地心之旅——探索地球內(nèi)部的奧秘

1、中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團張少泉 研究員（中國地震局地球物理研究所）地 心 之 旅探索地球內(nèi)部的奧秘序在20世紀末，地球科學(xué)家可以講出一個關(guān)于地球內(nèi)部以及關(guān)于地球演化歷史的絢爛多彩的故事。這個故事的精彩程度和真實性是歷史上所沒有的。目錄前言：敲開地球大門 尋找演化蹤跡第一部分：地球：行星家族中的一員第二部分：充滿活力的地球：地震、海嘯和火山第三部分：大陸漂移、海底擴張和板塊運動第四部分：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)第五部分：地球物理方法第六部分：一次虛擬的“地心之旅”結(jié)語：探索無窮無盡 夢想終究成真第一部分：地球行星家族中的一員 DSDP ODP 第一部分：地球行星家族中的一員 旋轉(zhuǎn)的地球組成太陽系的行星太

2、陽系的行星可分為兩類。水星、金星、地球和火星離太陽較近，稱為內(nèi)行星；木星、土星、天王星、海王星、冥王星離太陽較遠，稱為外行星。內(nèi)行星密度大、體積小，又稱為小行星；外行星密度小、體積大，又稱為大行星。行星內(nèi)部構(gòu)造圖行星大都分為星殼、星幔和星核三部分。但是，因演化條件不同，不同行星內(nèi)部的構(gòu)造和物質(zhì)組成有很大差異。金星裂谷示意圖金星和地球的構(gòu)造很相似，而且構(gòu)造活動也很活躍。有人曾認為，它們是雙星。金星表面的2/3為由火山巖構(gòu)成的平原，另有5個高原和9個高地。高地之間有裂谷、巖流和火山口。這是一張根據(jù)觀測資料所作的金星裂谷素描圖，該裂谷長達1000km以上、寬200km左右。高地，特別是裂谷，可能是金

3、星上的年輕構(gòu)造。金星可能有一個鐵核，但幾乎沒有磁場。地球的歷史圖上的數(shù)字，表示距離現(xiàn)在的時間，單位為億年。 圖中文字，表示地球演化的幾個時期和每個時期的特征。其中，板塊運動開始于古生代中期。地核的形成原始地球有許多與隕石相似的顆粒組成，其中的硅酸鹽顆粒密度較小、熔點較高，而金屬鐵鎳顆粒密度較小、熔點較低，經(jīng)過短壽命放射性物質(zhì)的衰變加熱后，硅酸鹽物質(zhì)與金屬鐵鎳物質(zhì)分離，輕者上升，重者下降，大概用一億年時間，在地心形成鐵鎳地核，并在它的外面形成以硅酸鹽物質(zhì)為主要成份的地幔。地球各圈層的相互作用火山活動在地球演化和圈層形成過程中發(fā)揮了重要作用。地球內(nèi)部的水蒸汽、氫氣、氮氣、二氧化碳等伴隨熔融的巖漿，

4、一起噴發(fā)到地面。其中水蒸汽凝成水，流入大海。二氧化碳經(jīng)過光合作用，變成氧氣。氮氣和氧氣等進入大氣層。噴發(fā)的巖漿凝固后，形成火山島，構(gòu)成巖石圈大陸?？夏醽喠压葮?gòu)造剖面圖在裂谷的上地幔有不規(guī)則的柱狀低速體，表示該處的溫度比周圍高。低速體向上隆起，產(chǎn)生張力，使地殼變薄，形成裂谷。喜馬拉雅山地殼構(gòu)造剖面圖這是一張反射地震剖面圖，橫坐標表示測線自藏南的帕里（南端），向北到雅魯藏布江（北端，圖中標為雅江）；縱坐標表示雙程反射波走時（單位為秒），乘以縱波速度之半，則為對應(yīng)深度。南端看到很強的莫霍面（Moho），深度為73km，這是全球大陸中最厚的地殼。地殼中部有一很強的反射面（MHT），可能為印度地殼向歐亞

