給地球做“B超”

馬志飛

在法國小說家儒勒·凡爾納所著的《地心歷險記》中，三位主人公按照古人所寫的一封密碼信的指引，在冰島找到一個火山口，并沿著火山熔巖的通道深入地下，成功到達了地心。在那里，他們不僅發現了一個巨大的海洋，還發現了海岸邊生長著的體型巨大的植物，甚至看見了古人類的遺骸。歷經千辛萬苦之后，他們又遭遇到地下火山噴發，最后被火山強大的氣流噴回地面。此時，他們才驚訝地發現自己竟然正身處幾千千米之外的意大利。奇妙的探險故事給很多人留下了深刻印象。這個故事也曾多次被搬上電影銀幕，其中包括2008年美國人執導的3D版同名電影，想必很多人都看過。

地心世界真的有那么奇妙嗎？我們究竟該怎樣了解腳下的地球呢？

地球究竟是個什么球

現在，大家幾乎都知道，地球分為三個圈層，分別是地殼、地幔和地核。46億年前原始地球形成以后，它內部的物質就開始發生變化。在重力的作用下，一些較重的物質開始慢慢向地心下沉形成地核；另外一些較輕的物質逐漸上浮，組成了地幔；地幔的表層慢慢散熱冷卻，變成了堅硬的地殼。

但是，近年來隨著科學家的不斷深入研究，人們又有了更多新的發現。有人認為，地球應該稱之為“水球”才對，因為在它的表面，有71%的地方都被水覆蓋著。從太空眺望地球，它是一個美麗的藍色星球。不僅如此，地球內部還蘊藏著大量的水分。2014年6月12日，美國科學家發布了一條消息稱：我們的地球內部可能存在一片海洋，且它的水量幾乎相當于如今地表海洋水總量的3倍。

在礦物之中，水有多種存在形式：以機械吸附方式呈水分子狀態存在于礦物表面或內部的，被稱為吸附水；以水分子的形式參加礦物晶格的構成并占據一定的構造位置的，被稱為結晶水；以OH-等離子形式參加礦物晶格的構成的，被稱為結構水。這次科學家所發現的地下水就是結晶水，它在地球深處高溫環境中變成水分子形式，然后被“綁定”在地下一種巖石的礦物分子結構中。倘若到了一定的深度和溫度環境中，這種巖石會發生熔融，那時水分子才會釋放出來。單單從巨大的含水量來說，地球深處真稱得上是“隱藏的海洋”。

還有一種學說認為，地球是一個“實心的大氣球”，因為地球內部存在大量的氣體，而且經常向外排放氣體。隨著深度的增加，氣體量也越來越大。氣體噴出最常見、最典型的時刻就是火山噴發。當火山爆發的時候，伴隨著巨大的聲響，強大的沖擊力會將無數的巖石碎塊、火山灰等固體物質射向高空，遮天蔽日，而這種強勁的力量就是來自于地球內部的氣體。

我們腳下的這片土地究竟是地球、水球還是氣球？這問題似乎有點讓我們摸不著頭腦了，畢竟我們是站在地表推測地球深處的情況，都是間接的數據分析和思考。

如何了解地球內部

如果問大家，地球上最大的單晶體是什么？你應該會想，這一定是珍藏在某個博物館中的礦物晶體，可事實上，吉尼斯世界紀錄中公布的數據竟然是這樣的：這塊單晶體幾乎全部由鐵組成，直徑大約是2442千米，溫度高達5000～6000℃，而且還保持著固體狀態。這就是地球的內核。之所以它在這么高的溫度下還能保持固態，主要是由于地球深處巨大的壓力。相比之下，地球的外核雖然和內核的成分基本一樣，但由于沒有足夠的壓力，因而還是保持著液態。

