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地心到底是什么样的?

作者:佚名    科普来源:不详    点击数:    更新时间:2010-6-10 切换到繁體中文

  我们知道地壳的密度为2.8 克/立方厘米,而整个地球的平均密度为5.5 克/立方厘米,因此我们马上就能推测出地球一定有一部分的密度高于5.5 克/立方厘米。

  对于这个问题我们有多种想法,但有一点我们是很清楚的,即这仅仅是我们的推断。在实验室里测试一个普通尺寸的球体,其所受的万有引力小到可以忽略不计。但对于地球来说,其巨大的引力作用则可以将地球上的一切物质牢牢吸住。如果我们假设地球全部是由岩石组成的,那么地层深处一定会被外层的重量压碎。这种强大的力量能压缩地球内部并将所有的质量全都集中到一个很小的容积当中,所以较深地层的密度自然比外层密度要大。这个问题好像就这样迎刃而解了。

  但事实并非如此。人们曾经试图在岩石上加足够大的压力,然后通过测出所加的压力的数值计算出岩石内部密度增加的数值。但人们最终发现,地球外部所有地层重量不可能把地球内部压缩到平均为5.5 克/立方厘米大小的密度。

  因此我们只能得出这样的结论:地球不全是由坚硬的岩石构成的。地球深处一定存在密度比岩石密度高得多的物质。那么这些物质是什么?我们怎样才能想办法去了解它们呢?迄今为止,我们所钻到的最深的油井有9.6 公里深,而这个值仅是地球直径的1/670。

  难道人类真的没有办法对地心有所了解吗?实际并不是这样的。地震使地球表面遭到严重的破坏,人们通过对地震的观测偶然发现,由于各种形式的波从地心传出,从而使地球表面产生剧烈的晃动。其中有一种波的传播方式类似于池塘中涟漪的水纹,另一种波类似于声波在空气中的传播方式。实际上,在地震过程中,与声波具有相同性质的波被称为“初波”或“P 波”;另一种与在水中传播方式性质相同的波我们称之为“次波”或“S 波”。

  这些波从最源头产生,经过相当长的传播距离,穿过地球内部并最终作用在地球表面上。1855 年意大利物理学家路支·派勒米瑞发明了第一台研究这些波的简易仪器——地震仪。在以后的几年中,地震仪迅速得到了改进。到了19 世纪90 年代,英国工程师约翰·米尔恩在世界各地安装了一系列的地震仪。如今已有500 多个精确的地震仪分布在世界各地。

  通过地震仪,我们能知道地震波在何时何地出现。科学家们能指出地震波穿过地球内部结构的路径。如果地球各处物质的特性相同,则这些波将以固定的速度沿直线传播。然而,由于地球的密度随深度的增加而增加,部分区域由于受挤压而压缩,波的传播路径呈现出曲线。从这些曲线的特征来看,科学家们就能得出地球内不同深度区密度的数值。如果同一深度的曲线走向发生急剧转向,则说明这一地层不是由于被挤压,而是由于密度的突然改变导致该地层的化学结构发生了变化。


地球结构示意图

  通过对地震波的分析研究,我们把地球结构划分为三部分。最外面的地层叫“地壳”,是由我们所熟悉的岩石组成的。而大约在地下32 公里处(平均来讲)地层结构发生了明显变化。这个变化首先被克罗地亚地理学家安卓亚·莫霍间于1909 年时探测到了。所以被称为“莫霍间断层”或简称“莫霍断层”。地壳下面是“地幔”,这部分也是由岩石组成的。一方面是由于“地幔”岩石被压挤,另一方面是由于“地幔”的组成物质本身的密度较大,所以“地幔”层岩石的密度比“地壳”层岩石的密度要大。但“地幔”密度的增大并不足以成为解释整个地球密度高的原因。

  1914 年,德国地理学家本诺·古腾堡第一次证明了在地下2900 公里的深处,地震波再一次发生明显的转向这一事实。地心的密度完全可以用来解释地球密度高的现象。由于注意到“P 波”能通过地心而“S 波”不具备这一能力,所以科学家们推断出了地心的结构。由于“S 波”不能通过液体传播,而“P 波”能通过液体传播,所以这恰恰说明了地心是由
液体组成的(地球的“地壳”、“地幔”、“地心”之间的关系与鸡蛋中“蛋壳”、“蛋清”、“蛋黄”的关系是一样的,而且仅在一些点上是相同的)。

  那么下一个要解决的问题就是要确定地心是由什么物质组成的。因为地心一定是由密度比岩石大而熔点比岩石低的物质组成的。所以通常会认为地心是由不同的金属组成的。因此,我们可设想地球有一个由液体金属构成的地心。那么到底是哪种金属呢?

实际上,在地震资料能够对地球内部结构很好地作出解释之前就已经给出了一个可能性的答案。偶尔会有陨石坠落在地球表面上(我将在后面部分进行详细说明),它们的主要成分是由岩石构成的,而且通常含有10%左右的金属物质。陨石中一般含有铁并总会伴有相关金属镍,它们含量比例为9∶1。

法国地理学家盖布瑞德·奥古斯都·道布瑞早在1886 年就提出这样一个设想,即地心是由镍铁混合物组成的。这种结论看来很有道理,所以现在科学家们假定地心是由90%的铁和10%的镍组成的。然而关于地心的组成成分还存在着意见分歧,其中有一种理论认为地心是由氧或硫化物或者是它们的混合物组成的。所以,“地心到底是由什么物质组成的”,这还是一个有待于我们进一步研究和探讨的课题。

 

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