5、地殼俯沖的上界面。由此往北，這兩個反射面漸趨模糊，直到消失。這張圖為大陸漂移（印度板塊向北擠壓歐亞板塊）提供有力的深部結(jié)構(gòu)證據(jù)。地殼重力均衡模型為解釋重力測量的一個重要事實，即“高山下面物質(zhì)輕，海洋下面物質(zhì)重”，提出地殼重力均衡假說。圖中（a）稱為普拉特模型，（b）稱為艾里模型。對照地震測量結(jié)果，艾里的解釋與實際情況更為符合。這就是通常所說的，“山有山根，海有覆盆”，近似為一種非對稱的鏡像結(jié)構(gòu)。這個19世紀的重要學(xué)說，在20世紀的板塊學(xué)說中，又有了新的意義。第二部分：充滿活力的地球地震、海嘯和火山DSDP ODP 第二部分：充滿活力的地球地震、海嘯和火山地震災(zāi)害火山活動和達本尼奧夫帶觀測資料表

6、明，構(gòu)造地震可以分成淺源地震和深源地震。大多數(shù)地震發(fā)生在地表以下30km以內(nèi)，最深的可以達到650km左右；并且可以形成一個傾斜的地震帶，。這個帶稱為和達-本尼奧夫帶。把淺源地震和深源地震從“血緣”上聯(lián)系在一起的，使北稱為“地球科學(xué)革命”的全球板塊構(gòu)造理論。海洋型板塊向大陸型板塊俯沖，這個俯沖板塊就是和達-本尼奧夫地震帶。 19901995年全球強震分布圖（參見備注）地震發(fā)生的物理解釋板塊象一個堅硬的塊體，不同塊體之間的邊界卻不那么堅硬。板塊的相對運動，在板塊邊界處積累了很大的變形；就象彎曲一根竹片，當(dāng)變形超過竹片上最薄弱處的承受能力時，它就要發(fā)生斷裂。這就是地震。由于地球介質(zhì)是彈性連續(xù)體，板

7、塊相對運動（斷裂）后，還留有未釋放的彈性能?？茖W(xué)家把這個地震模型叫“斷層的彈性回跳模型”。在地面上看到的地震斷裂（a）一個農(nóng)場的柵欄被地震斷裂為平行的兩段 （b）對圖（a）的解釋：地下斷層的兩盤沿斷層線D錯動，將柵欄AB錯斷為兩段AD1和BD2中國地震烈度區(qū)劃圖中國地震加速度區(qū)劃圖中國地震反應(yīng)譜周期區(qū)劃圖火山噴發(fā)模型圖地殼或地幔中的巖漿和揮發(fā)物，由巖漿房噴至地面，向大氣層噴射，形成火山。巖漿和揮發(fā)物構(gòu)成的噴發(fā)柱高度，可達20km30km，甚至50km。噴發(fā)柱高度決定于巖漿房的大小、壓力、揮發(fā)物含量和噴發(fā)口的直徑等。富含揮發(fā)物的中堿性巖漿，往往發(fā)生爆炸式噴發(fā)。火山噴發(fā)云照片1989-1990年美

8、國阿拉斯加一座火山發(fā)生一系列噴發(fā)，拋出大量火山灰云。其中，1989年12月15日的火山灰云，險些使一架載有231名乘客的波音747飛機墜毀。由此引發(fā)出“火山噴發(fā)與報警”問題。長白山天池火山遺跡 湛藍的天池和皚皚的白雪下面，是一座休眠的火山。在1215年左右，這里曾有火山噴發(fā)。經(jīng)過地震觀測和深部結(jié)構(gòu)探測，認為它在“近期”不會發(fā)生噴發(fā)。這個“近期”的含義，可以是5000年，或2000年。第三部分：大陸漂移、海底擴張和板塊運動DSDP ODP 第三部分：大陸漂移、海底擴張和板塊運動喜馬拉雅山的崛起（動畫片段）大陸漂移（動畫片段）DSDP （Deep Sea Drilling Project） ODP

9、 （Ocean Drilling Program）環(huán)視青藏高原影片（動畫片段）關(guān)于青藏高原（1）現(xiàn)今的喜瑪拉雅山脈，是岡瓦納古陸北緣的淺海部分?，F(xiàn)在的拉薩向北推移了14個緯度! 青藏高原約300萬年前，曾是一片海洋！這片海域，橫貫現(xiàn)在的歐亞南大陸，與現(xiàn)在的北非、南歐、西亞和東南亞的海域相溝通，合稱為“古地中?！保颉疤仃P(guān)于青藏高原（2）2.5億年前，地球表層形成兩大古陸，北半球的勞亞古陸和位于南半球的岡瓦納古陸。勞亞古陸包括現(xiàn)在的歐、亞大陸以及北美等地。岡瓦納古陸包括現(xiàn)在的澳洲、南極洲、非洲、南美和印度等地。 經(jīng)過幾千萬年，隨著古陸的緩緩漂移，兩個古陸重新組合，形成后來又被分解為如今大陸格局的

