地球构造：理解演变过程，地核占一半空间，含铁化学反应沉入地心

了解地球的构造有助于理解它的演变过程。地质学家的明显劣势在于无法像天文学家观察宇宙一样直接看到地球的内部，但是，测震学帮助他们了解了地球内部的很多情况。地震发生时会释放出地震波，随后这种波动会向地球表层及内层各处传播开去。地震波的传播范围覆盖全球，利用全球分布的地震计网络就可以追踪到它们的行踪。地震波的传播速度取决于它们穿过的岩石的密度，因此只要测得地震波到达不同地方的时间，就有可能计算出地球内部不同深度的岩石的密度。

地球由一系列不同圈层构成，各圈层间的密度各不相同（图9-3）。地球的最外层是一层薄薄的地壳，地壳下面是密度比它大的地幔岩，地幔岩占了地球总体积的绝大部分。地壳岩和地幔岩的成分和密度一般相同，例如，地幔岩的镁含量比地壳岩高，而地壳岩的硅含量又比地幔岩高。地幔岩下方是一个致密的地核，它占据了地球一半直径的空间，质量将近地球总质量的30%。虽然地质学家还没有得到任何直接的地心样本，但是可以肯定，地心的密度非常大，且铁和其他金属占了90%，只有10%是较轻的元素。

从另一个角度我们也可以说，地球的中心是一个铁核。一些元素如金、铂和铱对铁具有很强的化学亲和力。研究发现，这些亲铁元素在地壳岩和地幔岩中的含量比预期的要少，看来它们是在和地球中的大量铁发生化学反应后沉入了地心。实际上，模拟地球内部深处环境状况的实验表明，地壳和地幔中亲铁元素的实际含量甚至超出了理论水平。如果地心形成后地球又增加了一些质量，那么这个差异就说得过去。这个“后增薄层”大约共占地球质量的0.5%，地表岩石中发现的大部分亲铁元素都是它带来的。

地核很可能是随着地球的形成而不断发展的。形成地核需要大量热量，只有当天体的大部分处于熔融状态时，铁和其他密度大的物质才能从岩石中分离并沉入地心。在第5章中我提到，铁陨石所来自的小行星的内核，很可能是由于短寿命同位素（如铝-26）释放出热能导致其熔化而形成的。但等到地球发展成为一个大行星胚胎时，大部分短寿命同位素都已经完全衰变，且衰变释放出的热量也已经大大减少了。但很多情况下，行星胚胎之间碰撞产生的热量也足以造成天体熔融，促成内核和地幔岩的形成。与其他行星胚胎的撞击也促进了地核的成长，因为每次行星胚胎撞向地球时，它们重重的内核都会嵌入地球，穿过地幔和地核结合在一起。

图9-3　地球的内部构造

通过放射性同位素计年法我们知道了地核的大致形成时间，它也揭示了地球演化到今天所用的时间。半衰期长达900万年左右的短寿命同位素铪-182，在放射性同位素计年法中有着相当出色的表现。铪是一种亲石元素，常见于行星的地幔岩中，而它的子同位素——钨-182是一种亲铁元素，更倾向于和铁结合沉入熔融的行星内核。今天，地球的地幔中含有超量的钨-182，说明在所有铪-182衰变完前，地球和地核就已经开始形成。而月球则没有钨-182超量的情况，因此月球极有可能是在太阳系形成后的至少6000万年才形成的，接近地球成长后期。月球的形成过程我们会在下一章里详细阐述。

地球的铁核一般被认为包括两层。外核集中了地球形成时释放出的大量热量，因此外核的温度非常高，能使铁熔化。外核以内是内核，来自上面圈层的巨大压力将内核里的铁挤压成了高温固态。随着时间的推移，地球的内部逐渐冷却，固态的内核开始扩大，而外核开始变小。大部分热量都以对流的方式逃走，对流是指液态核中温度高、密度低的部分向上升并释放出热量，在密度变大之后又下降的过程。地核里的液态金属的流动产生了电流，强大的电流又形成了一个大磁场，这个过程叫作“发电机效应”。地球的自转会使不同的对流流体趋于同向，磁场出现简单的南北向结构，大致方向与行星的自转轴一致。今天，地球磁场在保护大气免受太阳释放出的能量粒子侵蚀方面扮演着重要的作用。(www.xing528.com)

