牛津通识读本：地球 [5]
在起初的7亿年历史中，地球一定特别荒凉。当时有为数众多的大撞击，剧烈程度远甚于或许造成了恐龙灭绝的那一次。后一次重轰炸期的疤痕还能在月球上的月海中看到，那些月海本身就是巨大的陨石坑，充满了撞击所熔融的玄武岩熔岩。这样的撞击会熔融大量的地球表面，并无疑会把任何原始海洋蒸发殆尽。如今我们星球上的水很可能来自随后的彗星雨及火山气体。
生命的曙光
人们一度认为，地球早期的大气层是甲烷、氨、水和氢的气体混合物，这是组成原始生命形式的碳的潜在来源。但如今人们认为，来自年轻太阳的强烈紫外线辐射迅速分解了那种气体混合物，产生了二氧化碳和氮气的大气层。生命的起源仍是个未解之谜。甚至有人认为，生命可能源自外星，是来自火星或者更远星球的陨石抵达地球后带来的。但当前的实验室研究表明，某些化学体系可以开始进行自我组织并催化其自身的复制。有关现今生命形式的分析指出，最原始的生命并非那种以有机碳为食，或利用阳光助其光合作用的细菌，而是如今在深海热液喷溢口发现的那种利用化学能的细菌。
到35亿年前，几乎必然存在着微小的蓝藻细菌，多半也已经出现了原始藻类——就是我们如今在死水塘中看到的那种东西。这些生物开始产生了戏剧性的效果。它们利用阳光作为光合作用的动力，从大气层中吸收二氧化碳，有效地侵蚀着二氧化碳保护层，这可是在太阳作用较弱时通过温室效应给地球保暖的。这或许最终导致了前寒武纪末期的冰川作用。但在此很久以前，这些生物的作用就已经导致空前绝后的最糟糕的污染事件。光合作用释放了一种此前从未在地球上存在过的气体——氧气，对很多生命形式可能是有害的。起初，氧气不能在大气层中长期存在，但它很快就与海水中溶解的铁元素发生反应，产生了条带状氧化铁的密集覆层。整个世界都生锈了——这可不是什么夸张的说法。但光合作用仍在继续，大约24亿年前，游离氧开始在大气层中逐渐积累，为可以呼吸氧气和进食植物的动物生命的到来铺平了道路。
地球的诞生
大约45亿年前，曾有一大片气体尘埃云，这是以前若干代恒星的产物。在重力的影响下，这片云开始收缩，其过程或许还由于附近某颗恒星爆炸或超新星的冲击波而加速。随着这片云的收缩，其内的轻微旋转加速，将尘埃散布出去，在原始星体周围形成扁平的圆盘。最终，主要由氢和氦组成的中心物质收缩到足以在其核心引发核聚变反应，太阳开始发光。一阵带电粒子的风开始向外吹，清除了周围的部分尘埃。在这片星云或圆盘的内部，只剩下耐火的硅酸盐。在远处，氢和氦加速形成了庞大的气体行星：土星和木星。水、甲烷和氮等挥发性冻结物被推到更远处，形成了外行星、柯伊伯带[22]天体和彗星。
内行星——水星、金星、地球和火星——是由已知的增积过程形成的，起初粒子彼此碰撞，有时会裂开，偶尔也会彼此联合。最终，较大的粒子团积累足够的重力引力，把其他粒子团拉向它们。随着体积的增长，撞击的能量也增加了，撞击熔融了岩石并导致其成分析出，其中密度最大、富含铁元素的矿物质下沉形成了核心。在撞击、重力收缩释放的能量，以及放射性同位素衰变等多重作用之下，崭新的地球变得十分炙热，大概至少有一部分被熔解了。前太阳星云[23]中的很多放射性元素可能在超新星爆炸前不久就产生了，仍因其具有放射性而十分炎热。因此，地球表面起初很难有液态水存在，而且最初的大气层可能多半都被太阳风吹散了。
青出于蓝
长期以来，月球的形成对科学界来说一直是一个谜。人们一度认为月球是从年轻的地球中分离出去，在地球旁边形成，或在经过地球时被其捕获的，但月球的组成、轨道和自转与这种说法并不吻合。然而现在有一个理论很合乎情理，也用计算机模型进行了很有说服力的模拟。该理论指出，一个火星大小的原行星曾在太阳系形成大约5000万年之后与地球发生了碰撞。这一抛射物的核心与地球的核心相融合，撞击力熔融了地球的大部分内部物质。撞击物的大部分外层，连同某些地球物质一起被蒸发并投入太空。其中的许多物质聚集在轨道中，累积合生，形成了月球。这次灾难性事件让我们收获了一个良朋挚友，它对于地球似乎有着稳定的作用，防止地球自转轴的无序摇摆，因而让我们的行星成为生命更宜居的家园。
第三章
地球深处
地球的表面覆盖着一层相对较薄的冷硬外壳。在海洋下面，这层外壳大约有七八公里厚，而就大陆而言，其厚度则是30-60公里。其基部是莫氏不连续面[24]，又称“莫霍面”，它可以反射地震波，这大概是由于它的组成发生了变化，变成了其下地幔的致密岩石。岩石圈是地球表面上一层冰冷坚硬的物质所组成的完整板块，不但包括地壳，还包括地幔的顶部。大陆岩石圈总共有大约250公里乃至300公里厚。海洋下的岩石圈较薄，越接近洋中脊越薄，最薄处仅比7公里洋壳略厚。然而岩石圈并不是一个单一的坚硬地层，它可以分成一系列所谓的构造板块。这些板块是我们了解地球深处如何运作的主要线索。为了解那里发生的事，我们必须深入地壳之下一探究竟。
