地球形成之初在天空中只是冒着热气的一巨型岩块。小行星不断地撞击它的表面，内部的放射性元素不断地产生着热，这样温度就越来越高。最终，这颗行星大部分处于融熔状态。从远处看去，围绕太阳旋转的这颗行星就像一大滴刚出炉的“铁水”。

从那以后，地球逐渐冷却下来，内部的热也在不断地对外释放。甚至在今天，我们脚下的大地还在继续冷却。这种能量通过“板块构造学”的作用而逐渐释放出来，于是便引起地震和火山爆发，每年因此而死亡的人数成千上万。

尽管知道它在不断地冷却，然而冷却本身仍然是一个谜。20多年来，研究人员通过尝试，想来解释地球冷却的确切过程，然而收效甚微。

不过，这种努力开始有了收获。最近几个研究领域的发现使得研究人员现在集中精力在研究关键性的问题。和计算机模拟与金刚石钳研究不同的是，现在主要集中研究地球内部隐藏的热。

当把它划作最简单的形式时，这种冷却问题就会随着混合物的结构而定。就像一锅正在沸腾的汤，地球释放热也是通过对流作用将热的物质送到表面，冷却后再沉下去。这种对流主要发生在地幔——包围着地核的岩层，占整个地球的83%——里。虽然地幔是固态的，但是由于压力过大，所以深部的岩石实际上能够流动，尽管流速每年不过几厘米。

地球物理学家们基本上都同意以上的观点，但是当谈到深部究竟是怎么回事时就引起了争论。从70年代以来，对流论分成了二大阵营：一种叫团块论，这种观点认为，对流发生于整个地幔。另一种叫分裂论，这种观点称，上地幔和下地幔是分开的，就像一只双层锅，上面的物质和下面的物质不搅合在一起I如果是这样，上地幔就像一块大热毯，把下地幔和地核内溢出的热隔绝开来。

然而，团块论和分裂论可能都是错的，新的发现表明，地球内的对流既不是前者也不是后者，很可能是二者因素都起了作用。

这场争论是30年前开始的智力革命的延续，而当时正是板块构造学说提出之时。这种影响极大的学说认为，地球外壳——岩石圈——碎块之间的移动就像慢速行驶的汽车一样，在两板块相撞之处就会形成大的山脉如喜马拉雅山脉；当一板块向另一板块下面俯冲时，就会形成深海沟如马里亚纳海沟|如果是两板块互相滑过，就会形成像圣安迪斯那样的地震带断层。

板块构造说之所以获得成功，是由于它提供了能够解释地球表面的理智说法，因为地球表面地质学家们能够直接感觉到。但是，这种理论只能解释地表往下100公里，而地球半径达6370公里，对这以下的地球深处仍不清楚。

因此，科学家们在努力探索地球深部。“这新的革命是将板块构造学说引入到第三维上来”，加州大学伯克莱分校的雷蒙德 · 吉恩洛茨（Raymond Jeanloz）说。

由于研究人员不能到达下地幔去测量它的特性，因此，实验地球物理学家如吉恩洛茨把它搬到了实验室里进行研究。他们用的仪器是金刚石砧，这种砖块般大小的仪器可以让研究人员再现地心的高温高压。

为了解决对流争论，吉恩洛茨组挤压了橄榄岩——来自上地幔的岩石。虽然这种岩石一般位于地壳之下，但地质学家们发现，在两板块冲撞处也有这种来自上地慢的岩石。

吉恩洛茨很想得到下地幔的实物来进行研究，但没有人知道那里的物质究竟是什么。下地幔的物质成分可能与上地幔的一样，也可能不一样。

实验时，吉恩洛茨用上地幔的橄榄岩代替了下地幔的实物。这种基本原理的模糊性有点像“灰姑娘的故事”。在那个故事里，如果王子发现有哪位姑娘能穿上他的玻璃鞋，他就认为这就是他要找的公主。在吉恩洛茨这一研究中，如果受挤压的橄榄岩的特征与所期望的下地幔岩石特征相吻合，那么他就会认为下地幔也是这些岩石。

