我們?nèi)祟愲m然長(zhǎng)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(wèn)題就來(lái)揭示這個(gè)問(wèn)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(lái)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(guó)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(lái)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(guó)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(shuō)，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(shuō)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(shuō)被越來(lái)越多的證據(jù)所支持，板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)也越來(lái)越向縱深發(fā)展?，F(xiàn)在的板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)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(guó)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(lái)的最簡(jiǎn)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(lái)源于一種非常簡(jiǎn)單的觀測(cè)：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(lái)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。地震波向地球深處的傳播過(guò)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(guò)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(guò)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(méi)有跡象表明熱的巖柱能直接穿過(guò)670公里處的屏障或者冷的巖石會(huì)從上部下降穿過(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)40多年對(duì)地球內(nèi)部的不斷探測(cè)，越來(lái)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(méi)有平息人們?cè)谶@個(gè)問(wèn)題上的激烈爭(zhēng)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(guò)670公里處的邊界進(jìn)行流動(dòng)?，F(xiàn)在分層理論的擁護(hù)者已經(jīng)適時(shí)地放棄了他們?cè)?000公里及其以下分層邊界不可穿越的理論?；蛘咚麄円呀?jīng)覺(jué)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(lái)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(wú)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(lái)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(kù)”的巖流團(tuán)（對(duì)流團(tuán)），它們?cè)诘蒯Ｖ胁粩嗳诤蠑噭?dòng)。但是他們并不知道這些深埋在地幔中的“熱庫(kù)”到底隱藏在哪里。
圖5 地球表面的火山帶紅色（來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
那么我們將如何拆解這越來(lái)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(wèn)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(guò)了半個(gè)多世紀(jì)，對(duì)于板塊構(gòu)造的革新者來(lái)說(shuō)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(cè)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?，F(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(lái)的不同信息，通過(guò)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(lái)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(cè)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）