通常我们认为地球是由海洋组成的，水和冰其实只占据地球总质量的0.02%。而就算只有这么多，我们也应该知足了。地球很可能是在太阳星云一个温度很高的区域形成的，在这一区域，水冰根本不可能保持稳定。星子和行星胚胎要想获得水，一定是以水蒸气的形式获得的。近来的计算结果表明，即便是在太阳星云内部这样的高温环境下，水蒸气分子也会和尘埃粒子聚在一起，因此这些尘埃粒子所组成的星子（至少是在刚形成的时候）都相当湿润，只不过，这些水分很可能很快就再次流失。前面提到，放射性同位素衰变和碰撞产生的热量会使星子和行星胚胎的温度升高，从而使水和其他挥发性物质挥发成气体，而星子微弱的引力不足以留住气体，所以气体最终逃逸到了太空。

因此可以推断，大部分位于太阳星云内部的星子含水量都很少，这一猜测从母体为曾被高温加热过的小行星的陨石的干燥特性那里得到了印证。然而，在远离太阳的地方，低温使水凝结成冰。水冰是小行星带外部及更远地方的星子和行星胚胎的主要成分。它们的水分有些由于受到辐射热量的加热而逃逸。但许多碳质球粒陨石富含水这一特征告诉我们，太阳星云低温区的星子都还保留着一定量的水分。

看来，地球上的水有可能来自离太阳较远的含水星子和行星胚胎。处于失控和寡头式生长阶段的行星胚胎会清空掉其附近的几乎所有星子，所以，太阳星云不同区域间发生交换的物质应该不多。寡头式生长结束后，所有物质都已改变。此时，星子和行星胚胎已经形成了极其扁长的轨道，它们在太阳系中的活动范围也更大了。巨行星木星和土星成形后，它们的引力使太阳系其他天体的轨道发生了改变，进一步扰乱了整个太阳系。

一些来自太阳系低温区的含有大量水分的星子和行星胚胎在向太阳移动的过程中，不可避免会撞到还没成形的地球。碰撞产生的能量会使撞击天体里的水分外溢，一些逃逸到了太空，更多的则很快就被当时处于部分熔融状态的地球地幔岩给吸收了。这些碰撞大多数是在地球的快速成长期发生的，那时地核和地幔还没有完全分开，离地球形成一层薄薄的富含亲铁元素的圈层也还有一定时间。随后，经过几百万年的时间，地球逐渐冷却，地幔中的水蒸气和其他蒸发性物质慢慢地以火山喷发的形式流失，并形成了大气层。最终，温度下降使水蒸气凝结并汇聚成为地球上的海洋。海洋中的水对地球生命的出现和生存起到了关键作用，这点我们会留到第11章再详细阐述。

今天，我们可以根据密度将地球划分为几个圈层，也可以根据岩石的状态进行划分。地球的最外层是岩石圈，由地壳和上地幔构成。地球坚硬的岩石圈由几个板块组成，每块跟一个大洲差不多大。岩石圈下方的地幔呈固态，但并非完全坚硬不动，而是像黏稠的糖浆一样，它们已经在地底下蠕动几百万年了。地幔深处的热能使岩石熔化形成了岩浆柱，岩浆柱深入周围密度较大的岩石，一直延伸到岩石圈底部。在这里，岩浆柱向周边蔓延并冷却，释放出地球内部圈层的热量。

有些板块岩石的密度会比底下地幔的密度大。出现这种情况的板块会下沉或“俯冲”到地幔深处，并将温度较低的物质一同带进地球内部。因此，地球的表面无时无刻不在经历着破坏，不断被海底和其他地方的新地壳代替。板块活动会重塑和移动大陆，其能量都来自从地球内部逃出的热量。随着时间推移，大型的板块构造以及风和水的作用大大改变了地球的外貌，严重改变了地球的早期地貌。