我們人類雖然長期生活在地球表面，但對地球表面形貌的理解依然有限。雖然我們很早就認識了地球的大小、形狀以及陸地和海洋的形態(tài)分布，但我們其實并不知道地球表面的這些地質構造是如何形成和發(fā)展的。下面一個問題就來揭示這個問題所蘊含的科學知識。

地球的表面形貌決定于內部運動

10.地球的內部如何運動? 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，我們人類就在這樣的自然環(huán)境和背景中生存和發(fā)展。一直以來人類對其活動的陸地的分布和形狀總感到好奇，例如為什么亞洲是這個樣子、非洲是那個形狀，而澳洲又是這樣遠離其他大陸，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動分散成現(xiàn)在的樣子，而這個人就是英國著名哲學家培根。

于是人們對地球陸地板塊的拼圖游戲產生了濃厚的興趣，1912年阿爾弗雷德·魏格納正式提出了大陸板塊漂移學說，并在1915年發(fā)表了他的《海陸的起源》一書，書中對陸地板塊漂移作了進一步科學的論證，而這就形成今天所謂的板塊構造學說的基礎。

圖1 地球的板塊拼圖

如今伴隨著板塊構造學說被越來越多的證據(jù)所支持，板塊構造學說也越來越向縱深發(fā)展?，F(xiàn)在的板塊構造學說已經能夠讓人們理解地球上大部分地質結構的形成和發(fā)展，但對它的認識就如同我們認識倫敦英國議會大廈鐘樓上的大本鐘一樣，我們只是看到了鐘面指針的運動，而鐘面下面驅動指針運動的基本驅動系統(tǒng)我們依然知之甚少。對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，這些深層的結構共同組成了驅動那些板塊不斷運動和漂移的動力，地球內部的巖漿層和外層的巖層圈就像不停上下攪動的熱機，它讓不同的大陸板塊在地表彼此移動和沖撞，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部構造驅動的？

圖2 地球的內部結構

談到地球內部的運作方式必然涉及到地球的內部結構?，F(xiàn)今的地球物理學家有一個從以前地球板塊理論學家那里繼承下來的最簡單的圖像：地球的結構就像一個洋蔥（如圖2）。對地球分層結構的認識其實來源于一種非常簡單的觀測：地震波在地球內的傳播。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、透射會帶來地球內部結構的信息。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），地震波信號可以明顯顯示地幔的上下層之間還存在一個二百多公里厚度的過度層。

在后板塊理論時代，地球的洋蔥結構模型繼續(xù)被發(fā)揚光大。而基于此結構的地球內部運作機制的主要圖像是：地表下的670公里處作為一個分界，是地球巖層圈的三層運行機制的核心。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，這種攪動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，從而使得內層的溫度降低，而上部的冷卻板塊則下沉進入深海溝。

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（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為地幔層的上下攪動更像一個深水壺中的開水一樣，進行的是深度的對流攪動，熔巖是從內層地幔的下層自下而上形成巖層的大對流而并非僅在上層地幔中淺表層進行對流。當然簡單地講地球整體就像一個逐漸冷卻的鐵球，表面的殼逐漸冷卻緊縮裂成板塊，內部的高溫液態(tài)部分和表面會形成對流環(huán)，而內部引力和高溫所形成的高壓讓球內的液態(tài)部分通過對流環(huán)裂面沖出球面，而更深的內核則在更高的壓力下成為不能流動的固態(tài)芯。球在逐漸冷卻的過程中不同物質成分會隨溫度和壓力梯度逐漸分層，形成地球的分層結構。

圖3 海洋中脊巖層的運動（下）

人們利用更為先進的地震成像技術，經過40多年對地球內部的不斷探測，越來越認識到地球板塊引擎運行的復雜性，但絲毫也沒有平息人們在這個問題上的激烈爭論?，F(xiàn)在的地震成像分析已經表明地下670公里處的分界可能并不是一個不可逾越的屏障，雖然非常困難，但地質板塊確實可以穿過670公里處的邊界進行流動?，F(xiàn)在分層理論的擁護者已經適時地放棄了他們在1000公里及其以下分層邊界不可穿越的理論。或者他們已經覺得在地球內部的分層中應該存在一種更加具有彈性的半滲透的邊界，其只會限制那些最堅固的巖塊或熱柱的運動。

圖4 地球的內部分層結構（來自網(wǎng)絡）

如今，地震成像研究已經發(fā)現(xiàn)在非洲和太平洋底存在兩個由地幔巖石組成的對流團，這兩團上升的巖柱就像兩個活塞。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動，還是密度更大而不斷下沉，或者僅僅是被動地被周圍的熱流帶動向上運動。薄透鏡形狀的部分融化的巖石團散布在地幔的底部，很像地幔層上升巖柱的底部，當然也可能根本不是。地球化學家研究了來自地幔巖石的元素和同位素，結果顯示地幔中可能存在5個存在了數(shù)十億年類似“熱庫”的巖流團（對流團），它們在地幔中不斷融合攪動。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）

那么我們將如何拆解這越來越顯得復雜的行星熱機并弄清楚它是如何驅動板塊發(fā)生移動的？伴隨著諸多的問題和更大的耐心，地球板塊構造理論的形成已經經過了半個多世紀，對于板塊構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)測儀在整個地球各個位點的分布，地震波成像技術將會繼續(xù)獲得發(fā)展?，F(xiàn)在的地震數(shù)據(jù)已經能夠區(qū)分成溫度和組成所帶來的不同信息，通過這些數(shù)據(jù)科學家們已經能夠給出一個更加豐富的地幔結構圖像。在實驗室里進行實驗的礦物物理學家也已經能夠找到巖石在深層地幔環(huán)境中更多的性質，從而可以用來進一步解讀地震波數(shù)據(jù)中由于缺乏地幔細致結構而不能解讀的數(shù)據(jù)。再加上地球內部運行模型的計算者結合地震學、礦物物理學和地球物理學方面的觀測數(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)值模擬結果。我想40年后一個比較真實的地球內部運動的機制將會呈現(xiàn)在我們面前。（原文RICHARDA.KERR）