给地球做“B超”

   法国小说家儒勒·凡尔纳写有一本小说，名为《地心历险记》。书中的三名主人公根据古人所写的一封密码信的指引，在冰岛找到一个火山口，沿着火山熔岩的通道深入地下，成功到达了地心。在这里，它们发现了一个巨大的海洋，而且海岸边还生长体型巨大的植物，甚至还有古人类的遗骸。历经千辛万苦之后，他们又遭遇到火山喷发，最后被火山强大的气流喷出地面，而此时，他们竟然身处几千公里之外的意大利。奇妙的探险故事给很多人留下了深刻印象，也多次被搬上电影荧幕，其中包括2008年美国人执导的3D版同名电影，想必很多人都在电影院看过。

地心里真的是那么奇妙吗？我们就究竟该怎么了解脚下的地球呢？

《地心历险记》电影海报

地球内部是什么？

现在，几乎大家都知道，地球分为三个圈层：地壳、地幔、地核。46亿年前原始地球形成以后，它内部的物质就开始发生变化，在重力的作用下，一些较重的物质开始慢慢向地心下沉形成地核；另外一些较轻的物质逐渐上浮，就组成了地幔；地幔的表层慢慢散热冷却，变成了坚硬的地壳。

但是，近年来随着科学家的不断深入研究，人们又获得了更多新的发现。

有人认为，地球应该称“水球”才对，因为在它的表面71%的地方都被水覆盖着，从太空看地球，它是一个蓝色的美丽星球。不仅如此，地球内部还蕴藏着大量的水分。2014年6月12日，美国科学家发布一条消息：我们的地球内部可能存在一个海洋，而且它的水量几乎相当于如今地表海洋水总量的3倍。当然，这里的水和我们见到的海水、河水、冰川水都不一样，它既不是液态，也不是固体，更不是水蒸气形式的气态。在矿物之中，水的存在形式有多种，可以是机械吸附方式呈水分子状态存在于矿物表面或内部，被称为是吸附水，可以是以水分子的形式参加矿物晶格的构成并占据一定的构造位置，称为结晶水，也可以是以OH^﹣等离子形式参加矿物晶格的构成，这叫做结构水。这次科学家所发现的地下水就是结晶水，它在地下深处高温环境中变成水分子形式，然后“绑定”在地下一种岩石的矿物分子结构中。倘若到了一定的深度和温度环境中，这种岩石会发生熔融，水分子才会释放出来。单单从巨大的含水量来说，这地下深处真称得上是“隐藏的海洋”。

还有种学说认为，地球是一个“实心的大气球”，因为地球内部存在大量的气体，而且经常向外排放气体。随着深度的增大，气体量也越来越大，其中最常见、最典型的例子就是火山喷发。当火山爆发的时候，强大的冲击力会将无数的岩石碎块、火山灰等固体物质射向高空，遮天蔽日，并伴随着巨大的声响，而这种强劲的力量就来自于气体。当地时间2013年3月6日，意大利南部西西里岛上著名的活火山——埃特纳火山再次喷发，过了一段时间之后，火山喷发趋于平静。突然有一天，有人发现这座火山竟然在“吐烟圈”，如同烟民在吸烟时吐出的烟圈一样，直径大约50米的巨大烟圈从火山口中“吐”出，缓缓上升，在蓝天的映照下显得极为壮观，让人惊讶不已。

   我们脚下的这片土地究竟是地球、水球还是气球？似乎有点让我们摸不着头脑了，毕竟我们是站在地表推测地下的情况，都是间接的数据分析和思考。

地球的圈层结构

意大利埃特纳火山喷出的“烟圈”

圆圆的烟圈漂浮在天空中，就像人抽烟的人吐出的烟圈一样。

火山爆发时吐出的烟圈呈圆形，直径达到了数十米。

如何了解地球内部？

如果问大家：地球上最大的单晶体是什么？你应该会想，这一定珍藏在某个博物馆中的矿物晶体，可事实上，吉尼斯世界纪录中公布的数据竟然是这样的：这块单晶体几乎全部由铁组成，直径大约是2442千米，温度高达5000～6000℃，而且还保持着固体状态。这就是地球的内核，之所以在这么高的温度下还能保持固态主要是因为地下深处巨大的压力。相比之下，地球的外核虽然和内核的成分基本一样，但没有足够的压力，所以还是保持着液态。