可問題在于，幾千千米之下的地核，我們根本不可能用肉眼看到，那怎么研究它呢？目前，我們了解地下情況的主要方法是鉆探，通過鉆孔取出巖芯后再加以研究。然而，鉆得越深，施工難度就越大，成本也就越高。世界上曾有的最深鉆孔，是1970年蘇聯進行科學鉆探時的一口鉆井取得的，它位于俄羅斯西北部邊境的科拉半島，鉆孔深度達到12262米。可是，這個深度還不及地球半徑的1/500。雖然后來這個鉆孔深度紀錄被兩次打破，但都未能突破13千米。所以，僅僅依靠鉆孔了解地下情況顯然是不行的。到目前為止，人們關于地球內部的知識，主要都是來自于對地震波的研究。

經歷過地震的人應該會有這樣的感受：當地震發生時，通常是先感覺到上下顛簸，然后再感到前后或左右搖晃。這是因為當地震發生時，釋放的彈性波包括縱波和橫波兩種形式，而縱波速度快于橫波，所以從地球深處傳上來的首先是縱波（也就是上下抖動），然后才是橫波（讓我們前后左右搖晃）。縱波傳播時，質點的振動方向與波的傳播方向一致，一疏一密相間出現，就像被壓縮的彈簧彈開時一樣。橫波傳播時，介質質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直。舉個例子，假如你拿一根繩子，然后用手抓繩子的一頭沿水平方向抖動繩子，一個個的橫波就會從繩子的一頭傳向另一頭。它們之間最主要的區別在于，縱波可以通過固體、液體和氣體傳播，而橫波只能通過固體傳播。同時，縱波比橫波的傳播速度快，在大多數巖石中，縱波的傳播速度為橫波速度的1.7倍。

1909年10月，歐洲的巴爾干半島發生了嚴重的地震，克羅地亞一位名叫莫霍洛維奇的地球物理學家仔細研究了那次地震。他發現在地下大約33千米的地方，地震波的傳播速度發生了明顯的變化，縱波和橫波都突然增大，這種變化不是連續的，而是一種突變。于是，莫霍洛維奇認為地球內部是分層的，在地下存在一個界面，界面上下之間的物質成分和密度明顯不同。后來，隨著研究的不斷深入，人們發現這一界面具有全球性，不僅陸地上有，海洋里也有。后人為了紀念莫霍洛維奇的這一偉大貢獻，將這個界面稱為“莫霍面”，并將這個界面之上稱為地殼，界面之下稱為地幔。

根據同樣的原理，1914年，另外一位著名的地震學家古登堡發現，從莫霍面往下，地震波速一直慢慢增大，但到了2900千米深處，縱波速度驟然下降，橫波突然中止消失，不再向下傳播。很顯然，這里又出現了一個分界面。后人為了紀念古登堡的這一偉大發現，將這個界面稱為“古登堡面”。它是地核與地幔的分界層，上部是地幔，下部就是地核。

隨著研究的不斷深入，人們逐漸認識到，地球的內核分為兩部分，即外核與內核。其中，從地下2900～5000千米深處，叫做外核，接近于液體，為鐵、硅、鎳組成的熔融體；5000千米以下的深部為內核，呈現出固態特征。

倘若能夠透視地球

很遺憾，我們對于地球內部的了解依然停留在推測和假說階段，地質學家多么想親眼看到地球的內部。倘若我們的地球能像玻璃一樣透明，那地下的一切情況豈不是一目了然，那許多的地質難題豈不迎刃而解！

2011年年初，在江蘇省政協十屆四次會議期間，有位委員提出了一個令人耳目一新的提案：在江蘇省境內實施“透視地球工程”。該提案提出，要通過收集整理江蘇全省的地質、城市地上地下工程建設、地震監測、環境保護、地下文物等數據資料，建立一個多參數、多信息、動態的、地下透明可見的三維地球模型。對于重要成礦地帶可以按照1：10000的比例建立，深度范圍是地表1000米以內或更深。而對于城市和重要經濟區則可以做到1：5000或者更高，深度以地下500米為限。

試想，如果這一工程真的實現了，那將會為以后的工程建設提供多大的便利！只要我們能清楚地了解地下的實際情況，無論是礦產資源的勘探，還是地質災害的預測，都將不再是難題。但是，如何才能實現這一目標呢？

