孫維維 魏勇 王譽(yù)棋

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 101408；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所 210018；3.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 100029)

《地心歷險(xiǎn)記》是一部科幻電影，根據(jù)凡爾納的小說《地心游記》改編，顧名思義，其講述的是人類探索地心世界的故事。在影片中，主角特雷弗是一名地質(zhì)學(xué)家，他與侄子肖恩、向?qū)h娜在探險(xiǎn)的過程中意外掉入了神秘的地心世界。在地心世界中，不僅隨處可見鮮艷的紅寶石、翡翠以及鉆石，而且還生活著各種各樣的地心生物。由于地心的特殊環(huán)境，他們得以見到許多地面上沒有的奇幻景象。他們?cè)谄〉拇攀闲凶?、與大型食肉植物搏斗，甚至乘坐恐龍頭骨在地心河流中漂流。后來這只頭骨“船”卡在火山噴發(fā)的通道中，為了逃出生天，他們點(diǎn)燃了巖壁上的鎂粉引發(fā)爆炸，大量的水從破碎的巖壁中涌入高溫的火山熔巖，最終，爆發(fā)的高壓水蒸氣將他們帶回了地面。

圖1 《地心歷險(xiǎn)記》電影海報(bào)

人類的天性就是探索未知的世界，我們對(duì)于地心的興趣遠(yuǎn)不止于科幻作家的想象，科學(xué)家也在計(jì)劃前往地心的旅程。然而，地心歷險(xiǎn)記有可能實(shí)現(xiàn)嗎？答案就位于我們腳下繽紛多彩的多圈層世界。

1.世界第一超深井

為了探索太陽系，人類發(fā)射航天器飛向太空，而為了探索地下世界的奧秘，人類向地下進(jìn)行鉆探。在鉆井人的不懈努力下，世界最深的鉆井——科拉超深井誕生了，深達(dá)12262米，位于俄羅斯最靠近北極的摩爾曼斯克市的扎波利亞爾內(nèi)礦區(qū)。科拉鉆井從1965 年開始設(shè)計(jì)，1970 年開始鉆井，于1998年達(dá)到12262米深。正是由于這次鉆探，人們對(duì)地球這顆行星有了更深的了解?？评@井的主要目的是研究地殼構(gòu)造、地層參數(shù)和礦藏資料。此次發(fā)現(xiàn)地層7公里以下全是花崗巖；首次在1000米以下深度發(fā)現(xiàn)了金礦；在10千米以下巖層發(fā)現(xiàn)含有金、鎳等金屬，向地殼深部，磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦中鎳的含量增加，而黃銅礦中的鐵、鎳、銅的變化增大；發(fā)現(xiàn)地下12 千米處溫度高達(dá)230 ℃，當(dāng)井深小于3000 m時(shí)，地溫梯度ΔT=1 ℃/100 m，當(dāng)井深大于3000 m 時(shí)，ΔT=1.8～2 ℃/100 m；在地下6 千米左右處發(fā)現(xiàn)了36 億年前的植物化石，因此推斷36 億年前有生命存在。

科拉鉆井的底部是目前人類能達(dá)到的與地心最近的距離，這個(gè)深度對(duì)于地殼來說只是一顆不起眼的小孔，相當(dāng)于雞蛋殼上的一個(gè)小凹槽，連蛋殼都沒有打穿。即使這樣，超深井的鉆探對(duì)人類來說依然是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，鉆探得越深，難度越大，需要克服高溫高壓的條件，這對(duì)于一個(gè)國(guó)家的鉆井技術(shù)乃至工業(yè)實(shí)力都是一項(xiàng)巨大的考驗(yàn)。

2.從地表到地心

根據(jù)行星撞擊學(xué)說，在太陽系形成過程中，發(fā)生了劇烈的碰撞而產(chǎn)生大量熱量，巖石和鐵組成的固體混合物被加熱到很高的溫度時(shí)，鐵會(huì)分離出來，由于鐵比較重，會(huì)因重力沉到地心，形成了地核，這種融化巖石和金屬的分離導(dǎo)致了內(nèi)核與外層的不同。

在《地心歷險(xiǎn)記》中，主角一行三人通過隧道掉入地心深處，在現(xiàn)實(shí)中，情況會(huì)有什么不同呢？

圖2 地球隧道示意圖

實(shí)際上，由于地球的自轉(zhuǎn)，當(dāng)物體在地球隧道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到科里奧利力(又稱地轉(zhuǎn)偏向力)的作用，速度方向不再指向圓心，從而物體會(huì)撞上隧道的內(nèi)壁，產(chǎn)生動(dòng)能損耗而停下來。假如通過技術(shù)手段克服地轉(zhuǎn)偏向力的作用，從地表到地心還要面對(duì)溫度的升高和壓力的增大。在高壓下，堅(jiān)硬的巖石都會(huì)變得有彈性，科學(xué)家推測(cè)地心的壓力為地表壓力的300 萬倍，溫度會(huì)超過4000 ℃，和太陽表面一樣熱。因此，在目前看來，到達(dá)地心難以實(shí)現(xiàn)。

