束微弱的P波信號出現(xiàn)在影子區(qū)。

萊曼對此百思不得其解，直到1936年，她綜合了更精密的地震儀所記錄的全球地震數(shù)據(jù)，對在地核中傳播的地震波速度進(jìn)行了更精確的測量，才終于勘破了7年前發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象。她認(rèn)為，現(xiàn)在影子區(qū)測到P波，說明地核內(nèi)層不完全是液態(tài)，有可能液態(tài)核心內(nèi)層中心是固態(tài)的，因而折射率發(fā)生變化，所以即使是在影子區(qū)，有時候也會有微弱的P波信號。也就是說，地核是雙層結(jié)構(gòu)。后來這個觀點被廣泛接受，一直沿用至今。

內(nèi)核是什么？

在接受了雙層地核模型后，科學(xué)家又產(chǎn)生了新的疑問：固態(tài)的內(nèi)核到底是什么？上面說過，地球內(nèi)核是鐵鎳核心。科學(xué)家是怎么知道的呢？答案是，他們并不知道，這是猜的。不過，不是盲目猜測，而是有理有據(jù)的。

這一猜測首先基于人類對宇宙的認(rèn)識，鐵元素大量存在于宇宙中，是銀河系中最常見的十大元素之一，普遍存在于隕石中，并且，隕鐵中常常帶有鎳，地球身處銀河系，應(yīng)該不會例外。

其次，科學(xué)家需要證明鐵在地心處能夠以固體的形式存在。地心深處的有著5400℃的超高溫，而一般鐵的沸點2750℃，5400℃的超高溫早就氣化了。但地心深處的壓強(qiáng)大約是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的300萬倍，在這樣的極端條件下，鐵的性質(zhì)會是怎樣的？其實問題很簡單，科學(xué)家們只需要測定鐵在這樣的高壓之下的熔點。2000年，科學(xué)家根據(jù)分子動力學(xué)計算出該熔點理論上為6226.85℃，2013年，有科學(xué)家用金剛石壓砧實驗得到該熔點為5726.85℃，證明了鐵能夠在地心處保持固態(tài)。不過，實驗中運(yùn)用的都是純鐵，而地核的鐵并不是純鐵，實際的熔點會有所降低。至此，雖然對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索還在繼續(xù)，但目前公認(rèn)的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖已然形成。

我們腳踩著的大地，仍然被層層謎團(tuán)包裹，等待著我們一層層揭開。我們雖然不能深入160千米深的地底挖掘千萬億噸的鉆石，但知道它就在那里；我們雖然不能像科幻小說的主人公，來一場地心之旅，親眼看到地心圖景，但可以不斷探索，一步一步繪制出我們所了解的地球結(jié)構(gòu)。