牛津通识读本：地球 [7]
在比较地球表面的重力图与地球内部的地震层析成像扫描图之后，结果大大出乎地球物理学家的意料。人们本来期待看到，冰冷致密的洋壳板块或因其密度更大而导致过大的地球引力，而由炙热地幔岩所组成的向上升起的地柱密度较小，因而其重力也较小。现实与此相反。情况在南部非洲尤为显著，那里似乎有个巨大的炙热地幔柱在上升，而在印度尼西亚附近，冰冷的板块正在下沉。麻省理工学院的布拉德·黑格对此做出了自己的解释。南部非洲地下的超级地幔柱正在导致相当一大块陆地上升，其上升的高度超出了预期——人们原以为大陆只是在静态的地幔上漂浮。他估计，跟自然漂浮在地幔上的位置相比，南部非洲被抬升了大约1000米，岩石的这种过度抬升导致重力增大。与此相似，印度尼西亚地下潜没的海洋岩石圈把周围的地表均拽在身后，造成重力较小，并导致海平面整个比陆地高出一块。如今就职于亚利桑那大学的克莱门特·蔡斯发现还有各种其他重力异常现象对应了曾经发生过的潜没事件。从加拿大的哈德孙湾，经由北极，穿过西伯利亚和印度，直到南极圈有一个很长的低重力带，似乎可以标记一系列潜没带，在过去的1.25亿年，那里的远古海床插入地幔。人们曾经认为是海平面上升导致了澳大利亚东半部的大部分大陆在大约9000万年前被淹，事实上或许是因为该大陆漂浮在一个远古潜没带上，在其经过时被潜没带拖曳，从而把陆地降低了600多米。
地核
我们不可能对地球的核心有直接体验，也不可能获得地核的样本。但我们的确从地震波中获悉，地核的外部是液态的，只有内核才是固态的。我们还知道，地核的密度远高于地幔。太阳系里唯一既有足够的密度，又储量丰富，足以组成地核那么大体积的物质就是铁。虽然没有地球核心的样本，我们却能在铁陨石中找到可能与之相似的东西。铁陨石不像石质陨石那样常见，但它更易于辨认。它们据信源自体积较大的小行星，早在这些小行星被发生在太阳系早期的轰炸粉碎之前，其铁质核心便分离了出来。它们的成分大部分是金属铁，但也含有7%至15%的镍。它们往往具有两种合金的共生晶体结构，一种含有5%的镍，另一种含有40%的镍，按比例组成了星球核心的总成分。
在新生的地球至少还是半熔融体时，铁质的地核必定已经通过重力从硅酸盐地幔中分离出来而形成了。随着地层的分离，诸如镍、硫、钨、铂和金等能够在铁水中熔融的所谓亲铁元素会与地层分离。亲岩元素则与硅酸盐地幔一起保留下来。铀和铪等放射性元素是亲岩的，而它们的衰变产物，或称子体，是铅和钨的同位素，因而会在地核形成之时被分离出来，进入地核。这必然会在地核形成时重置地幔中的放射性时钟。对于地幔岩地质年代的估计把这一分离的时间确定在45亿年前，大约比最古老陨石的地质年代晚5000万至1亿年，而最古老的陨石似乎出现在太阳系整体形成之时。
内核
地球的中心是冰冻状态，至少从铁水的角度来看，在地下难以置信的压力下，它是冰冻状态。随着地球的冷却，固态铁从熔融态地核中结晶出来。当前学界的理解是，产生地球磁场的发电机需要一个固态铁核，但纵观地球历史，它未必自始至终都有一个铁核。至于地球过去的磁场，其证据深锁于显生宙各个时期的岩石中。但大多数前寒武纪的岩石已经大变样了，因而很难测出其原本的磁性。这样一来，估计内核地质年龄的唯一方法，就只能来自地球缓慢冷却过程中地核热演化的模型。其计算方法与开尔文勋爵在19世纪末以地球冷却的速率来估算其年龄的方法相同。但现在我们知道，放射性衰变还会产生额外的热量。最新的分析表明，内核大概是在25亿至10亿年前这段时间开始固化的，取决于其放射性物质的含量。听上去或许是一段漫长的时间，但这意味着地球在其早期的数十亿年里是没有内核的，或许也没有磁场。
如今，内核的直径大约是2440公里，比月球的直径小1000公里。但它仍在持续增大。铁元素以大约800吨每秒的速率结晶，会释放相当数量的潜热，这部分热量穿过液态的外核，造成其内流体的翻腾。随着铁元素或铁—镍合金的结晶析出，熔融物中的杂质（大部分是熔解的硅酸盐类）也被分离出来。这部分物质的密度低于熔融态的外核，因而以连绵的颗粒雨的形式穿过外核而上升，那些颗粒或许也就如沙子般大小。杂质可能像上下颠倒的沉淀物一样集聚在地幔的基部，堆积在上下颠倒的山谷和洼地里。地震波显示，地幔基部有一层速度非常缓慢的地层，这种向上的沉淀物即可解释这种现象。这些沙样沉淀物可以圈闭熔融态的铁，就像海洋沉积物圈闭水一样。通过将铁保持在其内，这一地层所提供的物质可以在磁性上将地核内所产生的磁场与固态地幔所产生的磁场予以匹配。如果部分这种物质以超级地柱的形式上升，促成了地表的溢流玄武岩，就可以解释为什么这类岩石中含有高浓度的金和铂等贵金属了。
磁力发电机