10、盤古大陸。全球板塊分布圖全球巖石層可以分為七個大的板塊：歐亞板塊、太平洋板塊、非洲板塊、印度-澳洲板塊、北美板塊、南美板塊、南極板塊。（參見備注）板塊及其邊緣的構(gòu)造這里給出兩種板塊邊緣，即洋中脊和海溝處的構(gòu)造。洋中脊是板塊的增生處，通過地幔物質(zhì)的上涌，不斷補充巖石層；而海溝通過巖石層俯沖進入軟流層而不斷消減。海洋、大陸和軟流圈層盤古大陸的分裂（參見備注） （a）、（b）（c）、和（d），分別表示2億年前、1.6億年前、0.8億年前和現(xiàn)在的大陸的分布。 有人認為，在漫長的地球歷史中，象大陸這樣合而分、分而合的過程，也許曾經(jīng)多次出現(xiàn)，每次拼合和分離的時間大約5億年。東亞大陸塊的形成一個大陸可能由多

11、個塊體組成。中國的華北塊體、華南塊體、塔里木塊體都是古生代以前的古老塊體。在2.5億年前，它們已經(jīng)互相碰撞，并結(jié)合成東亞大陸。在塊體之間由碰撞產(chǎn)生褶皺。之后，青藏高原的羌塘塊體和拉薩塊體，相繼和東亞塊體碰撞聯(lián)在一起。直到0.5億年前，印度次大陸才和東亞大陸碰撞。印度次大陸的漂移印度次大陸原先是岡瓦納大陸的北緣，后來向北漂移和歐亞大陸結(jié)合。（a）表示不同年代的位置。（b）表示不同年代的漂移速率。山脈的形成山脈的形成是一個復(fù)雜過程，由隆起、侵蝕和重力均衡組成。 （參見備注）板塊的碰撞山脈的隆起是由板塊的碰撞產(chǎn)生的?？煞譃閮煞N類型：（a）大陸板塊與大陸板塊碰撞，產(chǎn)生如歐亞大陸的喜馬拉雅山、阿爾卑斯山

12、；（b）大陸板塊與海洋板塊碰撞，產(chǎn)生如美州的安第斯山。美洲的安第斯山的形成 南美安第斯山是由太平洋巖石層向南美大陸俯沖所產(chǎn)生的，屬于海洋板塊-大陸板塊的碰撞類型。當(dāng)然，冷的海洋巖石層物質(zhì)與大陸巖石層物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用，使熱物質(zhì)向上遷移，形成與火山活動有關(guān)的山脈。喜馬拉雅山脈的形成 （參見備注）（a）5000萬年前（b）3500萬年前（c）2100萬年前（d）1100萬年前驅(qū)動板塊的幾種動力模型（a）推動板塊：洋中脊的拉伸和俯沖帶的沉降；（b）驅(qū)動板塊：全地幔區(qū)域的對流模型：（c）驅(qū)動板塊：上地幔區(qū)域的對流模型；（d）拖動板塊：地幔熱柱的上升和向兩側(cè)鋪展。第四部分：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)DSDP ODP 第

13、四部分：地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同深度的地震波速度橫坐標表示深度（單位為公里），縱坐標表示地震波速度（單位為公里/秒），Vp和Vs分別表示縱波和橫波（實線），表示密度（虛線）。圖中給出地殼-地幔、上地幔-下地幔、地幔-地核、外核-內(nèi)核的分界面；其中，地幔-地核、外核-內(nèi)核的分界面處，速度和密度發(fā)生突然變化，尤其是在地球外核，Vs降為零（表示為液態(tài)）。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)切面圖根據(jù)地球不同深度的地震波速度曲線，將地球分成若干層次。層與層之間的主要分界面，如地殼與地幔、地幔與地核、外核與內(nèi)核這三個分界面，分別以著名的地震學(xué)家莫霍諾維契、古登堡和萊曼（女）的名字命名。圖中的巖石層（地殼+上地幔頂層）及其下面的軟流層，

