為了搞清楚地殼之下是什么，1952年，美國多樣性協(xié)會向美國科學(xué)基金會申請一筆資金，科學(xué)家們設(shè)想，要想鉆通地殼，最好的辦法莫過于從大洋底下打孔，因?yàn)槟抢锏牡貧は鄬ψ畋?，如果能一直鉆過莫霍不連續(xù)面，就能取一塊地幔中的物質(zhì)出來，拿回去慢慢研究。他們的想法是如果能清楚地球內(nèi)部巖石的性質(zhì)，那么就能進(jìn)一步搞清它們之間的相互作用，從而預(yù)報(bào)地震以及其它的地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)然，這是科學(xué)方面的原因，政治方面的原因是美蘇在冷戰(zhàn)時(shí)期的科技競賽。美國和蘇聯(lián)這兩個(gè)當(dāng)時(shí)的超級大國，為了向國人展示自己的科技能力比對方強(qiáng)，那是上天入地?zé)o所不用其極。計(jì)劃在 1958 年被科學(xué)基金會采納，錢的問題解決了。
這個(gè)計(jì)劃在當(dāng)時(shí)很出名，可謂家喻戶曉，計(jì)劃的名稱很自然地被稱為“莫霍洞”（MoHole）（莫霍的英文是Moho）。名字很棒，但命運(yùn)很慘。計(jì)劃設(shè)計(jì)的是在墨西哥近海的 4000 米深的太平洋底開鉆，往下鉆 5000 米，就可以穿透相對較薄的地殼層。鉆頭是從一艘浮在海面上的船上深入水底的，用一位海洋學(xué)家的話來形容這次鉆探，“就像站在帝國大廈的樓頂，用一根意大利面條在紐約的大街上鉆洞”。1961 年 3 月到 4 月間，美國人開著鉆井船來到墨西哥瓜德羅普島附近的海面上，開始了向地心的瘋狂鉆探。在 20 天的時(shí)間里，他們在深深的海底打出了一個(gè) 183 米的洞，然后就遇到各種各樣的技術(shù)難題，再也打不下去了。5000 米的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了不到 4%，再也沒有前進(jìn)一米過。“莫霍洞”計(jì)劃變成了“沒有洞計(jì)劃”（NoHole）。雖然洞沒有打出來，但是錢卻還越花越多，到了 1966 年，美國國會終于火了，槍斃了這個(gè)計(jì)劃。
4 年之后，大概是受到美國人登月成功的刺激吧。蘇聯(lián)人想既然上天我們輸了一著，那么我們就來比入地吧。蘇聯(lián)的科學(xué)家吸取了美國人的教訓(xùn)，沒有選擇聽上去很美好，但是工程技術(shù)難度超高的海上鉆井，他們決定在陸地上打洞。他們在科拉半島離芬蘭邊境不遠(yuǎn)的地方選了一個(gè)點(diǎn)，開始了艱苦的工作，他們希望能往下鉆 15000 米。1970 年 4 月 22 日，在紀(jì)念列寧同志誕辰 100 周年的日子，科拉超深井的鉆頭隆隆作響，朝著地心鉆了進(jìn)去。但是，這項(xiàng)工作比預(yù)計(jì)的要困難的多得多，鉆頭不是被卡住就是在提升的過程中掉落，這樣的事故一而再地發(fā)生。但蘇聯(lián)人真的非常執(zhí)著。他們努力了 19 年，最終才因?yàn)闆]錢而放棄了。最終，鉆探的深度是驚人的 12262 米。但我不得不提醒你，這個(gè)深度僅僅是地殼厚度的三分之一，而地殼只不過是占了整個(gè)地球的 0.3%。還是那句話，連蘋果皮都沒有戳破，所以，我們怎敢說自己對地球內(nèi)部有所了解呢？
盡管我們打的這個(gè)洞不算深，但由此所發(fā)現(xiàn)的一切都讓研究人員倍感意外。早先根據(jù)地震波的研究，科學(xué)家們都相信，地殼先是 4700 米厚的沉積巖，再下去是 2300 米厚的花崗巖，再下面就是玄武巖。結(jié)果，沉積巖的厚度比預(yù)期的多了 50%，而玄武巖則根本就沒遇到。另外，地底的世界要比任何人預(yù)期的熱得多，在 1 萬米的深度就達(dá)到了 180℃，是預(yù)計(jì)的 2 倍。最令人吃驚的是深處的巖層居然浸在水里，這本被認(rèn)為是不可能的。
因?yàn)槲覀儫o法直接看到地球的內(nèi)部，所以只能通過一些其他技術(shù)來間接了解。其中最主要的技術(shù)便是分析地震波在穿越地層時(shí)的形態(tài)，從而推測下面都有些什么。我們還可以通過一種被稱為“金伯利巖筒”的地質(zhì)事件來了解地幔，得名于首次被發(fā)現(xiàn)的地點(diǎn)，南非的金佰利，這種事件也造就了鉆石。具體說來，就是在地層的深處會發(fā)生一種爆炸，然后一發(fā)“巖漿炮彈”以超聲速沖向地表。這是一種完全隨機(jī)的地質(zhì)事件。就在此時(shí)此刻，或許一個(gè)金伯利巖筒就在地球的某個(gè)地方炸開了。因?yàn)檫@一事件源自超過 200 公里深的地層深處，因此它會帶來各種各樣的地表附近很罕見的一些物質(zhì)，比如橄欖巖和橄欖石晶體。