“地心”之旅：從科幻到現實

黃金生

地球是空心的嗎？

千百年來，我們一直對腳下的未知世界迷惑不已，相關傳說也層出不窮。

古希臘哲學家柏拉圖就描繪了一個神秘古老的大西洲，居住其上的亞特蘭蒂斯人預感到一場災難將徹底毀滅他們的文明，于是，事先開鑿了兩條通往非洲和美洲的地下長廊。當大西洲沉入海底時，他們通過這兩條通道進行疏散，而其中一些人就一直生活在地心之中。

17世紀，一些著名學者如開普勒、伽利略等人已經為現代天文學奠定了基礎，但對于地球內部的認識，卻依然停留在中世紀的神話和想象中。

迄今關于地下世界的描述，影響最為廣泛的應該是科幻小說《地心游記》。這部小說首次出版于1864年，是法國科幻作家儒勒·凡爾納的經典之作。在他的筆端，勇敢的探險家來到地球深處，遭遇火山爆發、巖漿飛濺，還看到了巨大的“地下海”以及各式各樣的奇異生物……

這些對地心的想象，都認為存在著一個與地上世界不同的地下世界。而與之相對應的，就是地球“空心說”。

地球空心說認為，如果地球內部全部由實體物質構成，那么它的重量應該會比現在大得多。造成這種結果不外乎有兩種情況：空心或者多孔。

不過，這種說法早就被證偽。1799年，英國科學家卡文·迪什應用萬有引力定律，測出地球的平均密度為水的5.48倍，超過巖石的密度，他還提出，這個密度隨著深度的增加而增加，地球中心的密度最大。

卡文·迪什的實驗和理論，后來被許多人的重復測定所證實，并取得更精確的數據。現代測定的地球平均密度為5.517克/立方厘米，上部巖石圈的平均密度為2.65 克/立方厘米。如果地心是空的，地球的平均密度怎能高于巖石的密度呢？

給地球做“CT”

17 世紀，英國科學家羅伯特·胡克就設想過挖掘一條穿過地核的隧道作為新的旅行方式，并致函牛頓進行討論。但到了今天，人類進入太空乃至登陸月球都不再是夢想，“入地”卻依然顯得有點遙遠，其主要障礙就在于“高溫” 和“高壓”。

一般估計，地幔與地核界面的溫度約在3700℃，內核溫度約在4000℃至4500℃之間。地球內部的壓強也隨著深度增加而增大。地球從表面到核心，愈往深處去，壓在單位面積上的物質就愈多，因而壓力就愈大。在地殼下面大約有900萬百帕（9000個大氣壓），到地球中心則達到36億百帕。

因此，在地球內部，我們設想應該是一個高溫、高壓的環境;就物質形態而言，應該是熔融狀態。但是，強大的壓力使它們大部分仍然是固體的狀態，同時具有一定的可塑性，可以慢慢流動。

迄今為止，人類對地球內部的探索研究，一種形式是做“CT”。科學家在地上制造的地震波會沿地下傳播，而當地震波碰到不同地質體時就會反射回來，儀器接收到反射信號，經過處理以后得到圖像。由于不同深度和巖石性質反射的波是不同的，通過分析反射，科學家就能大體判斷地球深部的構造。

1909年，南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇在一次大地震中，首先記錄到震波在地下43～44公里處傳播速度突然降低。顯然，在這個深度以下，地球內部的物質組成、物理和化學性質發生了變化。人們把這個交界面稱為“莫霍”面。

1914年，美國地球物理學家古登堡又測出地下2898公里處，縱波速度突然降低，橫波完全消失了，顯然，地球更深的內部結構又發生了重大變化，人們把這個交界面稱為“古登堡”面。后來，人們根據這兩個面，把地球分為地殼、地幔和地核三個圈層。

莫霍面以上是地殼，它的厚度有15～70公里。莫霍面和古登堡面之間是地幔，它的厚度有2850多公里。古登堡面以下至地心是地核，半徑約有3450公里，分為內核和外核兩部分。

目前，人們對地核的認識還不清楚。大多數地學家這樣猜測：外核可能具有液態性質;內核溫度很高，密度很大，可能是由鐵鎳等元素組成。但由于技術條件所限，目前人類對地心結構、物質構成的論斷大多還只是猜測，很少能拿到第一手的實物樣本。

“地質學上的登月”