14、分為海洋型和大陸型兩種，前者比后者要淺。地幔底部的結(jié)構(gòu) 根據(jù)地震波觀測結(jié)果，地幔底部即接近幔核邊界，那里結(jié)構(gòu)很不規(guī)則，分界面兩側(cè)的物質(zhì)成分（地幔一側(cè)的硅酸鎂鈣鐵礦，地核一側(cè)的鐵鎳合金）互相產(chǎn)生劇烈的化學(xué)作用。地核與影區(qū) （參見備注） 一次較大的地震激發(fā)的地震波，可以在很長的距離上觀測到，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1040突然消失了，到了1430重又出現(xiàn)！也就是說，1040 到1430“銷聲匿跡”。這是因為地球內(nèi)存在一個速度很低的“核”，“影區(qū)”就是地核的影子。地球內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的示意圖 固體內(nèi)核與固體地幔被液體外核分開。外核液體的粘滯度與水相差不大。因而不難相象，內(nèi)核很容易自行自由轉(zhuǎn)動。最早人們設(shè)想，外核對流產(chǎn)生的

15、磁力線可以滲透到內(nèi)核去，內(nèi)核是個導(dǎo)體，就象一個通電的馬達可以在磁場中轉(zhuǎn)動一樣。后來人們在計算機的數(shù)值模擬計算中得到證實；并且預(yù)測，內(nèi)核的轉(zhuǎn)動要比地?？鞄锥取＿@個結(jié)果促使地震學(xué)家尋找內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。探測內(nèi)核旋轉(zhuǎn)的方法（宋曉東和理查茲，1996年）從美國阿拉斯加地震臺，觀測南桑德維治島在不同年代發(fā)生的地震。從地震震源到地震臺的傳播路徑固定，傳播的時間細微變化反映內(nèi)核晶體在空間排列位置的細微變化。全球S波速度橫向變化圖（層析成像）蘭色表示快速，上圖：38km紅色表示慢速，中圖：150km黃色表示常速，下圖：410km 俯沖帶的構(gòu)造圖（層析成像）洋中脊的速度結(jié)構(gòu)剖面圖（層析成像）海嘯預(yù)報地震方法一個簡

16、單的垂直擺“地震儀”示意圖傳統(tǒng)地震儀有三個方向的地震計，每個地震計由重錘、彈簧、粘性阻尼、記錄滾筒和固定框架組成。古代地震儀（如我國東漢的張衡地動儀）含有一個重錘（包括內(nèi)部導(dǎo)向槽和顯示方向的龍頭-蟾蜍嘴），是一個不能記錄地面震動過程的驗震器?，F(xiàn)代地震儀稱為寬頻帶、大動態(tài)、高增益數(shù)字化地震儀，增加了電子反饋系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。縱波和橫波縱波和橫波對地震波而言，都是在地球內(nèi)部傳播的彈性波，統(tǒng)稱體波。沿地球表面還有一種波叫面波?？v波最快，橫波次之，而面波最慢。比如在地殼，縱波波速為6km/s，橫波波速為4km/s，而面波波速為3km/s。一張理想的地震記錄圖圖中包括縱波、橫波和面波。它

17、們分別用P、S、L（R）、L（Q）表示。 （參見備注）近震三分向記錄圖震源深度在10-30km、震中距在100km范圍的地震記錄上，沒有面波、首波，只有P波和S波兩種體波震相。而幾百公里深度的深源地震，在幾千公里距離的記錄，與這張近震記錄有驚人的相似之處。地震波在地球內(nèi)部的傳播這里用地震射線表示地震波的傳播。 圖中給出地幔、地球外核和地球內(nèi)和地球內(nèi)核結(jié)構(gòu)，因此圖中給出的是地幔體波和地核體波，其中包括地面和幔核界面的的反射波、轉(zhuǎn)換波。每種波對應(yīng)的震相符號，已標在相應(yīng)射線的端部。面波的頻散根據(jù)頻散曲線，可以計算出地球的分層結(jié)構(gòu)。 （參見備注）公元前100年我國發(fā)明的湯勺狀磁石指南針 （參見備注）地

