來自地心的“高鐵”

周小光

自從知道地球確實(shí)分為殼、幔、核三部分以來，人們就一直在尋找進(jìn)入地球深處的方法。法國科幻作家凡爾納在《地心之旅》中設(shè)想人們可以從火山口鉆進(jìn)去，穿透表殼，穿過幔層，最后直抵地球的核部。這一充滿誘惑力的設(shè)想并不具有可行性，因?yàn)榛鹕讲⒎窍窬粯涌梢灾蓖ǖ撞浚鹕降膸r漿房里其實(shí)是熾熱的熔漿，目前的條件下還做不到穿過熔漿繼續(xù)前進(jìn)。

20世紀(jì)50年代以來，人類已經(jīng)向太空發(fā)射了無數(shù)的探測器，但是直到2015年，人類才第一次鉆穿地球的表殼，觸及地幔。人類在地球深鉆方面的進(jìn)展落后于深空探測主要有兩個(gè)原因：一個(gè)是地球深鉆對相關(guān)材料的性能要求很高（比如在高溫高壓條件下不變形），目前技術(shù)條件下難以實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)就是，地球深鉆遠(yuǎn)不如深空探測吸引公眾眼球，所以相關(guān)科研投入和深空探測比起來也就少得多。

那么，除了人類自己打鉆這種直接的方式之外，還有其他手段可以用來了解地球內(nèi)部的情況嗎？地球自己有沒有什么特殊的機(jī)制來溝通地殼、地幔和地核呢？

眾說紛紜的地幔柱

地幔柱是唯一一種有可能溝通地殼、地幔和地核的機(jī)制，而且是一種單向機(jī)制。地幔柱好像是一趟高鐵，它和軌道、列車及其運(yùn)載的貨物為一體，以地核的熱量為動力來源，以貫通地核、地幔和地殼的柱體為軌道，以地幔物質(zhì)為主要貨物，以噴出到地表為目的地。由于具體噴出的地理位置不同會形成不同的巖石：噴出到海洋的主要形成了洋島玄武巖，美國的夏威夷群島就是由一串洋島玄武巖組成的；噴出到大陸就形成了大火成巖省（一種巖漿建造），我國的峨眉山玄武巖就是這種類型。

如圖所示，地幔柱有可能是從高能高熱的地核涌起，穿過地幔，攜帶地幔的物質(zhì)，刺穿表殼，最后把巖漿噴發(fā)出來。這其實(shí)也是一種散熱機(jī)制，高能高熱的地核通過地幔柱這種方式進(jìn)行散熱降溫。

那么人類是怎么知道地幔柱確實(shí)起源于地核呢？

其實(shí)，人們起初只是猜測，而且猜測的結(jié)果五花八門。有的人認(rèn)為地幔柱只存在于地幔的頂部；有的人認(rèn)為地幔柱的根雖然在地核，但是在到達(dá)上地幔頂部的時(shí)候開始分叉，然后噴到地表；也有人認(rèn)為地幔柱直接起源于地核，以極快的噴發(fā)速度穿過地幔，將巖漿噴發(fā)到地表。2015年9月2日，《自然》雜志上發(fā)表的美國加州大學(xué)伯克利分校地球物理學(xué)家芭芭拉·諾曼沃茨和斯科特·法蘭西的研究成果表明，地球上較大規(guī)模的地幔柱都是最后一種類型。這一最新突破被《科學(xué)》雜志遴選為2015年十大科學(xué)進(jìn)展之一，是半個(gè)世紀(jì)以來地球科學(xué)的一個(gè)重大突破。

層析地震成像與地幔柱

在最新的研究中，地幔柱的具體形狀是通過對地震反射波的解析獲得的，這里的地震主要是指大型天然地震。地震主要形成兩種地震波，即速度較慢的橫波和速度較快的縱波。地震波向四面八方傳播，地震波遇到障礙物之后的反射也是全方位的反射。因此，如果在地面上建好地震波接收器，人們就能把從地球內(nèi)部反射回來的地震波的情況記錄下來。通過對全球范圍內(nèi)地震波記錄的解析，人們可以研究地球內(nèi)部的形狀，包括地幔柱的形狀。

面對大量的地震波數(shù)據(jù)記錄，如何從中提取到對理解地幔柱有用的信息是最大的難題。這是因?yàn)椋阂皇窃绞巧畈康姆瓷涞卣鸩ǎ湫盘柧驮饺酰簿驮饺菀妆粡?qiáng)的噪音波掩蓋；二是對于地震波的解析是建立在電腦處理的基礎(chǔ)之上，處理這些大量的地震數(shù)據(jù)需要性能良好的超級計(jì)算機(jī)。芭芭拉和斯科特處理他們研究的地震數(shù)據(jù)所耗費(fèi)的計(jì)算量，相當(dāng)于一臺普通電腦工作300萬個(gè)小時(shí)的工作量。

諸多科學(xué)家認(rèn)為，這一研究成果在很大程度上證明地幔柱確實(shí)直接起源于地核，在地幔柱的上升過程中也沒有因?yàn)樗^的“地幔對流”而發(fā)生大規(guī)模擾動。地幔對流就好像煮開水一樣，熱的開水上升，冷的開水下降，形成一個(gè)循環(huán)。

原來，人們認(rèn)為這種地幔對流是地核散熱的一個(gè)主要方式，現(xiàn)在看來地核也可以通過地幔柱進(jìn)行直接散熱。這些研究成果的另一個(gè)重要價(jià)值就是，地幔柱像高鐵一樣，直接攜帶了大量來自地核和地幔底部的物質(zhì)，并把這些物質(zhì)卸載在地表。將來可以通過更好的手段研究地幔柱噴發(fā)上來的這些物質(zhì)，探尋地核的奧秘。

遙遠(yuǎn)的太空雖然陌生，其實(shí)腳下的地球我們也并不熟悉。如果有機(jī)會去夏威夷旅行，在領(lǐng)略沙灘海風(fēng)之余，何不去看看這些來自地球深處的“高鐵”呢？撿一兩塊兒火山口的石頭回來，說不定里面就有一封“地核來信”。

【責(zé)任編輯】張小萌