从地表上看，地球的磁场似乎可以由地核的一个大型永久性磁棒产生。但事实并非如此。那一定是一台发电机，而磁场是由外核里循环的熔融态铁的电流产生的。法拉第曾证明，如果手头有电导体，那么电流、磁场和运动三者中的任意两个均可产生第三个。这是电动机和发电机的工作原理。但地球没有外部的电气连接。电流和磁场在某种程度上都是由地核内的对流产生和维持的，这就是所谓的自维持发电机。但它必须以某种形式启动。在地球拥有自身的启动装置之前，启动或许要依靠来自太阳的磁场。
地表的磁场相对简单，但产生地表磁场的地核内电流则必然要复杂得多。人们提出了很多模型，其中一些诸如旋转导电圆盘等构想只具有纯粹的理论意义。就我们看到的磁场而言，最有说服力的模型用到了一系列柱形胞腔，其中每一个都包含螺旋式的循环，这种循环是由热对流和地球自转所产生的科氏力共同作用所生成的。地球磁场最奇怪的特征之一，是它会在不规则的时间间隔内（通常是数十万年）反转极性，我们将会在下一章对此进行更详细的讨论。除此之外，有时会在长达5000万年的时期没有一次反转。单个火山晶体内所圈闭的磁场强度的证据表明，在磁极未反转的时期（即超静磁期），磁场可能比如今更强一些。磁场并非与地球的自转轴精确对准。当前，磁场与地球自转轴的倾斜角度大约是11°，但它不会永久停留在那个角度。1665年，磁场几乎指向正北，然后又偏移开去，1823年的倾角为向西24°。计算机模型无法准确解释这种情况，但提出了发电机本身无序变动的可能。在大部分时间，地球的磁场与地幔相配合，效力下降，但有时会产生很强的效力，以至磁场翻转。至于这种翻转能在一夜间完成，还是要持续数千年时间，其间磁场或者胡乱移动或者彻底消失，现在都还不清楚。如果是后一种情况，则不管是对罗盘导航还是对整个地球上的生命都是个坏消息，因为如此一来，我们都会暴露在来自太空的更危险的辐射和粒子之下。
还有人试图通过实验，为地核内发生的一切建模。这并非易事，因为需要大量的导电流体以足够的速度循环来激发磁场。德国和拉脱维亚的科学家们在里加实现了这一目标，他们使用装在同心圆筒中的2立方米熔融钠。通过将钠以15米每秒的速度推入中柱，他们最终创造了一个自激式磁场。
图7 地球磁场产生的一个可能的模型。外核中的对流因科氏力而呈螺旋状（带状箭头）。这与电流（未显示）一起产生了磁力线（黑色箭头）
给地球测温
地球越深处温度越高，但地球的中心究竟有多热？答案是，在地球的熔融态外核与固态内核的分界线上，温度必然恰好就是铁的熔点。但是，在那样的惊人压力下，铁的熔点会与其在地表上的数值大不相同。为了查明这个温度到底是多少，科学家们必须在实验室里重现那些条件，或是依据理论进行计算。他们尝试了两种不同的实用方法：一种是使用在金刚石砧间挤压的微小样本，另一种则是使用一台多级压缩气炮，瞬间压缩样本。因为很难达到如此巨大的压力——内核分界线处的330吉帕斯卡——并且很难校准压力以便知道是否到达目标，目前两种方法均未能直接测量出温度。它们能做的只是测量在压力略低的条件下铁的熔点，并以此为出发点向下推断。但还存在其他的难点，很大原因是由于地核并非纯铁质的，杂质会影响熔点。在纯铁状态下，理论计算得出的内核分界线温度是6500°C，而就地核可能掺杂的杂质多少而言，铁的熔点可能是5100-5500°C。这些数字都在通过金刚石砧和气炮这两种实验估算结果的范围之内。
对穿过内核的地震波进行的研究制造了另一个惊喜。这些地震波从北向南的行进速率似乎要比从东向西快3%-4%；内核表现出各向异性，一种在所有方向上各不相同的结构或晶粒。对此的可能解释是，内核是由很多对齐的铁晶体组成的——甚或是直径逾2000公里的一整块铁晶体！另一种可能是，内核内部的对流与地幔中的完全一样。或许有少量液体被晶粥所捕获。经过计算，与赤道对齐的3%-10%容量的液体平盘即可使内核呈现出科学家们观察到的各向异性现象。
旋转的地核
像整个地球一样，内核也在自转，但自转的方式与地球其他部分并不完全相同。它实际上转得比这个星球的其他部分稍微快一些，在过去30年里，走快了将近十分之一圈。在阿拉斯加探测到了来自南美洲最南端以外南桑威奇群岛的地震，对其地震波的仔细研究显示了上述结果。这是由上文刚刚讨论的内核的南北向各向异性所揭示的。因为内核超前于地球其他部分，该各向异性的结果发生了变化。1995年，堪堪掠过内核外界的地震波抵达阿拉斯加的速度与1967年的速度一样。但1995年地震波穿过内核的速度比1967年快了0.3秒，这表明内核的快速通道轴线每年向定线方向移动大约1.1°。理解了内核为何转得如此之快，我们便可以深入了解在那个强磁场环境里究竟发生了什么。可能的情况是外核中的电流对内核起到了一种磁性拖曳的作用，这与大气层中的射流相似。
到目前为止，整个地核中只有大约4%是冰冻的。但在30亿-40亿年后，整个地核都将凝固，届时，我们也许就会失去磁防护了。
第四章
海洋之下
隐秘的世界