为了知道这种适合的程度，吉恩洛茨用X线衍射法测量了压缩状态下橄榄岩的密度。他知道下地幔物质的密度，因为以前地震学家们已测出了一个数值。

当然，橄榄岩并不是玻璃鞋，甚至强压和高温都不能使二者完全吻合。测量结果，橄榄岩的密度比地震学家们以前的估计值要低3~5%。

伯克莱组首次发现，该结果与几年前所做的橄榄岩块实验不一致。但是他们认为，整块岩石的特征可能与小块岩石的不同。该组最近证实了他们最初的结果，吉恩洛茨在去年12月召开的美国地球物理联合会会议上报告。

华盛顿卡内基学院研究组与东京大学研究组获得了相似的结果，下地幔物质重些，表明下地幔的物质成分与上地幔有点不同。

如果这是对的，那么上地幔与下地幔必然是分开的，也就是说，二种对流也是分开的，吉恩洛茨说，上地幔的物质就不可能沉入到下地幔之中，否则的话，要不了多久这二部分的岩石就会混合均匀了，也就是说，比重就会差不多了。他说。

这么说，分裂论占了上风。

吉恩洛茨承认这些结论可能还会引起争论，因为二者密度仅差百分之几，另外，他还得知一些更新的结果，使得支持化学分层论失去了平衡。“6年前，我们还是孤独地呐喊，”他说，“不管怎样，现在已有几个组参加了进来。这也不是说我们是正确的，但是至少可以说，研究的方向还是对的。”

地震学家们在监听地球内部时听到了不同的声音。这些科学家是通过分析地震之后或者核爆炸之后产生的回声即地震波来研究地幔的。

结果，地震学家们得出，地幔分为二层：上地幔薄些，下地幔厚些，二层分界线位于地下650~670公里之处。

通过更细致的观察，地震学家们能够看出地表板块的边界，它们通过深海沟滑入了地幔，这一过程称为潜没，是地球本身的循环系统——古代岩石回到地幔的一种途径。老的岩石沉下去，让出的空间在板块的边缘又生成了新的岩石。通过把冷的表面岩石带入到热的内部，因此潜没作用帮助了地球内部冷却。

由于地幔存在着天然的分界线，因此地震学家们通常认为，这二部分岩石并没有混合，潜入的板块可能只到达了上地幔的底部并没有进入下地幔。

麻省理工学院的托马斯 · 乔丹（Thomas Jordan）争论道，70年代的地震波测量表明，潜入的板块进入了下地幔，乔丹和他的同事们认为，上地幔与下地幔是混合的，因而挑起了团块论和分裂论之间的争论。乔丹的主要对手是加州技术研究所的唐 · 安德森（Don-Anderson），60年代，他是乔丹的研究生指导老师。

这场争论已进行了20多年，还没有争出个所以然来。但是，通过层面X线摄像术研究得出了潜没的新画面——地震学家们用窥探人体内部的CT扫描法来探测地球内部。

通过分析全球数百万个地震记录，澳大利亚堪培拉国立大学的罗布 · 范德希尔斯特（Robvan der Hilst）已经找到了潜没板块留下的踪迹。日本名古尾大学的吉 · 深尾进行了类似的研究。这些层面X线摄像术能够辨别出沉入的板块，因为这些岩石相当凉，因此地震波在这里的运行速度要慢些。

范德希尔斯特和深尾的研究表明，所有的板块并不是一样的，有的板块到达650公里的界面时停在了上地幔。有的板块则沉入了下地幔。根据这些研究，上地幔和下地幔的界面可能妨碍了板块沉入过程，但是它并不能阻住所有的板块继续向下沉。

奥斯汀得克萨斯大学的斯蒂芬 · 格兰德（Stephen P. Grand）通过使用不同的层面X线摄像术取得了一些相似的结论。通过分析收集到的180次地震记录，他制出了美洲下部地幔的高分辨率图。

