許英奎

上天容易入地難，雖然人類可以發(fā)射探測器到遙遠(yuǎn)的外太陽系，可以用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測百億光年以外的宇宙空間，卻很難對(duì)地球內(nèi)部物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)有直觀的認(rèn)識(shí)。目前，人類最深的鉆探工程也只達(dá)到地表以下一萬四千米，連地殼都沒有打穿。而探究地核物質(zhì)是什么，只能依靠間接的方法。在這個(gè)過程中，地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家就像偵探一樣通過地核活動(dòng)的蛛絲馬跡和他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫹治?，帶我們一步步揭開地核的面紗。

探測工具——地震波

地震波是科學(xué)家研究地球內(nèi)部物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的主要方法之一，地殼、地幔、地核的界面也是由地震波探測識(shí)別出來的。20世紀(jì)初，地球物理學(xué)家莫霍洛維奇在研究南斯拉夫的一次地震時(shí)候發(fā)現(xiàn)地震波傳播速度在地表下面30公里處存在一個(gè)不連續(xù)的界面，說明在這一深度上下物質(zhì)密度相差很大，科學(xué)家們認(rèn)為這個(gè)界面是地殼和地幔的分界面，稱作“莫霍面”。隨后，地震學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)地下2900公里處也存在一個(gè)地震波急劇改變的界面，也就是地幔和地核的界面，稱為“古登堡面”。最初人們認(rèn)為地核是液態(tài)的，因?yàn)闄M波不能穿過液態(tài)物質(zhì)，而地震波也顯示在這一界面出橫波消失。隨后丹麥女地質(zhì)科學(xué)家萊曼對(duì)地核地震波速度進(jìn)行了更精確的測量，發(fā)現(xiàn)在地核內(nèi)部某一個(gè)界面處，橫波又重新出現(xiàn)，據(jù)此推測地核分為內(nèi)核和外核，外核是液態(tài)物質(zhì)而內(nèi)核是固態(tài)物質(zhì)。后來，科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)地震波在地核中的傳播速度與其在鐵介質(zhì)中傳播速度接近，于是推測地核可能是由高壓狀態(tài)下的鐵組成。

類比樣品——鐵隕石

另外一個(gè)研究地核物質(zhì)的方法是鐵隕石。雖然我們無法拿到地核的樣品，但是可以通過類比樣品—鐵隕石來研究地核。鐵隕石被認(rèn)為是分異后的小行星核部物質(zhì)，在星際空間被其他天體撞擊后拋射降落到了地球。科學(xué)家對(duì)鐵隕石進(jìn)行了大量的研究，其主要成分包括鐵、鎳和其他一些與鐵有親和性的元素，也稱為親鐵元素。雖然可以用鐵隕石類似代表地核，但是由于鐵隕石來源的小行星體積小，壓力小，無法和地球內(nèi)部超高的壓力比較，而元素在超高壓的行為又“變化莫測”，因此還不能完全以鐵隕石代表地核。

地核中的輕元素

地核中除了鐵—鎳和親鐵元素之外，還有其他一些輕元素。這個(gè)觀點(diǎn)最早來源于對(duì)地核密度的評(píng)估，因?yàn)閷?shí)際地核比鐵—鎳核的密度要低12～20%。有哪些元素可以在地核的溫壓條件下進(jìn)入鐵核中呢？實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)家做了許多高溫高壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在極大的壓力下一些輕元素的行為會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，包括氧、硫、氫、堿金屬等都可能在地核中存在。這些輕元素不僅能降低地核的密度，對(duì)解釋地震波在地核和純鐵相的波速差異也有幫助。該領(lǐng)域是國際前沿?zé)狳c(diǎn)，目前尚不能準(zhǔn)確評(píng)估地核中各種輕元素的含量。

地核發(fā)電機(jī)的動(dòng)力來源

地核物質(zhì)組成還需解釋的一個(gè)觀察事實(shí)是地球磁場的起源?？茖W(xué)家認(rèn)為地磁場的產(chǎn)生跟地核的液態(tài)物質(zhì)對(duì)流有關(guān)，因?yàn)槌掷m(xù)變化的電場會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。但是要保持地核物質(zhì)長期持續(xù)對(duì)流，需要非常多的熱量。如果沒有持續(xù)的熱量供給，地球也會(huì)像月球一樣，很早就失去磁場?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，地表的鉀元素在地球核幔邊界超高壓力下會(huì)和鐵結(jié)合形成合金，這樣會(huì)提高鉀在地核中的溶解度。而鉀元素具有天然的放射性同位素40鉀，40鉀在放射性衰變時(shí)釋放巨量的熱量，為地核發(fā)電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行提供了能量。因此，地核中的鉀元素可能會(huì)非常多。

雖然科學(xué)家已經(jīng)初步識(shí)別出地核內(nèi)的元素種類，但是更為詳細(xì)的工作還有待開展。相信不遠(yuǎn)的將來，人類會(huì)對(duì)地核的物質(zhì)組成有更為深入的認(rèn)識(shí)。