Deep Dive
Shownotes Transcript
无论你现在在地球上的哪个位置，你的脚下大约有6400公里或4000英里的岩石，位于你与地心之间。所有这些岩石并不相同。地表以下存在着不同层次的岩石，它们具有不同的特性和不同的成分。甚至在地球中心附近还有一层岩石，它甚至不是固体，而是一种液体。我们能够了解地表以下是什么，是科学上最伟大的成就之一。
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从人类的尺度来看，地球是巨大的。我走遍了世界各地，绕地球飞行了几次，但我只触及了地表的表面。尽管我们所制造、所看到和所探索的一切都在地表上，但我们星球的绝大部分都位于我们的脚下。然而，我们无法直接观察到它。
如果你还记得之前的节目，有史以来最深的钻孔是俄罗斯的科拉超深钻孔，它达到了40230英尺或12262米深。苏联人钻这个孔只是为了看看他们能钻多深，并在1989年结束了这个项目。
虽然科拉钻孔确实非常深，但在大的范围内，它微不足道。它甚至没有穿透地壳，只到达地心距离的约十分之二。如果我们从未钻得比这更深，事实上，可能也无法钻得比这更深，那么我们是如何了解地球内部如此之多的呢？
所以在深入探讨地球内部的组成之前，我应该解释一下我们是如何知道这些的。地质学家使用多种技术来拼凑地球内部结构的难题。到目前为止，最重要的工具是地震波。每当世界各地发生地震时，每天至少会发生几次小地震，世界各地地震仪可以测量这些地震产生的地震波，并推断地球内部的情况。
有两种不同类型的地震波穿过地球。第一种是P波。P波，或称纵波，是一种地震波，它沿传播方向压缩和膨胀物质，以最快的速度穿过地球，能够穿过固体、液体和气体。想象一下弹簧玩具，你推它的一端。那就是P波。
另一种波是S波。S波或横波是一种地震波，它使物质垂直于其传播方向移动，产生剪切运动，并且只能在固体中传播。对于弹簧玩具，想象一下你上下移动它以产生类似S形的波浪。那就是S波。P波和S波在穿过不同物质时速度和方向会发生变化。
通过测量地震波到达世界各地地震台站所需的时间，地质学家可以推断出地震波所穿过物质的密度和相位（即它是液体还是固体）。然而，P波和S波的行为并不相同。S波不能穿过液体。因此，S波在一定距离之外消失，揭示了地球内部存在液体的现象。波速的突然变化也可以标志着层面的边界。
随着时间的推移，通过分析穿过地球的数千次地震波，地质学家可以确定这些地震波的记录位置和起源位置，从而创建地球内部各个层次的地图。根据地震震源的角度，地球上存在一些接收不到地震波的阴影区。地震波可以告诉我们地球内部的大致密度和成分，但它们不能告诉我们太多关于其化学成分的信息。
为此，我们必须在实验室中再现地球深处的条件。科学家们利用金刚石压砧和高温炉模拟地球内部的高压、高温条件。通过在极端条件下压缩已知材料，他们观察矿物的行为和转化，这反映了地球内部发生的情况。他们确定了在特定深度应该存在的矿物相，这就是我们如何推断脚下是什么的原因。
我们还可以使用其他线索来推断内部的情况。陨石被认为是早期行星物质的碎片，其成分与地球的构成要素相似。铁陨石表明地球的核心是由什么构成的。石陨石类似于地幔和地壳的成分。地球重力的小变化揭示了地壳和地幔的密度差异。所有这些数据都可以整合在一起，形成关于地球内部的理论。
因此，让我们开始向地心移动，我们将从直接位于我们下方的地层开始，即地壳。地壳是地球最外层的固体层，占地球体积的不到1%。它相对较薄且坚硬，漂浮在更具延展性和可塑性的上地幔上。地壳通常有两种类型：大陆地壳和大洋地壳。大陆地壳的厚度根据位置的不同而变化，大约在30到70公里之间。
大洋地壳的厚度在5到10公里之间，位于海底。两者之间最大的区别在于它们的成分和密度。大陆地壳的平均密度约为每立方厘米2.7克，而大洋地壳的平均密度约为每立方厘米3克。
大陆地壳也古老得多，有些地方已有数十亿年的历史，而大洋地壳则年轻得多，并通过板块构造不断地被循环利用。在大西洋中脊等地区，新的海洋地壳正在形成，而在太平洋沿岸的环太平洋火山带等地区，它则俯冲到较轻的大陆板块之下。地壳之下是地幔。
地幔由几层不同的层组成。地幔约占地球体积的84%，延伸到大约2900公里深。地幔的第一部分是上地幔。岩石圈地幔和软流圈是上地幔的两个关键子层，它从地壳底部延伸到大约660公里深。
岩石圈地幔位于地壳正下方，并与地壳一起构成地球的刚性外壳，称为岩石圈。这一层是固体、相对凉爽且易碎的，并被分成随着时间推移而移动的构造板块。岩石圈之下是软流圈，这是一个延展的、部分熔融的区域，延伸到地表以下约100到250公里。