地心活動(dòng)引發(fā)的地震等現(xiàn)象會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。中國(guó)有23個(gè)強(qiáng)震活動(dòng)帶，研究地心活動(dòng)對(duì)研究地震成因乃至減輕其危害具有重大意義。如果通過高分辨率探測(cè)地球深部結(jié)構(gòu)，獲取地殼上地幔三維精細(xì)結(jié)構(gòu)及物性成像，可為地震預(yù)測(cè)和大陸動(dòng)力學(xué)研究提供支持。

科學(xué)家希望通過分析地震波的傳播速度，獲得地球內(nèi)心的圖像。地震波在地下傳播的速度取決于它們所經(jīng)過的物質(zhì)，地震波在穿過非固體的巖漿時(shí)，速度會(huì)變得很慢。1910 年，前南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)地震波在傳到地下50 千米處有折射現(xiàn)象。這個(gè)發(fā)生折射的地帶，就是地殼和地殼下面不同物質(zhì)的分界面。1914年，德國(guó)地震學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)地下2900 千米深處存在著另一個(gè)不同物質(zhì)的分界面。后來，人們將兩個(gè)面分別命名為“莫霍面”和“古登堡面”并根據(jù)這兩個(gè)面把地球分為地殼、地幔和地核三個(gè)圈層。

圖3 地震波速度與地球內(nèi)部圈層

地球外核的直徑相當(dāng)于火星。當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^地幔到達(dá)外地核時(shí)，速度變慢了許多，那里如一片巨大而炙熱的熔融態(tài)金屬海洋。一般認(rèn)為鐵鎳合金是內(nèi)核的成分，內(nèi)核的直徑相當(dāng)于月球。為了研究?jī)?nèi)核的物理性質(zhì)，日本科學(xué)家廣瀨慧將鐵鎳合金樣本置于兩顆鉆石的尖端，通過實(shí)驗(yàn)儀器模擬地心的極高溫度和壓力條件，觀察此條件下鐵鎳合金的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鐵鎳晶體的大小在10分鐘內(nèi)膨脹了上千倍，這表明地球的固體內(nèi)核表面也許就存在巨大的晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 地球內(nèi)核表面晶體想象圖

3.地心與生命

有人將地心與地獄聯(lián)系在一起，認(rèn)為那里是一番惡劣的景象。但在影片《地心歷險(xiǎn)記》中，地心世界生活著各式各樣的神奇生物，引起人們對(duì)于地心的美好想象。在現(xiàn)實(shí)世界中，以我們目前對(duì)地心的了解，可能無法想象生命能在地心世界高溫高壓的條件下存活，但我們確定的是在地下一定深度處存在微生物。這些微生物新陳代謝緩慢，主要從地下水中吸收氧氣或者進(jìn)行無氧呼吸，并且能夠適應(yīng)地下獨(dú)特的溫度、壓力、酸堿度等環(huán)境參數(shù)。1989年，在南卡羅萊納州的一項(xiàng)調(diào)查在地下550米處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括3000多種微生物組織。

地球之所以能孕育生命，很大程度上得益于地球磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)使地球免受來自太陽風(fēng)的高能粒子的轟擊，為地球上的生命提供了天然的保護(hù)屏障。地磁學(xué)將地球磁場(chǎng)分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)，內(nèi)源場(chǎng)占地球磁場(chǎng)的百分之九十多，是由地球內(nèi)部的某種電流產(chǎn)生的，另外的百分之幾，是由大氣電離層、磁層電流產(chǎn)生的外源場(chǎng)。因此對(duì)內(nèi)源磁場(chǎng)的研究是揭示地磁成因乃至生命起源的關(guān)鍵。

圖5 地球磁場(chǎng)抵御太陽風(fēng)高能粒子

當(dāng)?shù)睾说娜廴趹B(tài)金屬熱量流入較冷的地幔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象。這種運(yùn)動(dòng)通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生內(nèi)源磁場(chǎng)。由于這種流動(dòng)非常復(fù)雜，磁場(chǎng)也會(huì)不斷變化，而且不是簡(jiǎn)單的南北極分布。因此，我們可以通過記錄和分析磁場(chǎng)的變化來研究地心活動(dòng)?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M地核的熔融態(tài)金屬運(yùn)動(dòng)，以研究地球磁場(chǎng)的特性。研究結(jié)果表明，模擬的地核與地球大氣層非常相似，其中存在巨大的湍流，到處是復(fù)雜的旋渦和洋流，它們相互作用，并驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生地球的主要磁場(chǎng)。大量的渦流還導(dǎo)致磁場(chǎng)不斷變化。值得一提的是，地球深部的運(yùn)動(dòng)速率比淺部的板塊運(yùn)動(dòng)和地幔對(duì)流速率高得多。