深度挖掘
在距离我们只有30公里的地方，有一个我们永远不能探访的所在。30公里的横向距离不过是一次轻松的公交之旅，但在我们脚下，这一距离几乎就是一个难以想象的高温高压之处了。任何矿井都不可能开采到如此之深。1960年代，有人提议利用石油开采业的海洋钻探技术，直接钻通洋壳进入地幔，这就是所谓的“莫霍计划”，后来由于成本之巨和任务之艰而未能实施。在俄罗斯的科拉半岛和德国境内进行的深层钻探尝试在达到大约11000米深度后就放弃了。这不仅是因为岩石难以钻孔，而且热量和压力会软化钻机的部件，还会把刚刚钻开的孔洞立即重新压合。
来自地球深处的信使
我们可以通过一种方法直接从地幔中取样：利用深源火山的喷发物。火山喷发出来的岩浆大多只是来自源地物质的部分熔融物，因此，举例来说，玄武岩并非表层岩的完备样本。然而，它却能够提供关于其下物质的同位素线索。例如，某些来自夏威夷等地的深源火山的玄武岩中含有氦3及氦4比率较高的氦气，据信早期太阳系的情况也是如此。因此人们认为，这种玄武岩来自地球内部的某个至今仍然保持着本来面貌的部分。火山喷发时氦逸失了，被放射性衰变所产生的氦4缓慢地取代。洋脊火山玄武岩中的氦3耗尽了。这意味着这种玄武岩是再生物质，其氦气在早期的喷发中逸失，而且这种玄武岩并非来自地幔深处。
剧烈的火山喷发有时的确会在其岩浆中携带着更直接的表层岩样本。这些所谓的“捕虏岩”是熔岩流携带而出的尚未熔融的表层岩样本。它们通常是诸如橄榄岩等暗绿色的致密岩石，富含橄榄石矿，后者是一种镁铁硅酸盐。山脉深处有时也会找到类似的岩石，是从地球极深处强推出地面的。
慢速熔岩流
坎特伯雷座堂[25]那富丽堂皇的中世纪彩色玻璃窗可以透露一些有关地球地幔性质的信息。窗子由很多小块的彩色玻璃组成，嵌在跨距很大的窗框里。如果观察透过窗格玻璃的阳光，就会注意到底部的光线比顶部的要暗一些。这是由于玻璃的流动。用专业术语来说，玻璃是一种过冷的流体。历经若干世纪，重力令窗格缓慢下垂，底部的玻璃因而会较厚一些。然而，如果用手摸或者锤击（求主饶恕！），玻璃仍然呈现出固体样态。了解地球地幔的关键在于认识到，那里的硅酸盐岩石能够以同样的方式流动，尽管它们并未熔融。实际上，这些个体矿物颗粒一直在重新形成，从而引起了被称作“蠕动”的运动。结果是地幔极具黏性，就像非常黏厚的糖蜜。
地球的全身扫描
关于地球的内部结构，最明确的线索来自地震学。地震通过星体发出地震冲击波。就像光线被透镜折射或被镜子反射那样，地震波穿行于地球，并在其不同的地层中反射。随着岩石的温度或软度不同，地震波的行进速度也有差异。岩石温度越高就越软，冲击波行进的速度也就越慢。地震波主要有两种，初至波（P波）速度更快，因而会率先抵达测震仪；另一种是续至波（S波）。P波是进行推拉运动的压力波；S波是剪切波，无法在液体中行进。正是通过对S波的研究，人类首次揭示了地球的熔融外核。在单一的仪器上探测这些地震波并不会显示多少信息，但如今全球各地散布着由数以千计灵敏的测震仪组成的网络。每天都有很多小型地震发出信号。结果有点像医院里的全身扫描仪，患者被X射线源和传感器环绕，计算机利用结果来构建患者内部器官的三维影像。医院的探测装置被称作计算机辅助断层扫描，而地球的相应版本则被称作地震层析成像。
测震仪的全球网络最适于在全球范围内观测事物。它会揭示地幔的整体分层，以及每隔数百公里，地震波速因温度高低而发生的变化。世界上还部署着间隔更小的矩阵，起初设置它们的目的是探测地下核子试爆，它们连同地球物理学家部署在感兴趣的地质区域的新型矩阵一起，有望观测到数公里之深的地幔结构。并且，似乎每一个尺度上都有自己的构造。在这些地球全身扫描中，最清楚的莫过于地层了。在2890公里——我们这个星球液态外核的厚度——之下S波无法通过。但是地幔有几个显著的特征。比如前文中提到的，地壳基部有莫氏不连续面，另一个则位于坚硬的岩石层的基部。岩石层下的软流层比较软，因而地震波速较慢。410公里以下和660公里以下分别是界限清晰的地层，而520公里深处左右则是一个不甚清晰的地层。在地幔基部还有另一个被称作核幔边界（D″分界层）的地层，它很可能是不连续的，厚度范围从0公里到大约250公里不等。
地震层析成像同样揭示了一些更加微妙的特征。本质上，较为冰冷的岩石也会更硬，因而相对于较热较软的岩石，地震波在其间行进的速度也更快。在古老而冰冷的洋壳插到大陆之下或者插进海沟的位置，下沉板块的反射显示出其通向下方地幔的通道。在那里，地球炙热的核心烘烤着地幔的底面，将其软化并抬升成一个巨大的地柱。
地幔充满了未解之谜，它们乍看上去像是彼此矛盾的。它是固态的，却可以流动。它由硅酸盐岩石组成，硅酸盐岩石本是一种优良的隔热体，但不知为何，却有大约44太瓦特[26]的热量穿过