10.地球的内部如何运动?
（How Does Earth's Interior Work？）
（本文来自科学网张林的博客）
地球表面被陆地、海洋，山川河流、植被等所覆盖，它的上面包裹着大气层，我们人类就生存在这样的自然环境和背景中。一直以来，人类对自己活动的陆地的分布和形状总感到好奇：为什么亚洲是这个样子，非洲是那个形状，欧洲、美洲又是另外的形状，而澳洲又远离其它大陆？这些陆地的形状和分布到底是怎么形成的？
1620年，英国有一个聪明的脑袋看世界地图看得发呆，他忽然发现非洲板块缺口的那个地方刚好可以被美洲填上（图1左图），于是他兴奋地猜想地球在历史上的大陆可能是连在一起的整块，随着岁月这些板块运动分散成现在的样子。这个有聪明脑袋的人就是英国著名哲学家培根。培根猜想引起人们对地球陆地板块的拼图游戏产生了浓厚兴趣，到1912年，阿尔弗雷德·魏格纳正式提出了大陆板块漂移学说，他在1915年发表了《海陆的起源》一书，书中对陆地板块漂移作了进一步的科学论证。魏格纳板块漂移说就是今天所谓的板块构造学说的基础。 图1 地球的板块拼图
随着板块构造学说被越来越多的证据所支持，现在的板块构造学说已经能够让人们理解地球上大部分地质结构的形成和发展。但是，对地球的认识还如同我们认识伦敦英国议会大厦钟楼上的大本钟一样，我们只是看到了钟面指针的运动，而对于指针运动的基本驱动系统我们依然知之甚少。就地球表面的板块而言，它下面还存在着另外6300多公里厚的岩层、岩浆和铁镍的核心，这些深层的结构共同组成了驱动板块不断运动和漂移的动力。地球内部的岩浆层和它上面的岩层圈就像不停上下搅动的热机，使得不同的大陆板块在地表彼此移动和冲撞。 图2 地球的内部结构
那么，地球表面的板块到底是怎样被内部构造驱动的呢？
探索地球内部的运作方式必然涉及到地球的内部结构。现今的地球物理学家有一个从以前地球板块理论学家那里继承下来的最简单图像：地球的结构就像一个洋葱（如图2）。地球的这种分层结构背景来源于一种非常简单的观测：地震波在地球内的传播。地震波就像是给地球做超声CT一样，地震波在壳层中的反射、透射会带来地球内部结构的信息。地震波向地球深处的传播过程所反馈的信息表明，在地表的板块下面存在着一个2800公里厚的固态岩石地幔层，其下面则是3740公里熔融的外地核层和固态的铁芯内核层。地幔层在670公里处又分为上下两层（上地幔层和下地幔层），地震波信号可以明显显示地幔的上下层之间还存在一个二百多公里厚度的过度层。
在后板块理论时代，地球的洋葱结构模型被继续挖掘，提出了基于此结构的地球内部运作机制的图像：地表下的670公里处作为一个分界，是地球岩层圈的三层运行机制的核心。在670公里分界面以上，地幔就像浅水壶里的开水一样慢慢地上下搅动，这种搅动把热量和岩石通过大洋中脊（大洋中脊是形成于水下链接在一起的山脉系，图3（上）是一段大洋山脊的示意图）不断传送到上部形成新的岩石层，从而使内层的温度降低；上部的冷却板块则下沉进入深海沟。这样从670公里的地幔层上部会有一股股热的熔岩柱冲出地表形成像夏威夷火山一样的火山点（图3（下））。但是，目前还没有迹象表明热岩柱能直接穿过670公里处的屏障或者冷岩石会从上部下降穿过此分界处到达下地幔层。另一方面，也有人认为地幔层的上下搅动更像一个深水壶中的开水一样，进行的是深度的对流搅动，熔岩是从内层地幔的下层自下而上形成岩层的大对流，并非是仅在上层地幔中浅表层进行对流。
如果简单地讲，地球整体就像一个逐渐冷却的铁球，它在逐渐冷却紧缩的过程中其表壳裂成了板块，内部的高温液态部分和表面会形成对流环，而内部引力和高温所形成的高压让球内的液态部分通过对流环裂面冲向地面，更深的内核则在更高的压力下成为不能流动的固态芯。地球在逐渐冷却的过程中，不同物质成分会随温度和压力梯度逐渐分层，形成地球的分层结构。 图3 大洋中脊片段（上） 图3 海洋中脊岩层的运动（下）
人们利用先进的地震成像技术，经过40多年对地球内部的不断探测，越来越认识到地球板块引擎运行的复杂性。但这丝毫没有平息人们在这个问题上的激烈争论。现在的地震成像分析已经表明地下670公里处的分界可能并不是一个不可逾越的屏障，地质板块确实可以穿过670公里处的边界进行流动。分层理论的拥护者现在已经放弃了在1000公里及其以下分层边界不可穿越的理论，或者他们已经觉得在地球内部的分层中应该存在一种更加具有弹性的半渗透的边界，这个边界只会限制那些最坚固的岩块或热柱的运动。
通过地震成像研究已经发现，在非洲和太平洋底存在两个由地幔岩石组成的对流团，这两团上升的岩柱就像两个活塞。研究人员还无法确定它们是否比地幔岩层的均温要热，是由于自身的密度小而向上运动，还是密度更大而不断下沉，或者仅仅是被动地被周围的热流带动而向上运动；薄透镜形状的部分融化的岩石团散布在地幔的底部，很像地幔层上升岩柱的底部，当然也可能根本不是。地球化学家研究了来自地幔岩石的元素和同位素，结果显示地幔中可能存在5个存在了数十亿年类似“热库”的岩流团（对流团），它们在地幔中不断融合搅动，但他们并不知道这些深埋在地幔中的“热库”到底隐藏在哪里。
那么，我们将如何拆解这越来越显得复杂的行星热机并弄清楚它是如何驱动板块发生移动的？伴随着诸多的问题和更大的耐心，地球板块构造理论在形成并经历了半个多世纪的今天，对于板块构造的革新者来说必须更加深入地了解海床以下所发生的事情。
地震监测仪在整个地球各个位点的分布，地震波成像技术将会继续提高信息数据采集的广度和精度。现在的地震数据已经能够区分温度及其所带来的不同信息，通过这些数据科学家们能够给出一个更加丰富的地幔结构图像。在实验室里进行实验的矿物物理学家也已经能够找到岩石在深层地幔环境中更多的性质，从而可以用来进一步解读地震波数据中由于缺乏地幔细致结构而不能解读的数据。根据地球内部运行模型的计算，结合地震学、矿物物理学和地球物理学方面的观测数据（比如地球重力的变化数据），可以给出更加可靠的数值模拟结果。我们相信，在40年后一个比较真实的地球内部运动的机制将会呈现在我们面前。
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