運(yùn)動(dòng)的液態(tài)金屬能牽引、拉伸、并扭曲磁場(chǎng)，如果地球外核熔融態(tài)金屬中的風(fēng)暴形成足夠大的合力，地球磁場(chǎng)將到達(dá)臨界點(diǎn)，然后反轉(zhuǎn)，此時(shí)的南北極方向?qū)⒏淖?，有證據(jù)表明地球的磁場(chǎng)在地球歷史中改變過數(shù)百次。

地心活動(dòng)產(chǎn)生的地球磁場(chǎng)與來自太陽的高能帶電粒子流的作用使高層大氣分子或原子激發(fā)(或電離)產(chǎn)生極光，極光現(xiàn)象常常出現(xiàn)于緯度靠近地磁極地區(qū)上空，形狀有時(shí)穩(wěn)定有時(shí)作連續(xù)性變化。極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽系內(nèi)的其他一些具有磁場(chǎng)和大氣的行星上也有極光現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^太陽風(fēng)暴與極光現(xiàn)象來研究行星磁場(chǎng)乃至行星內(nèi)部的物質(zhì)活動(dòng)。

圖6 地球極光現(xiàn)象

圖7 木星的極光現(xiàn)象

圖8 土星的極光現(xiàn)象

4.從地球到行星

在漫漫的現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)程中，人類從未停止對(duì)太空的遐想，我們渴望沖出大氣層，甚至沖出太陽系，去探索宇宙的奧秘，去找尋地外生命的蹤跡。我們?nèi)ミ^很遠(yuǎn)的太空，然而對(duì)于我們生活的地球，這個(gè)目前已知的太陽系內(nèi)唯一存在生命的天體的核心，我們卻還沒能完全了解。

人類文明誕生于這顆星球表面。我們將地球表面可生長(zhǎng)植物的疏松表層稱為土壤，所有我們所熟知的植物、動(dòng)物以及我們自身都依賴于這個(gè)薄層生活，我們所有的食物與住所都以它為基礎(chǔ)。在這顆星球上，我們觀測(cè)記錄星體的運(yùn)動(dòng)，荷蘭人于1608 年發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，伽利略于1609 年改進(jìn)望遠(yuǎn)鏡并對(duì)準(zhǔn)了星空，人類開始了新的觀星時(shí)代。1947年人類利用火箭升空，從距離地球100 多千米的高度拍攝了地球的照片，我們開始對(duì)地球是行星有了最初的認(rèn)識(shí)。那么我們對(duì)行星的認(rèn)識(shí)有多少呢？

自蘇聯(lián)于1957 年成功發(fā)射人類的第一顆人造地球衛(wèi)星以來，人類已經(jīng)發(fā)射了上百顆行星探測(cè)器，建立了許許多多的天文觀測(cè)站，我們對(duì)太陽系、銀河系、乃至宇宙都有了新的認(rèn)識(shí)。

如今我們熟知，我們生活的地球是位于太陽系內(nèi)的一顆行星。太陽系內(nèi)共有八大行星，其中距離太陽較近的水星、金星、地球、火星都有固體表面，是類地行星。研究類地行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要通過各種物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等手段建立模型，對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行估算，這得益于我們研究地球構(gòu)造的經(jīng)驗(yàn)。研究地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅有助于我們了解類地行星乃至太陽系的形成與演化，而且會(huì)大大推動(dòng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、遙感地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

5.總結(jié)

科幻小說集文學(xué)性和科學(xué)性于一體，如地心這種科幻空間的建構(gòu)對(duì)現(xiàn)實(shí)生活和科技發(fā)展有著極大的啟發(fā)和促進(jìn)作用，具有獨(dú)特的社會(huì)功能?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)描繪出地球深處的真實(shí)畫面，將進(jìn)一步激發(fā)科幻作品的想象空間。

科學(xué)發(fā)展與創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家強(qiáng)盛的核心。作為當(dāng)時(shí)的社會(huì)主義強(qiáng)國(guó)，前蘇聯(lián)創(chuàng)造了上天(加加林遨游太空)入地(科拉超深井)的人類紀(jì)錄，蘇聯(lián)的繁榮以及后來的解體都給我們帶來許多探索自然的經(jīng)驗(yàn)與思考。繼我國(guó)“蛟龍”號(hào)潛水艇創(chuàng)造了同類作業(yè)型潛水器的最大下潛深度記錄、建成世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)、發(fā)射中國(guó)空間站天和核心艙之后，相信在我國(guó)向第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)奮進(jìn)的歷史新征程中，將創(chuàng)造更多偉大的科學(xué)成果。

隨著人類深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，我們將迎來更多針對(duì)行星的研究需求。對(duì)于地心的研究不僅會(huì)增進(jìn)我們對(duì)地球的了解，使我們能更好地生活在地球上，也有助于我們對(duì)其他行星的研究，探尋行星、太陽系、宇宙、乃至生命起源的奧秘。