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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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给地球做“B超”

2015-04-14 11:12:40


在法国小说家儒勒·凡尔纳所著的《地心历险记》中,三位主人公按照古人所写的一封密码信的指引,在冰岛找到一个火山口,并沿着火山熔岩的通道深入地下,成功到达了地心。在那里,他们不仅发现了一个巨大的海洋,还发现了海岸边生长着的体型巨大的植物,甚至看见了古人类的遗骸。历经千辛万苦之后,他们又遭遇到地下火山喷发,最后被火山强大的气流喷回地面。此时,他们才惊讶地发现自己竟然正身处几千千米之外的意大利。奇妙的探险故事给很多人留下了深刻印象。这个故事也曾多次被搬上电影银幕,其中包括2008 年美国人执导的3D 版同名电影,想必很多人都看过。

地心世界真的有那么奇妙吗?我们究竟该怎样了解脚下的地球呢?

 

地球究竟是个什么球

现在,大家几乎都知道,地球分为三个圈层,分别是地壳、地幔和地核。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,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,人们又有了更多新的发现。有人认为,地球应该称之为“水球”才对,因为在它的表面,有71%的地方都被水覆盖着。从太空眺望地球,它是一个美丽的蓝色星球。不仅如此,地球内部还蕴藏着大量的水分。2014612日,美国科学家发布了一条消息称:我们的地球内部可能存在一片海洋,且它的水量几乎相当于如今地表海洋水总量的3倍。

在矿物之中,水有多种存在形式:以机械吸附方式呈水分子状态存在于矿物表面或内部的,被称为吸附水;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的,被称为结晶水;以OH-等离子形式参加矿物晶格的构成的,被称为结构水。这次科学家所发现的地下水就是结晶水,它在地球深处高温环境中变成水分子形式,然后被“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,那时水分子才会释放出来。单单从巨大的含水量来说,地球深处真称得上是“隐藏的海洋”。

还有一种学说认为,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。随着深度的增加,气体量也越来越大。气体喷出最常见、最典型的时刻就是火山喷发。当火山爆发的时候,伴随着巨大的声响,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,而这种强劲的力量就是来自于地球内部的气体。我们脚下的这片土地究竟是地球、水球还是气球?这问题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球深处的情况,都是间接的数据分析和思考。

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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,这一定是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50006000,而且还保持着固体状态。这就是地球的内核。之所以它在这么高的温度下还能保持固态,主要是由于地球深处巨大的压力。相比之下,地球的外核虽然和内核的成分基本一样,但由于没有足够的压力,因而还是保持着液态。可问题在于,几千千米之下的地核,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,通过钻孔取出岩芯后再加以研究。然而,钻得越深,施工难度就越大,成本也就越高。世界上曾有的最深钻孔,是1970 年苏联进行科学钻探时的一口钻井取得的,它位于俄罗斯西北部边境的科拉半岛,钻孔深度达到12262米。可是,这个深度还不及地球半径的1/500。虽然后来这个钻孔深度纪录被两次打破,但都未能突破13 千米。所以,仅仅依靠钻孔了解地下情况显然是不行的。到目前为止,人们关于地球内部的知识,主要都是来自于对地震波的研究。

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 经历过地震的人应该会有这样的感受: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,所以从地球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,然后用手抓绳子的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。同时,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。

 190910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那次地震。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,不仅陆地上有,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,这里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,即外核与内核。其中,从地下29005000千米深处,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。

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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令人耳目一新的提案:在江苏省境内实施“透视地球工程”。该提案提出,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区则可以做到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便利!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便利。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,只须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。随着信息的进一步完善,它将对规划、国土、环保、水务、市政、建设和农业等多个领域的管理和决策工作产生重要作用。

当然,“三维地质”这个概念往往只是相较于某一个区域而言。若是针对整个国家的国土资源而言,则可以实现“玻璃国土”计划。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”计划。

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我国的“玻璃地球计划”

就我国而言,要实现“玻璃国土”的目标面临的困难很大。一方面,我国还未全面实现各地的详细地质调查。仅就金属矿而言,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,我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2500~4000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说,都仍有大量的工作要做。

2009610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。报告中提出了一项“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:其一,建立不同尺度的矿床成矿模型;其二,突破深部探测技术,包括钻探、地球物理勘探和地球化学勘探;其三,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。那到底怎样才能让地球“ 透明”起来呢?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。经过这一系列的工作,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,与欧美国家相比差距明显。这仅仅相当于美国的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,我国地质学家完成了6160千米“穿透地壳”的深反射地震剖面探测工作,长度超过了此前50年完成工作量的总和,总长度达到了1.1万千米。

2014416-17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”计划纷纷献言献策。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所面临的焦点和难点。“玻璃地球”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,我们防御地质灾害的能力也越强。

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