可是问题在于，几千公里之下的地核，我们根本不可能用肉眼看到，那怎么研究它呢？目前，我们了解地下情况的主要方法是钻探，通过打钻孔取出岩芯然后进行研究。然而，钻得越深，施工难度越大，成本也就越高。世界上曾经最深的钻孔，是1970年前苏联进行科学钻探时的一口钻井，位于俄罗斯西北部边境的科拉半岛，深度达到12262米。可是，这个深度还不足地球半径的1/500。虽然后来这个钻孔深度记录被两次打破，但都未能超过13千米。所以，仅仅依靠钻孔是不行的。到目前为止，关于地球内部的知识，主要都是来自于对地震波的研究。

经历过地震的人应该会有感受：当地震发生时，通常是先感觉到上下颠簸，然后再感到前后或左右摇晃。这是因为当地震发生时，释放的弹性波包括纵波和横波两种形式，而纵波速度快于横波，所以从地下深处传上来的首先是纵波也就是上下抖动，然后才是横波让我们前后左右摇晃。纵波传播时，质点的振动方向与波的传播方向一致，一疏一密相间出现，就像被压缩的弹簧弹开时一样，横波传播时，介质质点的振动方向与波的传播方向互相垂直，举个例子，假如你拿一根绳子，然后你用手抓绳子的这一头沿水平方向抖动绳子，一个个的横波就会从绳子的一头传向另一头。它们之间最主要的区别在于：纵波可以通过固体、液体和气体传播，而横波只能通过固体传播。而且，纵波比横波的传播速度快，在大多数岩石中，纵波的传播速度为横波速度的1.7倍。

1909年10月，欧洲的巴尔干半岛发生了严重的地震，克罗地亚一位名叫莫霍洛维奇的地球物理学家仔细研究了这次地震，他发现在地下大约33千米的地方，地震波的传播速度发生了明显的变化，纵波和横波都突然增大，这种变化不是连续的，而是一种突变。于是，莫霍洛维奇认为地球内部是分层的，在地下存在一个界面，界面上下之间的物质成分和密度明显不同。后来，随着研究的不断深入，人们发现这一界面具有全球性，陆地上有，海洋里也有。后人为了纪念莫霍洛维奇的这一伟大贡献，将这个界面称为“莫霍面”，并将这个界面之上称为地壳，界面之下称为地幔。

根据同样的原理，1914年，另外一位著名的地震学家古登堡发现，从莫霍面往下，地震波速一直慢慢增大，但到了2900千米深处，纵波速度骤然下降，横波突然中止消失，不再向下传播。很显然，这又出现了一个分界面。后人为了纪念古登堡的这一伟大发现，将这个界面称为“古登堡面”，它是地核与地幔的分界层，上部是地幔，下部就是地核。

随着研究的不断深入，人们逐渐认识到，地球的内核分为两部分：外核与内核，其中从2900～5000千米深处，叫做外核，接近于液体，为铁、硅、镍组成的熔融体，5000千米以下的深部为内核，呈现出固态特征。

倘若能够透视地球

很遗憾，我们对于地球内部的了解依然停留在推测和假说阶段，地质学家多么想亲眼看到地球的内部，倘若我们的地球能像玻璃一样透明，那地下的一切情况岂不是一目了然，那许多的地质难题岂不迎刃而解？

2011年年初，在江苏省政协十届四次会议期间，有位委员提出了一个让人耳目一新的提案：在江苏实施“透视地球工程”。该提案是指，要通过收集整理江苏全省的地质、城市地上地下工程建设、地震监测、环境保护、地下文物等数据资料，建立一个多参数、多信息、动态的、地下透明可见的三维地球模型，对于重要成矿地带可以按照1:10000的比例建立，深度范围是地表1000米以内或更深，而对于城市和重要经济则可以做到1:5000或者更高，深度以地下500米为限。

试想，如果这一工程真的实现了，那将会为以后的工程建设提供多大的方便！只要我们能清楚地了解地下的实际情况，无论是矿产资源的勘探，还是地质灾害的预测，都将不再是难题。

但是，如何才能实现这一目标呢？

首先，这要借助于三维地质。顾名思义，三维地质就是指我们采用先进的计算机技术，实现地质资料的三维可视化，就如同时我们能够“透视”地下情况一样，这将为地质资料的查询提供极大方便。以首都北京为例，如果您有机会来到北京市地质矿产勘查开发局（简称北京市地勘局）的信息大厅，只要按要求在电脑上输入相应的指令，北京市的主要地层、地下构造、地热、地下水等三维仿真模型即可直观地展现在眼前。这就是北京市地勘局自2002年开始历经7年时间建立的三维可视化地质信息与服务系统，这在全国乃是首开先河。如果您想知道哪里有断裂、哪里有地热和温泉，哪里赋存着丰富的地下水资源，只需一步步地查询便可以一清二楚，在以后的不断发展中，随着信息的进一步完善，将对规划、国土、环保、水务、市政、建设、农业等多个领域的管理和决策工作产生重要作用。

