我們?nèi)祟愲m然長期生活在地球表面，但對(duì)地球表面形貌的理解依然有限。雖然我們很早就認(rèn)識(shí)了地球的大小、形狀以及陸地和海洋的形態(tài)分布，但我們其實(shí)并不知道地球表面的這些地質(zhì)構(gòu)造是如何形成和發(fā)展的。下面一個(gè)問題就來揭示這個(gè)問題所蘊(yùn)含的科學(xué)知識(shí)。
地球的表面形貌決定于內(nèi)部運(yùn)動(dòng)
10.地球的內(nèi)部如何運(yùn)動(dòng)? How Does Earth’s Interior Work？
地球表面被陸地、海洋，河流山川、植被等所覆蓋，我們?nèi)祟惥驮谶@樣的自然環(huán)境和背景中生存和發(fā)展。一直以來人類對(duì)其活動(dòng)的陸地的分布和形狀總感到好奇，例如為什么亞洲是這個(gè)樣子、非洲是那個(gè)形狀，而澳洲又是這樣遠(yuǎn)離其他大陸，這些陸地的形狀和分布到底是怎么形成的？1620年英國有一個(gè)聰明的腦袋正看著世界地圖發(fā)呆，忽然他發(fā)現(xiàn)非洲板塊缺口的那個(gè)地方剛好可以被美洲填上（圖1左圖），于是他興奮地猜想地球的大陸原來可能是連在一起的整塊，隨著歲月這些板塊運(yùn)動(dòng)分散成現(xiàn)在的樣子，而這個(gè)人就是英國著名哲學(xué)家培根。
于是人們對(duì)地球陸地板塊的拼圖游戲產(chǎn)生了濃厚的興趣，1912年阿爾弗雷德·魏格納正式提出了大陸板塊漂移學(xué)說，并在1915年發(fā)表了他的《海陸的起源》一書，書中對(duì)陸地板塊漂移作了進(jìn)一步科學(xué)的論證，而這就形成今天所謂的板塊構(gòu)造學(xué)說的基礎(chǔ)。
圖1 地球的板塊拼圖
如今伴隨著板塊構(gòu)造學(xué)說被越來越多的證據(jù)所支持，板塊構(gòu)造學(xué)說也越來越向縱深發(fā)展?，F(xiàn)在的板塊構(gòu)造學(xué)說已經(jīng)能夠讓人們理解地球上大部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，但對(duì)它的認(rèn)識(shí)就如同我們認(rèn)識(shí)倫敦英國議會(huì)大廈鐘樓上的大本鐘一樣，我們只是看到了鐘面指針的運(yùn)動(dòng)，而鐘面下面驅(qū)動(dòng)指針運(yùn)動(dòng)的基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)我們依然知之甚少。對(duì)地球表面的板塊而言，它下面還存在著另外6300多公里厚的巖層、巖漿和鐵鎳的核心，這些深層的結(jié)構(gòu)共同組成了驅(qū)動(dòng)那些板塊不斷運(yùn)動(dòng)和漂移的動(dòng)力，地球內(nèi)部的巖漿層和外層的巖層圈就像不停上下攪動(dòng)的熱機(jī)，它讓不同的大陸板塊在地表彼此移動(dòng)和沖撞，這就像種表表盤上的指針一樣。但是地球表面的板塊到底是怎樣被內(nèi)部構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的？
圖2 地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
談到地球內(nèi)部的運(yùn)作方式必然涉及到地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)今的地球物理學(xué)家有一個(gè)從以前地球板塊理論學(xué)家那里繼承下來的最簡單的圖像：地球的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)洋蔥（如圖2）。對(duì)地球分層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)其實(shí)來源于一種非常簡單的觀測：地震波在地球內(nèi)的傳播。地震波就像給地球做的超聲CT一樣，地震波在殼層中的反射、透射會(huì)帶來地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。地震波向地球深處的傳播過程所反饋的信息表明在地表的板塊下面存在著一個(gè)2800公里厚的固態(tài)巖石地幔層，其下面則是3740公里熔融的外地核層和固態(tài)的鐵芯內(nèi)核層。而地幔層在670公里處又分為上下兩層（上地幔層和下地幔層），地震波信號(hào)可以明顯顯示地幔的上下層之間還存在一個(gè)二百多公里厚度的過度層。
在后板塊理論時(shí)代，地球的洋蔥結(jié)構(gòu)模型繼續(xù)被發(fā)揚(yáng)光大。而基于此結(jié)構(gòu)的地球內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制的主要圖像是：地表下的670公里處作為一個(gè)分界，是地球巖層圈的三層運(yùn)行機(jī)制的核心。在670公里分界面以上，地幔就像淺水壺里的開水一樣慢慢地上下攪動(dòng)，這種攪動(dòng)把熱量和巖石通過大洋中脊（大洋中脊是形成于水下鏈接在一起的山脈系，圖3上圖是一段大洋山脊的示意圖）不斷傳送到上部形成新的巖石層，從而使得內(nèi)層的溫度降低，而上部的冷卻板塊則下沉進(jìn)入深海溝。
圖3 大洋中脊片段（上）