软流圈是固体岩石，但由于温度和压力较高，它表现出塑性，并且可以在地质时间尺度上缓慢流动。这种流动允许构造板块在其顶部移动，使软流圈成为构造板块和地幔热对流的关键区域。虽然两者都是上地幔的一部分，但岩石圈地幔在机械上是刚性的，而软流圈则较弱且可变形。上地幔之下是过渡带。
过渡带是地球地幔内的一个独特区域，位于地表以下约410到660公里处，由于压力和温度的增加，它标志着矿物结构的重大转变。它不是一个成分边界，而是由地幔矿物晶体结构的变化定义的，特别是上地幔中占主导地位的橄榄石矿物向更致密的形态如瓦兹利石和林伍德石的转变。
橄榄石在地球表面非常罕见，它以宝石的形式更广为人知，称为橄榄石。例如，您可以在夏威夷大岛的火山岩中找到橄榄石的小绿色斑点。瓦兹利石和林伍德石在化学上与橄榄石相同。它们只是在发现它们的压力和温度下具有不同的晶体结构。对于地质学家来说，不同的晶体结构构成不同的相。
这些相变导致密度和地震波速度显着增加，这就是过渡带在地震数据中很容易识别的原因。该区域充当地幔对流的屏障或过滤器，一些羽流和物质能够穿过，而另一些则被困在上方或下方。该区域中含水矿物的存在也表明它可能在地球深部水循环中发挥作用。
下地幔，也称为中间层，从过渡带底部约660公里延伸到地核地幔边界约2890公里深处，使其成为地球内部最厚的一层。与上方的更易变形的软流圈不同，下地幔由致密的固体岩石组成，在长时间尺度上表现为非常缓慢流动的固体。
下地幔的温度从约2000摄氏度上升到3700摄氏度，但由于巨大的压力，岩石仍然是固体。这一层在地幔对流中至关重要，因为它将热量从地球深处传递到地表，驱动板块构造和火山活动。
地震波在下地幔中的传播速度比在上地幔中更快，这表明它的刚性和均匀性，尽管最近的研究表明它可能包含成分层和变化，尤其是在靠近地核时。地幔之下是地核，在这里情况发生了真正的变化。
外核是地球的一个液态层，位于下地幔和内核之间，跨越地表以下约2890到5150公里深处。它主要由熔融铁和镍以及较轻的元素如硫和氧组成，其密度范围约为每立方厘米9.9到12.2克。
外核的温度达到4000摄氏度到6000摄氏度之间，足够热，即使在巨大的压力下也能保持其金属成分的液态。这种液态金属处于持续的对流运动中，由从内核逸出的热量和地球的冷却驱动，这些运动产生电流。这些电流通过称为地磁发电机的一个过程产生地球的磁场。
外核液态状态的最重要证据之一是该区域没有S波。S波不能穿过液体，导致形成明确的地震阴影区。外核不仅在地球动力学中发挥着至关重要的作用，而且还通过其帮助维持的磁场保护地球免受有害的太阳和宇宙辐射的影响。地球内部的最后一部分是内核。
内核是地球坚硬的最内层，从地表以下约5150公里延伸到6371公里。尽管温度极高，估计高达6500摄氏度，但由于上覆层的巨大压力，内核仍然是固体，这阻止了构成它的镍铁合金熔化。
有趣的是，人们认为内核的旋转速度比地球的其他部分略快，并且表现出地震各向异性，这意味着地震波沿某些方向传播速度更快，这表明它具有与地球自转一致的晶体结构。
随着外核冷却和铁结晶到内核中，内核会随着时间的推移缓慢生长。这种凝固过程是维持地球磁场的外核对流的关键驱动力。我想在本期节目结束时，解决一些你可能有的一个主要问题。为什么地球内部如此炎热？有两个主要的热源。第一个是40多亿年前行星形成时残留的热量。
当地球形成时，它经历了许多猛烈的碰撞，产生了大量的热量。一些热量仍然被困在地球内部，因为它需要很长时间才能到达地表。然而，地球内部所有热量的主要来源是放射性衰变。自地球形成以来，放射性同位素一直在缓慢衰变，在此过程中产生的热量大多仍然被困住。
所以，从某种意义上说，地热能只是核能增加了一些步骤。所以，它可能看起来不像那样，但在你的脚下是数千英里的岩石，而地质学家们已经弄清楚了它的运作方式，而无需触摸它甚至看到它。《每日环球》的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是奥斯汀·奥克顿和卡梅伦·基弗。
我要感谢所有在Patreon上支持节目的朋友们。你们的支持使这个播客成为可能。我还想感谢所有活跃在Facebook小组和Discord服务器上的《每日环球》社区成员。如果您想加入讨论，节目说明中提供了这两个链接。和以往一样，如果您留下评论或给我发送boostagram，您也可以在节目中听到它。