經由CT獲取的認知，畢竟仍然是間接的。隨著科學技術的發展，國際社會開始紛紛建造伸入地球內部的“望遠鏡”，即開展大陸科學鉆探工程。但就當前的實際科技水平來說，人類至今還只是鉆進地殼，尚未進入地幔圈層中。

地殼是地球最外面薄薄的一層，而從地殼層較薄的大洋（平均厚度5～7公里）鉆探，比從大陸地殼（平均厚度12～17公里）鉆探要容易得多。因此，20世紀中期美國科學家倡議，利用深海鉆探在地殼最薄的地方打穿莫霍面，以研究地球的年齡、地幔的物質組成和內部作用，這就是“莫霍計劃”。

1968年，美國使用深海鉆探船“格羅瑪·挑戰者號”開始深海鉆探計劃，該計劃完成鉆探站位624個，實際鉆井逾千口，回收巖芯9.5萬多米。最深海底鉆井達1741米。

不過，在冷戰背景下開展的“莫霍計劃”后來由于資金缺乏而被迫中斷。2012年7月，美國、日本和德國的科學家們打算繼續中斷的莫霍鉆探，重新開啟地下之旅，這就是“新莫霍計劃”。科學家們準備花費10億美元和10多年的時間來做這個工程。

雖然資金需求大、技術難度仍然非常高，但科學家們認為這些投入非常值得。如果能夠抵達莫霍面，人類可以加深對地幔的認識。

地幔是地球內部體積、質量最大的地質層，而且它涉及地球本身的演化和起源問題，但我們對地幔的了解卻很少，原因就是我們無法獲得純凈的地幔巖石樣品。一件原始純凈的地幔樣品將會是一個珍貴的寶物，就像阿波羅計劃帶回的月球巖石一樣。所以科學家又將該計劃稱為“地質學上的登月”。

不過，這個計劃也引起了很多地質學家的擔憂，因為鉆探點選擇在地殼厚度最薄的地方，這里同時也是地震以及火山活動最為活躍的區域，如果有什么沒有預料到的因素存在，鉆探可能會引發一系列的災難，板塊之間的摩擦有可能會驟然減小，以此引發的人工地震或許會造成比2004 年印度洋海嘯更具破壞力的巨大波浪。

超深鉆井的發現

與大洋鉆探相比，大陸科學鉆探起步要晚一些。在俄羅斯科拉半島上，至今還遺留著一個廢棄的科學研究工作站。在冷戰期間，蘇聯科學家在那里鉆了一個目前世界上最深的科研鉆井——深達12262米的“科拉超深鉆井”。

科拉半島位于蘇聯西北端，大部分處于北極圈內。蘇聯之所以把超深鉆定位這里，是因為科拉半島上地層古老，具有鮮明的地質意義。鉆探于1970年開始。直到7000米深鉆井過程都相對平穩，但隨著深度加深，鉆探過程變得復雜起來。

因為隨著向地心掘進，必須維持鉆井的垂直度和穩定性。而且，在幾千米的地下深處，所遭遇的巖層非常堅硬，即便是特殊材質的鉆頭也要經常更換，每向下鉆探一米，都要付出沉重的代價。

到1983年，該井的鉆探深度已經達到了12000米，而最后的262米花了整整十年。盡管沒有完成預期的15000米鉆進目標，但12000米的科拉超深鉆本身就是人類的一項壯舉，它的深度保持了20年領先紀錄，直到2008年才被卡塔爾的一口石油鉆井打破（注：阿肖辛油井12289米）。不過，迄今為止，世界上超過8000米的科研鉆井，仍只有科拉超深鉆井與德國的KTB鉆井（9101米）。

21世紀初，由于財政困難及缺乏國家支持，“科拉超深鉆井”項目被決定徹底關閉。

這口井不僅深度創造了世界紀錄，而且有許多有價值的發現。據悉，通過對地下深層地幔、地殼變化規律的研究，推翻了許多原來無法證實的推論。如發現地層7公里以下全是花崗巖，從而否定了以往科學家們認為7公里以下是液體巖石的推論;首次在1000米以下深度發現了金礦。地熱資源方面，發現地下12公里處溫度高達2300℃，越往下溫度越高;在深處還發現含有大量的天然氣。研究還發現，科拉半島地下巖芯的成分與月球土壤的成分極其相近。

（張甫卿摘自《國家人文歷史》2018年第15期）