首先，這要借助于三維地質。顧名思義，三維地質就是指我們采用先進的計算機技術，實現地質資料的三維可視化，就如同我們能夠“透視”地下情況一樣，這將為地質資料的查詢提供極大便利。以首都北京為例，如果您有機會來到北京市地質礦產勘查開發局（簡稱北京市地勘局）的信息大廳，只須按要求在電腦上輸入相應的指令，北京市的主要地層、地下構造、地熱、地下水等三維仿真模型即可直觀地展現在眼前。這就是北京市地勘局自2002年開始，歷經7年時間，建立的三維可視化地質信息與服務系統，這在全國乃是首開先河。如果您想知道哪里有地熱和溫泉，哪里賦存著豐富的地下水資源，只需一步步地查詢便可以一清二楚。隨著信息的進一步完善，它將對規劃、國土、環保、水務、市政、建設和農業等多個領域的管理和決策工作產生重要作用。

當然，“三維地質”這個概念往往只是相較于某一個區域而言。若是針對整個國家的國土資源而言，則可以實現“玻璃國土”計劃。若從全球角度來說，建立了三維地質模型也就是真正實現了“玻璃地球”計劃。

我國的“玻璃地球計劃”

就我國而言，要實現“玻璃國土”的目標面臨的困難很大。一方面，我國還未全面實現各地的詳細地質調查。僅就金屬礦而言，我國約一半的陸地都被盆地和各種覆蓋層所掩蓋，這些地方的找礦工作程度很低，甚至是找礦的“處女地”；另一方面，在地球深部資源探測方面，我國已有固體礦產勘探開采的深度大都小于500米，而世界一些礦業大國已達到2500米～4000米，南非計劃開采的深度則達到了6000米。因此，在我國國土上，無論是從勘探范圍還是從勘探深度來說，都仍有大量的工作要做。

2009年6月10日，中國科學院發布了《創新2050：科學技術與中國的未來》系列報告，為我國描繪了面向2050年的科技發展路線圖。報告中提出了一項“中國地下4000米透明計劃”，這項計劃的目的是要解決三大關鍵問題：其一，建立不同尺度的礦床成礦模型；其二，突破深部探測技術，包括鉆探、地球物理勘探和地球化學勘探；其三，建立深部礦床的勘查評價方法及三維可視化模型。簡而言之，就是力爭到2040年，使我國主要區域地下4000米以內變得“透明”，為尋找深部礦產資源提供基礎資料。

那到底怎樣才能讓地球“透明”起來呢？一種主要方法就是地震反射技術，它是一種精度很高的地球物理勘探方法。主要利用人工爆炸、沖擊或其他振動源產生地震波，然后在地表或井中用檢波器將其接收，然后對其進行處理和解釋。經過這一系列的工作，便可以分析判斷地層界面、巖土性質和地質構造等。自上世紀50年代以來，我國已經開展的用于地殼深部探測的反射地震剖面總長不足5000千米，與歐美國家相比差距明顯。這僅僅相當于美國的1/13，俄羅斯的1/5，英國的1/5，意大利的1/2。可喜的是，經過5年的努力，我國地質學家完成了6160千米“穿透地殼”的深反射地震剖面探測工作，長度超過了此前50年完成工作量的總和，總長度達到了1.1萬千米。

2014年4月16-17日，我國第491次香山科學會議學術討論會在北京成功召開。此次會議的主題是“中國‘玻璃地球’建設的核心技術及發展戰略”，來自地球科學戰線的專家學者對我國的“玻璃地球”計劃紛紛獻言獻策。專家們認為，雖然“玻璃地球”的概念已經被提出并成為當前研究的熱點，但是相關的理論和方法尚不成熟，特別是如何以三維圖像的方式呈現“看不見”的地球內部，成為大數據時代地質學家所面臨的焦點和難點。

“玻璃地球”計劃是時代發展的迫切需求，也是未來地球科學研究的方向。我們相信，對地球了解得越深入，我們開發礦產資源的能力也就會越強。同時，我們防御地質災害的能力也越強。