“无论是你还是任何其他人都不知道在地球内部究竟在发生着什么事情。”这是居尔斯·沃恩1864年的幻想小说《在地球中心旅行》中的一句话。当时，人们对此是无所争议的。沃恩的幻想驱使着三个探险者对地球的内奥进行了早期的探索，他们从死火山口处入手在88哩的深度上对地壳层进行了勘查。结果，他们并没有找到熔融物质，却发现了一个海兽曾居住过的巨大的地下海洋。

和沃恩一样，人们对脚下这个神奇的球体深感疑惑。20世纪初，随着地震科学体系的形成，地球的奥秘开始被人类揭开。20世纪末，出现了人们熟悉的葱皮图——有外层地壳，中心地核和中间地幔层的地球结构图。实际上，地球的真正构成要复杂得多。加里福尼亚工学院地学教授托马斯 · 阿林司说，地球内况要比我们的目前所知复杂得多。葱皮分析技术的精度可达到99%，但其1%的误差着实令人惊讶。

最近几年，地学家们用超大型计算机处理地震数据山，对1%的错配进行了大量研究。令科学家们感到意外的有：地核地幔界处有高耸的山脊和幽深的堑谷，熔渣形成的逆大陆和逆海洋，暴风铁倾降在地核表面，地幔内一片剧烈的喧嚣骚动。科学家们在实验室里对地球内层极其恶劣的环境进行模拟研究后认为，地核的温度可能比太阳表面的温度还要高。

在很长时间里，人们一直认为，地球内部不同物质的岩层相互交叠，在外壳层处是稳定静止的。早在14世纪，中国学者陈叔晓就曾对地核结构进行了深入的研究。他认为，地下有一层被网栅式的断裂带隔开的岩石层，层内充满着液态物质。对地球构造最富有想象力的断论应首推1680-1690年间在伦敦出版的《地球之神圣推说》—书，作者瑟玛丝 · 伯尼特设想，地球是一种由密度不同的多种粒子的均匀不规则混合体，经多年的自我分类后，这些粒子最终形成三个层次：密度最小的薄壳层，密度较大的液体层和密度最大的地核层。

1940年，地震仪绘图技术建立了一个合理的地层分类标准：地表层、地幔层（又分为上层、过渡层和下层）和地深层。地深层又叫地核，其大小和火星差不多，占地球直径的55%左右。地核可分为熔铁和熔镍组成的液体外层和固体金属球（和月球体积相近）。

那么，地学研究是如何阐明这一不可见的深渊内情的呢？

尽管有的地震起源于地幔层，但大部分地震是由地表层所导致的，支撑着地表大陆的地壳板层在热塑的地幔上浮游，在中海脊处外延使岩浆得以从其下部涌出。到1970年，经过20年的激烈考争后，平板地球结构学作为一种理论被人们接受了。为有关研究提供了大量地球壳体特性的综合，如火山活动，山体形成，大陆滑移、海底延伸和地震等。

地震时所产生的巨大能量中的一部分是以波的形式向外传播的，传播方式基本有两种，一种是压力波，它基本上是声波。沿传播线纵向形成一系列的压缩和伸张。压力波的传播速度与介质有关。介质密度越大，波度越高。震波在不同密度材料的界面上将发生反射或折射。

从震源发出的第二种波是剪波（Shear Waves）。剪波在垂直于传播方向的方向上左右摆动，只在固体介质中传播，其传播速度约为压力波的2/3左右。

强度达到里氏4.5级时，地震将产生强烈的冲击波，即使在远离震中的地方，冲击波也足以使地震仪上的记录笔启动工作。震波在反射或折射处改变方向，地球物理学家们可利用这一特性对地球内部结构进行研究。

印度地质勘测界首席人物理查德 · 粤德海姆是涉足此域研究最早的科学家。他在研究了1897年阿萨姆邦大地震和意大利的地震记录资料后，在1899年首先提出了剪波理论。1906年粤德海姆根据剪波传播速度低的事实指出，地球中心的某种物质对其传播有阻制作用。

