辛田

　　得益于上世纪中叶地球科学的飞跃变革，人们对地球内部结构的认识，早已
从儒勒·凡尔纳时代那“地心游记”般的神秘，变成了定量而又严谨的圈层划分。
在今天，甚至小学生也能张口道来，地球的结构就像个鸡蛋一般，从外到内依此
由三个圈层构成：有薄薄的地壳，有厚厚的地幔，然后是深埋在最深处的地核。
如果稍微再深入了解一点，能发现地球其实还可以分得更细：比如地壳可以再分
为硅铝质的上地壳和硅镁质的下地壳，地幔可以再分为“二辉橄榄岩”的上地幔
和“我们知之甚少”的下地幔；而地核呢，也可以再分为由液态铁组成的外核和
固态铁组成的内核。这六大圈层是那样经典，以至于在当下时代，完全可以说是
如假包换的科学常识了。

　　然而，你懂的——经典并非是一种一成不变的东西，而常识虽然由科学所铸
造，但也同样是常被科学所摧毁的对象。怨念自己没有生在相对论量子世纪那样
一个天天都能看到科学刷新常识的时代？别担心，今天你就可以体验一把了。美
国伊利诺伊大学和中国南京大学的一个联合科研组近日发现，我们的地核并非仅
仅由外核- 内核这样一个双层结构组成。在内核的尽里头，其实还埋着一个更小
的核心——这个最新成果发布在《自然》子刊《自然－地球科学》（Nature Geoscience）
今年2 月的新一期上。从此刻开始，你就可以大胆地说“最新的科学发现表明，
我们的地核其实是由三层构成的，分别是外核，内核和内内核”了。



　　地球的内核里，还有一个核。图片：Lachina Publishing Services

        地震波——射向地球深部的“目光”

　　可是，科学家是怎么发现地球最深处还有一个更小的“内内核”呢？人类显
然无法直接进入地球深处去看个究竟，甚至，不光人类没法进去，在现有技术手
段下想把仪器扔下去也是天方夜谭。人类至今为止打得最深的科学钻探——科拉
超深钻（Kola Superdeep Borehole ），也只能吸收12千米以下的钙镁铁（取回
了玄武质的岩心——也就是说越过硅铝质上地壳，成功进入硅镁质下地壳了），
但这个深度吧，其实，连大陆壳的一半还没穿过。至于进入地幔、地核？更是想
都别想了！地幔的厚度差不多是地壳的90倍！

　　虽然直接观察是没门儿了，但有一种东西却可以轻易遁入地球最深处取回大
量信息，然后再返回地表的观测者。这种东西就是机械波。由于它传递的不是物
质本身，而是物质振动的状态，因此可以很随意地在各种物质中穿梭来回。大地
的振动自然便是地震波（seismic wave）。鉴于自然地震具有不可预知性，人们
只能通过在地表人工触发地震的方式来主动制造“信使”。之后呢，之后在地表
布设下地震波接收装置，坐等它们从地下反射上来就行了。

　　地震波为什么能反映地下的结构呢？道理很简单，这就跟声音在固体中传播
要比在空气中传播得更快是一个道理——物质的密度不同，机械波在其中传播的
速度也不同。从最简单的地壳、地幔和地核三层划分，到稍微复杂一点的六层划
分，运用的都是这么一个简单的原理。人们从返回的地震波里发现，在某几个特
定深度处，波速发生了明显的不连续骤变。从浅到深，第一个明显的不连续面叫
做莫霍洛维奇不连续面（莫霍面），在大陆下面平均深达35千米，而在大洋下面
处则仅有5-10千米，此面代表地壳与地幔的分野；再向下，到670 千米深度，又
一个不连续面，这个面一般直接称呼为670 千米不连续面（670 km discontinuity），
是上地幔与下地幔的边界。再向下到约2880千米深处，地震波了发生一次最大的
不连续——横波在此彻底消失。由于横波无法在液体里传播，横波的消失便意味
着此处界面下部是一个液态圈层——根据这个被称为“古登堡面”的界面，人们
划分出了地幔与地核的分野。向着地核更深处前进，到约5000千米的地方，横波
又再次出现，表明物相又重新回到了固态，于是，该界面所反映的，自然也就是
液态外核和固态内核的双层划分了。

　　新发现的圈层——地震波的新解释

　　但是吧，上面这些，都是构成你常识的陈年旧话了。在1992年到2012年这最
近的二十年间，全球宽频地震台阵（Global Broadband Seismic Arrays ）积累
起了最新一批的丰富数据。伊利诺伊- 南京大学联合科研组正是通过精细地解释
这浩繁的数据体，从而发现了深埋在地球最深处的新端倪。



　　本研究通讯作者，伊利诺伊大学教授宋晓东。图片：L. Brian Stauffer 我
们自然无法像科学家那样窥探深埋在数据之海中的每一个细节，但其中最本质的
逻辑却是很直观的：波速突变，代表介质密度的突变，而密度的突变，则代表着
物相的突变——是的，地球之所以具有不同圈层结构的最终原因，其实便是不同
密度的物质在重力势的主导下发生行星分异，从而沿重力势排列成球状结构的结
果。