這樣從670公里的地幔層上部會(huì)有一股股熱的熔巖柱沖出地表形成像夏威夷火山一樣的火山熱點(diǎn)（圖3下）。但是還沒有跡象表明熱的巖柱能直接穿過670公里處的屏障或者冷的巖石會(huì)從上部下降穿過670處分界到下層地幔層。但另一方面也有人認(rèn)為地幔層的上下攪動(dòng)更像一個(gè)深水壺中的開水一樣，進(jìn)行的是深度的對(duì)流攪動(dòng)，熔巖是從內(nèi)層地幔的下層自下而上形成巖層的大對(duì)流而并非僅在上層地幔中淺表層進(jìn)行對(duì)流。當(dāng)然簡單地講地球整體就像一個(gè)逐漸冷卻的鐵球，表面的殼逐漸冷卻緊縮裂成板塊，內(nèi)部的高溫液態(tài)部分和表面會(huì)形成對(duì)流環(huán)，而內(nèi)部引力和高溫所形成的高壓讓球內(nèi)的液態(tài)部分通過對(duì)流環(huán)裂面沖出球面，而更深的內(nèi)核則在更高的壓力下成為不能流動(dòng)的固態(tài)芯。球在逐漸冷卻的過程中不同物質(zhì)成分會(huì)隨溫度和壓力梯度逐漸分層，形成地球的分層結(jié)構(gòu)。
圖3 海洋中脊巖層的運(yùn)動(dòng)（下）
人們利用更為先進(jìn)的地震成像技術(shù)，經(jīng)過40多年對(duì)地球內(nèi)部的不斷探測，越來越認(rèn)識(shí)到地球板塊引擎運(yùn)行的復(fù)雜性，但絲毫也沒有平息人們在這個(gè)問題上的激烈爭論?，F(xiàn)在的地震成像分析已經(jīng)表明地下670公里處的分界可能并不是一個(gè)不可逾越的屏障，雖然非常困難，但地質(zhì)板塊確實(shí)可以穿過670公里處的邊界進(jìn)行流動(dòng)。現(xiàn)在分層理論的擁護(hù)者已經(jīng)適時(shí)地放棄了他們在1000公里及其以下分層邊界不可穿越的理論?；蛘咚麄円呀?jīng)覺得在地球內(nèi)部的分層中應(yīng)該存在一種更加具有彈性的半滲透的邊界，其只會(huì)限制那些最堅(jiān)固的巖塊或熱柱的運(yùn)動(dòng)。
圖4 地球的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)（來自網(wǎng)絡(luò)）
如今，地震成像研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在非洲和太平洋底存在兩個(gè)由地幔巖石組成的對(duì)流團(tuán)，這兩團(tuán)上升的巖柱就像兩個(gè)活塞。研究人員還無法確定它們是否比地幔平均的巖層熱，由于自身的密度小而向上運(yùn)動(dòng)，還是密度更大而不斷下沉，或者僅僅是被動(dòng)地被周圍的熱流帶動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)。薄透鏡形狀的部分融化的巖石團(tuán)散布在地幔的底部，很像地幔層上升巖柱的底部，當(dāng)然也可能根本不是。地球化學(xué)家研究了來自地幔巖石的元素和同位素，結(jié)果顯示地幔中可能存在5個(gè)存在了數(shù)十億年類似“熱庫”的巖流團(tuán)（對(duì)流團(tuán)），它們在地幔中不斷融合攪動(dòng)。但是他們并不知道這些深埋在地幔中的“熱庫”到底隱藏在哪里。
圖5 地球表面的火山帶紅色（來自網(wǎng)絡(luò)）
那么我們將如何拆解這越來越顯得復(fù)雜的行星熱機(jī)并弄清楚它是如何驅(qū)動(dòng)板塊發(fā)生移動(dòng)的？伴隨著諸多的問題和更大的耐心，地球板塊構(gòu)造理論的形成已經(jīng)經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)，對(duì)于板塊構(gòu)造的革新者來說必須更加深入地了解海床以下所發(fā)生的事情。
隨著更好的地震監(jiān)測儀在整個(gè)地球各個(gè)位點(diǎn)的分布，地震波成像技術(shù)將會(huì)繼續(xù)獲得發(fā)展。現(xiàn)在的地震數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠區(qū)分成溫度和組成所帶來的不同信息，通過這些數(shù)據(jù)科學(xué)家們已經(jīng)能夠給出一個(gè)更加豐富的地幔結(jié)構(gòu)圖像。在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的礦物物理學(xué)家也已經(jīng)能夠找到巖石在深層地幔環(huán)境中更多的性質(zhì)，從而可以用來進(jìn)一步解讀地震波數(shù)據(jù)中由于缺乏地幔細(xì)致結(jié)構(gòu)而不能解讀的數(shù)據(jù)。再加上地球內(nèi)部運(yùn)行模型的計(jì)算者結(jié)合地震學(xué)、礦物物理學(xué)和地球物理學(xué)方面的觀測數(shù)據(jù)（比如地球重力的變化數(shù)據(jù)）可以給出更加可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。我想40年后一個(gè)比較真實(shí)的地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的機(jī)制將會(huì)呈現(xiàn)在我們面前。（原文RICHARDA.KERR）