1909年，南斯拉夫物理学家莫豪维西克在分析了当年克罗地区大地震的震波曲线后提出，波的传播速度高说明这些波是在密度比地壳层大的物质中传播的。我们称之为地幔。为了纪念这一重要发现，地壳和地幔的交界面被命名为莫豪维西克间断面。1925年澳大利亚物理学家康米德研究了1923年多恩地震数据提出新观点之前，地球物理学家们一直认为地幔是分为上层和下层的。

1926年，英国的杰傅里斯发现，地核并不仅仅使剪波波速降低，而是使之为零。完全阻止剪波的传播，使之在地球的另一面形成波阴影。于是，他得出了这样一个结论：在地表层2900公里以下，有一个液态核体，一个液态金属的海洋。

地学家们在研究地球结构中引用了先进的CAT扫描技术。 Caltech地震实验室一位叫克里声的研究人员说：“我们正集中进行P波（即压力波）在地幔中传播的研究。我们已经建立了一个标准地球模型和P波在该模型中的传播模型。然后，把那些误差反馈到原波中。这样，当发生地震时就可以用接收器综合设备记录了。在积累了足够的数据后，便可以绘制地幔图了。”

如此复杂的工作没有电子计算机是无法进行的，用地震层析X射线摄影技术对全世界约3000个地震观测站的成千上万个地震记录数据进行了深入的研究（克利顿的地幔研究应用了25000次地震资料）。在每次信号过程期间，即一个压力被信号到达单体地震仪的时段内，计算机必须处理几十万个数据。

用层析X射线摄影技术对地球做切片研究后，地学家们揭示了从地壳到地核即整个地球的各种特性。

即使是人们熟悉的地壳层，也是相当复杂的。探测地壳的震波是地球构理学家们引爆炸药或用机械振动的方法产生的。

主要难解之处仍然是地壳中部存在的“亮点”，这些亮点对声波的反射率很高。从而可显示出熔岩或液带的存在。最新研究表明，上层地壳的分类也是相当复杂的。在有的旧山脉下，局部下层地壳和上层地幔相熔会。多数地区极快撞击而形成山脉。到目前已有十几个国家至少有3万公里的观察记累线。

透视观测表明，地幔的变化很大，例如，地幔物质的组成并不像原图像的那样均匀。300°C温差对应的声速也不相局。科学家们对这些现象做的解释是：物质的温度越低，密度就越大，声速就越高。实际上，地幔层就像放在火炉上的汤锅一样，地幔被对流体搅浑了。地幔是由固态岩石形成的，它只不过是在足够大的温差作用下微缓慢的流动而已。

由Caltech研究人员和哈佛大学地球与行星科学系教授武德豪斯等人共同完成的层析X射线图表明，当温度较低的物质从地幔上部下沉时，有一种温度较高的物质形成的热泡从地核地幔界面向上浮升。

武德豪斯说，1983年以前，人类对地幔的了解还很少。尽管在哪些点上地幔速度快，哪些点上的速度慢等问题上还存在着实质性的差异，我们在1983年就开始研究地幔波，并开始绘制地幔图了。从地幔图上，我们可以分辨出地幔洋中的山脊因温度较高而浮升较慢，地幔大陆的温度较低而浮升较快。

目前，地学界在关于地幔中的对流对地极块运动影响机理的讨论颇为热烈。沸煮着地壳的对流体可以延伸到地核吗？在大约700公里的深度上地震断裂带会阻止对流吗？地震学研究工作的继续将逐一解决此类问题。

克利顿说，研究发现，地幔的最热点在非洲下部的核幔边界。实际上，整个非洲下部的地幔温度普遍偏高，非洲大地好像坐落在一个火炉上。

对离子层图像的研究说明，液体外核没有一个平滑缓和的表面，而是布满了凹谷和凸山，凸凹度大约在5 ~ 10公里之间。地幔中的浮升和下沉对地核的表面形状有一定的影响。

Caltech的地学家们通过层析X光射线摄影图在澳大利亚、在南美洲的太平洋海岸下部的核幔界面处找到了山脉。已有的推断认为，这些地域的温度较高，地幔中正在浮升的物质有拉地核向上的趋势。在西南太平洋、东印度洋及南部欧洲的下面有凹谷存在，这些地域的温度较低，密度较大，地幔物质将下沉到地核之中。