　　物相（Phase ）是对“物理状态均一性”的一种表述，它并不管到底你是不
是同一种化学成分。举个例子：水、冰和水蒸气，虽然成分都是H2O ，但显然这
三者属于不同的相态——液态、固态和气态。其实甚至这样说都有点笼统了——
再举个例子，石墨和金刚石，两者都是碳单质，甚至都是固态，但显然也属于不
同的物相——为什么两种相同化学成分的固相反而不属于同一物相呢？原因很简
单：它们的物理性质之间有着截然不同的差异罢了。要说这种差异的本质，其实
归根结底落到了晶体结构上：狭义的固态便是晶体，而相同成分的固体相态区别，
归根结底，便是所谓的同质多相——也就是不同晶体结构之间的区别了。

　　让我们再回到地核中。我们知道，整个地核都是由铁这种均一的成分所组成
的（好吧其实混有部分镍和其他杂质啦）。传统内- 外核的划分，反映的是液相
和固相的分野。而科学家最新发现内核更内部的不连续反应——则是固态大前提
之下的物性不连续。换句话说，和上面石墨金刚石的情况其实一样，表明在固态
铁核的最深处，晶体结构看样子并非是均一不变的，在固态内核之中，还坐落着
一个在晶体结构上与平常的铁截然不同的内内核。

　　大地之核的极简史

　　说了半天，地核究竟为什么会出现这种物态分层呢？这要从地球的诞生讲起。
科学家们普遍相信，地球，以及其他的行星、小行星，都大致形成于同一个时期
——即46亿年前太阳系刚刚从星云中诞生的太初之刻——冥古宙（Hadean Eon）。
彼时，还没有围绕着太阳精密而规则地旋动着的行星，而是一圈由尘埃、碎屑、
块体组成的，充满着疯狂撞击的原行星盘（protoplanetary disc ）。行星的诞
生，便是这些碎屑物质——星子（planetestimal ）之间剧烈碰撞，不断吸积、
增生的过程。每一次星子的碰撞，都是动能向内能的巨大转换。星子之间大量偶
然的撞击和融合，最终形成质量大到足以自动吸引临近物质的聚集体，这边是今
日行星的最早期雏形——原行星（protoplanet ）了。可想而知，原行星汇聚了
无数“加盟天体”所带来的可观能量，导致其内部的温度高到完全可以维持一个
全球熔融的岩浆之海。岩浆主要由六大元素——氧、硅、铝、铁、钙、镁所组成。
正如一杯水静置时比重大的物质会率先沉入杯底似的，在宇宙中漂浮的这么一大
团液态岩浆里，重的物质自然也会聚集到“杯底”。对于太空中的球体来说，
“杯底”自然便是重力势最低的部位——球心了。六种主量元素里，铁的比重最
大，于是，这团岩浆球中的铁便率先沉入岩浆最深处，沿着平行于球面的重力势，
形成了地球最早的结构——地核。



　　电脑模拟的原行星景象。

　　地核倒是形成了，可它液态外核和固态内核的分层又是怎么来的呢？这与温
度- 压力的综合作用有关。在五六千多米深的地方，温度高到能够轻易达到铁的
融点，在这种温度条件下，足以使铁维持长期的熔融状态，可物质的熔点并不是
一个常数，在不同的压力之下，熔点也有所不同。我们知道，压力越高，物质的
熔沸点就越高（高压锅便是根据这原理为你煮饭的）。现在倒好，我们的那坨铁
被扔进了全地球压力最大的地方——它的“肩上”承受着的是整个地球的重量！
在这种压力下，铁的熔点已经高到连地球最深处的温度都不足以融化它的地步了。
自然，这个压力所对应的深度，便是固态内核所位于的深度了。

　　而这儿科学家所发现的“内内核”呢，同样可能是压力的杰作。在固态之间，
物相的转变同样与压力有着密切的关系。我们熟知，一文不值的碳只要使劲加压
便能够变成十分土豪的碳。我们也知道，红柱石加点儿压力可以变成蓝晶石甚至
矽线石。铁呢，不好意思，poorly understood （“了解尚不充分”，跟文献打
交道的同学一定不陌生这个词组吧）——很明显的，我们现在还没有办法在地球
表面的实验室里维持一个跟整个地球重力相当的重压。还好，地震波告诉了我们
这一切，告诉了我们在地球的最深部有着新的未知结构的可能性。“内内核”究
竟是什么？说实话人们暂时还不知道。现阶段人类对地球深部物质－结构的了解
依然非常有限。

　　虽然人们至今依然尚不了解深埋在地球中心的铁之结晶到底是怎样一种我们
前所未见的新物质，虽然人们至今尚不了解这样的铁核分异到底在地球46亿年演
化史中扮演着怎样的角色，但只要我们依然在关注，依然在不断探索，我们与真
相之间，便总会有一条不断汇聚的渐近线。我们毕竟是Homo sapiens，是以独特
的智慧而向全宇宙发起观测与认知的物种。（编辑：老猫）

参考文献
        Wanget al(2015)Equatorial anisotropy in the inner part of Earth's inner
core from autocorrelation of earthquake coda.Nature Geoscience8:224-227.

        University of Illinois at Urbana-Champaign (2015) Earth's surprise inside:
Geologists unlock mysteries of the planet's inner core. illinois.edu

[ 本帖最后由 辛田 于 2015-5-29 16:32 编辑 ]

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