此后，我国其他城市也相继开展了三维地质调查工作。据2013年7月2日《中国矿业报》报道：自20008年底开始，厦门市就已经对全市1573平方千米的陆域及附近海域实施了城市地质调查工作，历时四年多，取得了多项成果，其中包括建立了厦门地区标准工程地质层、构建了含水岩（组）三维模型、查清了地热资源家底、查明了海岸带地质环境条件和陆域地质灾害的类型及形成原因、调查评价了土壤地球化学环境质量，并在此众多成果的基础上，建立了厦门市三维可视化地质信息管理与服务系统。

当然，说三维地质往往只是对于某一个区域而言，若是针对整个国家的国土资源而言，则可以实现“玻璃国土”，若从全球角度来说，建立了三维地质模型也就是真正实现了“玻璃地球”。

前苏联的科拉超深钻孔，深度超过12公里

地震勘探方法原理示意图

地震勘探方法中的震源车，用于产生地震波

地震勘探方法中的检波器，用于接收传输的地震波

中国的“透明地球计划”

对于我国来说，实现“玻璃国土”面临的困难很大。一方面，我国还未全部实现各地的详细地质调查，仅对金属矿而言，我国约一半的陆地都被盆地和各种覆盖层所掩盖，这些地方的找矿工作程度很低，甚至是找矿的“处女地”；另一方面，在地球深部资源探测方面，中国已有固体矿产勘探开采的深度大都小于500米，而世界一些矿业大国已达到2500米到4000米，南非计划开采的深度则达到了6000米。因此，在我国国土上，无论是从勘探范围还是从勘探深度来讲都仍有大量的工作可做。

2009年6月10日，中国科学院发布了《创新2050：科学技术与中国的未来》系列报告，为我国描绘了面向2050年的科技发展路线图，报告提出了一项“中国地下4000米透明计划”，这项计划的目的是要解决三大关键问题：第一，建立不同尺度的矿床成矿模型；第二突破深部探测技术，包括钻探、地球物理勘探、地球化学勘探；第三，建立深部矿床的勘查评价方法及三维可视化模型。简而言之，就是力争到2040年，使我国主要区域地下4000米以内变得“透明”，为寻找深部矿产资源提供基础资料。

话说起简单，但做起来并不是那么容易，这需要分阶段、分步骤逐渐实施。目前我国已经制定了时间表，并开始运作这项计划。与此同时，我国还启动了旨在提高对地球深部认知能力的“深部探测技术与实验研究专项( 2008～2012)”，由国土资源部组织实施。这项计划是在为全面开展我国地壳探测工程做好关键技术准备，是我国入地计划的“先锋”，包括大陆电磁参数标准网实验研究、地壳全元素探测技术与实验示范等9个项目，总经费超过12亿元。

在这些研究计划中，所采用的一种主要方法就是地震反射技术，它是一种精度很高的地球物理勘探方法，主要利用人工爆炸、冲击或其他振动源产生地震波，然后在地表或井中用检波器将其接收，然后对其进行处理和解释，便可以分析判断地层界面、岩土性质和地质构造等。自上世纪50年代以来，我国已经开展的用于地壳深部探测的反射地震剖面总长不足5000千米，与欧美国家相比，显得十分落后，这仅仅相当美国的1/13，俄罗斯的1/5，英国的1/5，意大利的1/2。可喜的是，经过5年的努力，地质学家们完成了6160千米“穿透地壳”的深反射地震剖面，长度超过了此前50年完成工作量的总和，使其总长度达到了11000公里。

2014年4月16日～17日，我国第491次香山科学会议学术讨论会在北京成功召开，此次会议的主题是“中国‘玻璃地球’建设的核心技术及发展战略”，来自地球科学战线的专家学者对我国的“玻璃地球”计划献言献策。专家们认为，虽然“玻璃地球”的概念已经被提出并成为当前研究的热点，但是，相关的理论和方法尚不成熟，特别是如何以三维图像的方式呈现“看不见”的地球内部，成为大数据时代地质学家们所面临的焦点和难点。

透明地球计划，是时代发展的迫切需求，也是未来地球科学研究的方向，我们相信，对地球了解得越深入，我们开发矿产资源的能力也就会越强，同时，防御地质灾害的能力也越强。（文/马志飞，图片/互联网）