令人感到富有神奇色彩的是核幔边界，地学家们命名其为D界。其特性和厚度达2900公里的地壳层相似。有人说，D层可能是沉积到核幔边界的老海层，也可能是地幔物质和地核金属的混合层。

如果地核表面存在着坠谷和高山，在与之对应的地幔下面必然会有相应的山和谷，地质物趣学家们给这些复杂的形象命名为“逆山”“逆大陆”，“逆海”等，他们认为，在液形外核处或有强烈的暴风铁。

这些稀奇古怪的观点，有一部分是根据哈佛大学学者大卫文斯克的发现推出的。在平行于地轴的南北向上，地震波在固体内核中的传播速度比较快。这一特性叫震波传播各向异性。

结晶体是各向异性的，因为晶体中的原子是沿特定的轴线排列而不是自由生长的。那么，外核中熔融铁合金是以什么样的形式结晶的呢？一般，在金属熔点以上温度上再加热不会出现对称结晶组织。

Caltech的地学解安德逊认为、液核含有部分浆体，因为这些浆体具有类晶体的某些特性，故呈各向异性。

安德逊认为，在核极地区，铁粒子不断地析出形成铁屑雨。当这些铁粒子进入高温区时又被熔化。

地核地幔边界及地核内的奇异特性引起了人们对地球两大特性的激烈讨论，这两大特性是地磁场与不对称转动问题。多年来，人们一直认为地球的磁场是液态金属地核的复杂运动所产生的发电机效应而形成的，至少是这一效应所维持的。但在磁场为什么周期性地自行颠转这个问题上仍存在着较大的分歧。什么原因使地球磁场偏转呢？核幔界面上的撞击，地核金属的蒸发冷凝循环和结晶体特性等一系列新的发现必将形成一种关于地磁的新理论。

另一个尚未结论的问题是，地球的转动为什么是蠕动而不是平滑连续的。“长昼”问题是克利顿等人的主要研究课题之一。60年代中期以来，他们一直对白昼时间进行观测统计。以每十年的统计数字为一组进行处理分析后发现，白昼时间的变化范围在5毫秒之内。如果我们把地核看作可以在地幔内自动转动的质体，边界忧动就可以把它们联为一体。因此，地核内液体的流动及边界扰动方向的不同会改变地球的转动速度。克利顿等人最初认为，在地下山和地下谷中，熔态金属前后摆动所产生的力矩是造成地球蠕动的原因。

科学家们早就知道，地核内的铁承受着大约3.5千兆巴的巨大碾压力，相当于大气压的350万倍，为了研究这种极高压的作用，科学家们在实验室里进行了极其危险的实验。

Caltech的一个研究人员说，实验用了3个长106呎重达35吨的特大型气枪，靠炸药爆炸获得高压。气枪是用塑料与钽制的撞针引爆的。在百万分之一秒的瞬间，爆炸产生的压力和地核压力差不多。四色光学热温计可以根据冲击波产生的辐射光测定其瞬时温度。

在加州大学，津劳兹领导的研究组织进行了一次与上述不同的静压实验法。他们在激光加热了的金刚石砧块上压入一块纯度极高的铁箔。所谓金刚石砧块只不过是一种钳子，其钳口是平的，用优质金刚石材料制成的。静压实验方法也可以获得模拟实验需要的温度和压力。

上述两种实验方法的结论数据很相近。1987年4月的不列颠《自然》学刊发表的论文宣布，据实验数据推算，地球中心温度约6900°K，比人们预想的高出近一倍，比太阳表面的温度至少要高出1000°K左右。这—结果表明，固核与液核界面的温度在6600左右，地核地授界面温度在4800左右。

这一推断使地球物理学家们深感不解。根据地球向大气层散发的热量算出的地核温度，要比这些数字低得多。安林斯说，从地表温度向内推算，地核地幔界温在3000 ~ 3500之间，与上述结果相差1500左右。可以这样理解，在地幔附近可能有一个隔热层限制了地核热量向外层传导。

安林斯认为，难以定论的问题是地球散发到大气中的热量究竟有多少。他说，我们已接收到许多来自地核的信号，其中有一部分还没有破译。但是总有一天，人类会彻底揭开地球之谜的。

[Popular Science，1988年11月］