18、球磁場的大致分布地球磁場的分布與一個放在地心、并與自轉(zhuǎn)軸呈110 交角的磁棒形成的磁場很相象。地磁場有一個地磁軸，兩端為地磁極，所有的磁力線都是從一個磁極到另一個磁極。磁力線的形狀，可以用一塊撒上鐵粉的玻璃板演示：當(dāng)你把一塊馬磁鐵放在那塊玻璃板下，并輕輕移動時，就可以看到這些鐵粉出現(xiàn)象貝殼或蝴蝶一樣的對稱的磁力線形狀。古地磁極的移動軌跡從不同大陸的巖石得到古地磁極的位置。由于大陸漂移，不同大陸的漂移軌跡不同，所得古地磁極的移動軌跡有差別。圖中字母和數(shù)字，表示不同的地質(zhì)年代：C1為晚新生代，C2為中新生代，C3為早新生代，C為石炭紀，D為泥盆紀，O為奧陶紀代，E為寒武紀，PE為前寒武紀。洋底的磁

19、異常海洋洋底是這樣形成的：在洋脊處，上地幔物質(zhì)沿裂縫上升，使兩旁的板塊分裂開來，并向兩側(cè)移動。洋脊中間的區(qū)域被上升的上地幔物質(zhì)所充填，形成新的洋底。新的洋底在海溝處，隨海洋巖石層向另一板塊的上地幔俯沖而消減。所以洋底在洋中脊處最新，在海溝處最老。根據(jù)地質(zhì)年齡的測定，最老的太平洋洋底年齡不超過2億年，比起數(shù)十億年的大陸，洋底的年齡要年輕多了。還可以用海洋磁異常測定洋底年齡。 地幔熱柱示意圖熱柱是地球內(nèi)部上升的熔流，其底部的深度可到達幔核邊界，其頂部可到達巖石層，其直徑可達幾十到幾百公里。當(dāng)它到達巖石層底部時，因受阻擋，不能繼續(xù)上升，轉(zhuǎn)而向周圍擴展，形成1000公里的磨菇云。熱柱在地面的顯示為熱點

20、。熱點的速度結(jié)構(gòu)剖面圖（層析成像）這里給出夏威夷島鏈和冰島兩處熱點的速度垂直剖面結(jié)構(gòu)。上圖為兩處熱點的位置：用點線標出；橫坐標為東經(jīng)；縱坐標為南北緯。下圖為兩處熱點剖面的速度結(jié)構(gòu)圖：橫坐標為距離，單位為度（0）；縱坐標為深度，單位為km；圖中速度等值圖，用百分比表示，在+5% -5%變動。熱點下面約在100250km有低速物質(zhì)存在，最低速度大約在150km深度。低速介質(zhì)可能表示地幔柱上部的磨菇云。 海底擴張與火山形成 洋中脊多為隆起的山脈，中央有寬2030km、深12km的地塹，人們稱為大洋裂谷。大洋內(nèi)的火山就分布在大洋裂谷上。此類火山屬于海底噴發(fā)。在大洋中脊之下，由于熱的地幔巖石上升而發(fā)生玄

21、武質(zhì)火山作用和高熱流值，使洋中脊成為海底擴展中心。海底碎片的分離，使洋中脊張開裂谷，引發(fā)一系列淺源地震。冷巖石的下沉，使得較老的海底在海溝處沉降，形成和達本尼奧夫帶，并在這個帶上發(fā)生深源地震。夏威夷群島火山 地幔中存在一些位置比較固定的地幔熱柱（地表出露點稱為熱點）。當(dāng)熱柱上升時，噴出地表的巖漿形成火山。圖中的夏威夷島的地下就可能存在一個熱柱。由于太平洋板塊不斷向西北方向移動，就形成一系列北西向的夏威夷火山鏈。這個火山鏈的年齡向西北方向逐漸變老。表現(xiàn)為平頂山鏈，沒有或很少地震。圖中的Ma為百萬年。第六部分：一次虛擬的“地心之旅”DSDP ODP 第六部分：一次虛擬的“地心之旅”地球的千里眼（遙感衛(wèi)星）登月照片哥倫比亞航天飛機的騰空和失事2003年1月25日哥倫比亞飛船上宇航員工作的情景1996年10月23日 北京人民廣播電臺少年兒童節(jié)目： 大篷車“地心之旅”（19：0019：45）故事情節(jié)：獲悉，宇宙魔王在地心放了一個爆炸力極強的魔盒，要摧毀地球和人類。為此，一批小小科學(xué)家要駕駛宇宙飛船，穿越地殼、地幔，進入地心，趕在魔盒爆炸前將它解除。結(jié)合這個節(jié)目，進行團結(jié)協(xié)作訓(xùn)練和地球知識的學(xué)習(xí)。在北京廣播電臺演播室和主持人等合影大篷車“地心旅行”的現(xiàn)場錄音 分為“準備”、“