格兰德的图支持了团块论，因为从他的图上可看出，在南、北美洲的下部，凉的板块到达了下地幔。实际上，北美下部的一大块岩石一直沉入到地核的顶部，他在发表在《地球物理研究杂志》上的一篇论文中报告。但是，板块滑入下地幔并不是那么容易的。通过恢复板块沉入的过程，格兰德推测，北美下部沉入的一板块到达地幔时速度下降到只有原先的五分之一。“板块到达650公里处遇到了阻碍，但是最终还是穿过了界面慢慢地沉入下地幔”，他说。

在进入下地幔获得支持之前，板块的观点仍在流行，这些研究人员用超级计算机模拟了地球内部。当模拟地幔对流时，这些三维数字模型显示出一些出人意料的情景。

二个模型研究组——一组由帕萨迪纳加州技术研究所的保罗 · 塔克莱（Paul J. Tackley）领导，另一组由日本广岛大学的觉 · 木田领导——最近模拟了沉入板块的行进过程。通过这些实验，研究人员估计，下地幔的主要成分与上地幔的相同，只不过下地幔的岩石结构更紧密些。地质学家们知道，在670公里的深处的确发生了这种变化。

这些模拟由于没有考虑到沉入板块的硬度，因此可信性不大，如果包括了，可信程度就会大大提高。有些研究人员认为，如果模拟更真实些，那么这些刚性的板块就不会在界面停留而是直接进入下地幔。

尽管模拟还存在一些问题，塔克莱认为，这些模拟和地震X层面摄像术的结果还是推动了这一争论。地球物理学家目前掌握的地幔是不混合的，不是一层就是二层，但我认为地幔倒是处于这二者之间的状态。

“本来的争论是地幔对流在一层还是在二层里进行，现在已转移到争论地幔分为几层的问题上来了”，塔克莱说，他看到有些人已转向对面阵营中去了，“甚至过去有些持有极端观点的人也开始寻求和解了”。

然而，有些人并不承认这一点。例如，Caltech（加州技术研究所）的安德森和麻省理工学院的乔丹就说他们的观点并没有改变。

安德森认为，这场争论最近已转向了他长期以来支持的观点——即，地幔是分层的。他说，最近的模拟结果表明，地幔至少在局部地区是分层的，因为沉入的板块到界面时遇到了阻碍。他还认为，如果模拟时包括了上地幔和下地幔的化学成分差异，层理就会更清楚地显现出来。

乔丹获悉这些信息时并不感到意外。他认为，这些新的模型研究与他原来所讲的板块沉入地幔的途径并不矛盾。板块在650公里界面时是否耽搁并不重要，他说，事实上，乔丹、塔克莱和其他专家去年报告，地震记录并没有显示冷的物质在界面上集中的迹象。他还说，那项研究表明，板块在突破进入下地幔之前并没有停留太长的时间。

然而，乔丹指出，地幔分层派依据的是一张根据不足的图表——上地幔和下地幔可能还存在着成分的差异。“所有这些论证都是建立在有利于地幔分层之上，其余人都被丢在一旁，只有吉恩洛茨一人在讨论。支持这一观点的资料都已出版，然而主要部分还需要作出解释。”乔丹说。

显然要作出解答并不是容易的。许多歧异的观点和观察好像是相互矛盾的，然而可能要不了多久就有可能解开地球内部结构之谜，这摆好像先摆向这边，然后又摆向另一边。加州La Jolla的斯克里普斯海洋学研究所的地震学家彼得 · 希里尔（Peter Shearer）说。“我认为要不了多久就会解决这一问题。”

但是，其他科学家认为，这场争论还将继续进行下去。因为，解答对流问题最终就会确定，地球内火还会燃烧多长时间，研究人员已经算出，如果地幔是一体的，那么完全冷却不会超过几十亿年。“如果是多层的对流，地球完全冷却的时间将会延长5~10倍，”吉恩洛茨说，“在地质上，地球仍处在有力、活泼、年轻和兴旺的时期，并且还会持续相当长的一段时间。”

（Science年4月9日）