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我们不知道答案的125个科学问题(10)地球的内部运动 精选

已有 3978 次阅读 2017-12-11 21:58 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦|关键词:科学问题,地球内部| 科学问题, 地球内部

本系列不仅仅是Science杂志问题的个人翻译,而是试图给出一个答案的可能线索...... 

上接第9个问题:http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1081870.html

   题记:我们人类虽然长期生活在地球表面,但对地球表面形貌的理解依然有限。虽然我们很早就认识了地球的大小、形状以及陆地和海洋的形态分布,但我们其实并不知道地球表面的这些地质构造是如何形成和发展的。下面一个问题就来揭示这个问题所蕴含的科学知识。

10.地球的内部如何运动? How Does Earth's Interior Work

       地球表面被陆地、海洋,河流山川、植被等所覆盖,我们人类就在这样的自然环境和背景中生存和发展。一直以来人类对其活动的陆地的分布和形状总感到好奇,例如为什么亚洲是这个样子、非洲是那个形状,而澳洲又是这样远离其他大陆,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正看着世界地图发呆,忽然他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的大陆原来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,而这个人就是英国著名哲学家培根。于是人们对地球陆地板块的拼图游戏产生了浓厚的兴趣,1912年阿尔弗雷德·魏格纳正式提出了大陆板块漂移学说,并在1915年发表了他的《海陆的起源》一书,书中对陆地板块漂移作了进一步科学的论证,而这就形成今天所谓的板块构造学说的基础。

图1 地球的板块拼图

   如今伴随着板块构造学说被越来越多的证据所支持,板块构造学说也越来越向纵深发展。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,但对它的认识就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,而钟面下面驱动指针运动的基本驱动系统我们依然知之甚少。对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那些板块不断运动和漂移的动力,地球内部的岩浆层和外层的岩层圈就像不停上下搅动的热机,它让不同的大陆板块在地表彼此移动和冲撞,这就像种表表盘上的指针一样。但是地球表面的板块到底是怎样被内部构造驱动的?

图2 地球的内部结构  

   谈到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的图像:地球的结构就像一个洋葱(如图2)。对地球分层结构的认识其实来源于一种非常简单的观测:地震波在地球内的传播。地震波就像给地球做的超声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。而地幔层在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继续被发扬光大。而基于此结构的地球内部运作机制的主要图像是: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上图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,从而使得内层的温度降低,而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热点(图3下)。但是还没有迹象表明热的岩柱能直接穿过670公里处的屏障或者冷的岩石会从上部下降穿过670处分界到下层地幔层。但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而并非仅在上层地幔中浅表层进行对流。当然简单地讲地球整体就像一个逐渐冷却的铁球,表面的壳逐渐冷却紧缩裂成板块,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出球面,而更深的内核则在更高的压力下成为不能流动的固态芯。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

    人们利用更为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,但丝毫也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,虽然非常困难,但地质板块确实可以穿过670公里处的边界进行流动。现在分层理论的拥护者已经适时地放弃了他们在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,其只会限制那些最坚固的岩块或热柱的运动。

   如今,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平均的岩层热,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。但是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,地球板块构造理论的形成已经经过了半个多世纪,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。

   随着更好的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获得发展。现在的地震数据已经能够区分成温度和组成所带来的不同信息,通过这些数据科学家们已经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。再加上地球内部运行模型的计算者结合地震学、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。我想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。

–RICHARDA.KERR



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