一起了解我们生活的地球

大美科学 2019-04-23

　　文/宁远

　　《流浪地球》的热映引发了人们对科技的新一轮关注，对电影中的“硬”科技或赞叹，或质疑，其实人类对宇宙、深空，甚至一直赖以生存的地球认识知之甚少，还需要不断地探索。

　　在逃逸时代，大灾难接踵而至。

　　由于地球发动机产生的加速度及运行轨道的改变，地核中铁镍核心的平衡被扰动，其影响穿过古登堡不连续面，波及地幔，各个大陆地热逸出，火山横行，这对于人类的地下城市是致命的威胁。从第六次变轨周期后，在各大陆的地下城中，岩浆渗入，灾难频繁发生。

　　小说《流浪地球》中对逃逸时代由于地球内部平衡被打乱带来的灾难是如此描述的。短短百余字，岩浆渗入、火山喷发……字里行间渗透着当灾难发生时的紧张气氛。这个大多数人一辈子生存的地球，是被谁引爆了它的暴脾气，我们对它的了解又到了怎样的程度？

　　我们赖以生存的地球

　　人类生活的地球，是一个近似球形的椭球体，赤道半径6378.16千米，极半径是6356.77千米，质量约为59.8万亿亿吨，看似庞大的星体，在浩瀚宇宙中也不过是一颗渺小的行星。

　　地球表面由陆地和海洋构成，其中海洋面积约占总面积的71%，地表形态丰富，有高山、平原、沙漠、河流、冰川、海洋，其中孕育了无尽的生命形态，包括我们人类。

　　相对稳定、安全的宇宙环境，适宜生命的温度、水和大气，使得地球上的生命得以繁荣发展。到目前为止，仍未找到另外一个像地球一样适合生命居住的星球。

　　人类只是生活在地球表面，对地球内部结构了解并不多，随着科技的发展，人们对地球的认识逐渐加深。

　　地震波

　　照亮地球内部的明灯

　　天然大地震产生的地震波，能带来地球深部的信息，逐渐让科学家们理清了地球整体结构。

　　在20世纪初，地震学家在研究一次天然地震时，发现地震波在到达地下一定深度时，传播速度会突然发生改变，判定该深度处的上下物质在成分或状态上有改变。地震波成为少量可以穿透整个地球的信号，地震学家逐渐通过记录和“倾听”来自地球内部振动的声音“地震波”，以此来判断地球内部的结构和状态。

　　1910年，地震学家莫霍洛维奇发现了地壳与地幔的分界面，后来被称为“莫霍洛维奇不连续面”；1914年，德国地震学家古登堡根据地震纵波的“影区”确认了地核的存在，并测定了地幔和地核之间的不连续面，后来称为“古登堡不连续面”。

　　20世纪，人类对球圈层构造及其主要成分和状态的认识逐渐清晰。

　　▲ 地壳内部结构示意，含每个圈层确定时间

　　▲ 地震波及地球的内部结构间

　　地壳是指由岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分，地壳的平均厚度仅有17 千米。

　　地幔是指地壳下面是地球的中间层，厚度约2865千米，主要由致密的造岩物质构成，这是地球内部体积最大、质量最大的一层，分为上、下地幔两层。岩浆便是产生于上地幔和地壳深处，含挥发分的高温粘稠硅酸盐的熔融物质。

　　地核是地球的核心部分，温度高达6000 ℃，半径约有3470千米，主要由铁、镍元素组成，密度大，分为一个液体的外核和固体的内核。

　　▲ 火山岩浆喷发出到地表，

　　顺坡而下，形成为绳状熔岩或火山绳

　　科学家们逐渐探索人工地震制造方式，通过新型的人工震源对地壳结构进行探测。值得一提的是，1995年开始，中国科学院院士、地球物理学家陈颙带领团队开展人工震源的探索，先后尝试了爆破、电火花、落锤、偏心振动源、重载列车行驶产生的震动、变频汽车震源等多种震源，但结果并不理想，经过反复探索，失败、失败、再失败，科学家们找到了最佳震源：水库气枪震源，可通过激发水体运动，再经过水体-固体耦合激发地震波，激发地震波效率高。

　　▲ 陈颙在讲述“地下明灯计划”

　　（图片来源：南京大学新闻网）

　　这项研究被称为“地下明灯计划”，团队将气枪震源系统从海洋移植到了陆地水体，2011年，在云南宾川建成了世界上第一个陆地固定式气枪地震信号发射台。后又于2013年和2015年分别建成了新疆呼图壁和甘肃张掖两个地震信号发射台。此外，团队还研制了移动式和船载式等多种气枪震源系统的技术装备，可适用于大陆上的江河湖泊及近海、水库等水体。

　　▲ 地壳内部结构示意，含每个圈层确定时间

　　这项计划通过地震波“照亮”地球内部来获得数据，数据经过放大、记录和分析后，可以让我们越来越了解地球内部的情况，更能研究地球内部结构变化与地震、火山等灾害发生时间、过程之间的关系。

　　超深钻井：向地球深部进军

　　由“地震波”分析而来的地球内部，毕竟只是一些科学分析，至此也没有人能够看到地球最深部究竟是怎样的，地球内部有什么？甚至有了“地球深处是否有神秘生物存在？”的探索。

　　人类更愿意相信用眼睛所真切看到的。正因为目前无法看到，才引发了人们脑洞大开的无限想象。

　　1958年，美国启动“莫霍计划”，开始进军莫霍不连续面，旨在探测地球地壳和地幔之间的交界面，不久，苏联开始启动相关探测计划，美苏超深钻探竞争由此展开。

　　1970年，苏联在科拉半岛邻近挪威国界的地区进行科拉超深钻井工作，其中最深的一个钻孔达12262米（1983年，该井钻探深度达12000米，最后262米在1983—1993年间完成，官方称因经费不足而停止钻进），至今保持世界最深钻井纪录。

　　此后其他国家不断加入超深钻井角逐，一方面是为了科研目的，一方面是满足石油天然气等资源勘探开发需要。

　　▲ 近距离俯瞰科拉超深钻孔项目地

　　▲ “地壳一号”万米钻机

　　2018年，中国科学家在地球深部的探索迎来历史性突破。由吉林大学主要承担研发的“地壳一号”万米钻机钻出7018 米深的松科二井，创造了亚洲国家大陆科学钻井新纪录，标志着我国成为继俄罗斯和德国之后，世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家。这是地球深部探测专项子项目“深部探测关键仪器装备研制与实验项目”的重要成果，黄大年教授回国后任该项目首席科学家。