此外，很偶然地，大約 100 個(gè)巖筒中會有一個(gè)巖筒帶出鉆石。這是因?yàn)樵诮鸩麕r筒的噴出物中含有大量的碳，但絕大部分碳都被汽化或是轉(zhuǎn)換成了石墨，只是在極偶然的情況下，恰好有一團(tuán)噴出物冷卻的速度恰到好處，就會形成鉆石。正是這個(gè)原因，使得南非成為世界上鉆石產(chǎn)量最高的國家，但或許還有更多的地方，只是我們不知道而已。地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)在印第安納州東部附近發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明該地區(qū)可能存在數(shù)量不小的巖筒群，并且已經(jīng)在該地區(qū)的不同地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了 20 克拉甚至更大的鉆石。但是具體來源尚不清楚。麥克菲（John McPhee）認(rèn)為，源頭可能深埋在冰川沉積土下面，就像艾奧瓦州的曼森大坑，也有可能源頭在五大湖底。
我們對地球內(nèi)部的了解真的不多。科學(xué)家們能達(dá)成共識的僅僅是地下世界有四層：首先是一層巖石地殼，然后再是一層熾熱又粘稠的地幔，再接著便是一層液態(tài)的外核和一層固態(tài)的內(nèi)核。至于每一層的深度和厚度分別是多少，我們只能知道個(gè)很粗略的范圍，并沒有多大的把握。
地表的主要成分是硅酸鹽。這種物質(zhì)比較輕，不足以構(gòu)成地球的平均密度。所以地球內(nèi)部必然存在大量更重的物質(zhì)。我們還知道為了產(chǎn)生地磁場，在地球內(nèi)部必然還存在一層液態(tài)金屬帶。以上這些觀點(diǎn)算是學(xué)界普遍接受的。但除此之外的幾乎所有東西，比如層與層之間的相互作用，各地質(zhì)現(xiàn)象的成因，以及如何預(yù)測地質(zhì)事件等等，都是眾說紛紜?？偟膩碚f，未知的東西太多太多了。
其實(shí)，即便是關(guān)于我們眼皮底下的地殼，也依然有許多激烈的爭論。幾乎所有的地質(zhì)學(xué)資料都告訴你地殼的厚度在海底大約是 5-10 公里，大陸的平原地帶則是大約 40 公里，而山脈地帶則厚達(dá) 65-95 公里。但這些普遍規(guī)律中也存在令人困惑的變數(shù)。比如，內(nèi)華達(dá)山脈地區(qū)的地殼厚度只有 30-40 公里，沒人知道為什么。
地殼是何時(shí)生成的？又是怎樣生成的？這兩個(gè)問題把地質(zhì)學(xué)家們分成了兩個(gè)對立的陣營。一派認(rèn)為地殼是在地球形成的初期突發(fā)式地形成的；而另一派則認(rèn)為地殼是在更晚些時(shí)漸漸地形成的。兩派的對立情緒還相當(dāng)?shù)膹?qiáng)烈。耶魯大學(xué)的阿姆斯特朗（Richard Armstrong）在上世紀(jì) 60 年代提出了一個(gè)早期爆發(fā)理論，此后一生都在與他的反對者們斗爭。他 1991 年死于癌癥。1998 年《地球》雜志的一篇報(bào)道中還講到了他在去世前不久在澳大利亞的一份科學(xué)雜志上狠狠地抨擊了他的反對者們，他指責(zé)那些人抱著一個(gè)神話冥頑不化。阿姆斯特朗的一個(gè)同事說他是“含恨而終”。
地質(zhì)學(xué)家們把地殼以及地幔上部合起來稱之為“巖層”，與巖層相接的下一層稱為 “軟流層”，巖層好像是“漂浮”在軟流層之上的。但其實(shí)這樣的術(shù)語表達(dá)得并不完全正確。聽上去像是在說軟流層具有一定的浮力，但這種理解卻是錯(cuò)誤的。同樣地，你如果把軟流層的巖石流動理解為普通的液體流動，那也是錯(cuò)誤的。實(shí)際上，那里的巖石并不是軟乎乎的，如果你取一塊出來，它們可能與硬硬的瀝青很像。網(wǎng)上有一個(gè)“瀝青滴漏”實(shí)驗(yàn)的視頻，用來證明看上去是固體的瀝青實(shí)際上是液體，大家可以搜索來看看，我第一次看到也覺得挺不可思議。這就是軟流層巖石的那種“流動”方式，它們的流動速度大約只有手表上時(shí)針走動速度的萬分之一。
地球上的板塊在水平移動的同時(shí)，還伴隨上下運(yùn)動，也就是巖石會升降，這種攪拌式的過程被稱為“對流”。它是由那位古怪的倫福德伯爵在 18 世紀(jì)末首次推斷出來的。60 年之后，一位叫費(fèi)希爾（Osmond Fisher）的英國牧師很有先見性地提出地球內(nèi)部很可能是液態(tài)的，物質(zhì)可以在里面流動，但這種觀點(diǎn)要等上很久很久才開始獲得支持。
地質(zhì)學(xué)家們大約是在 1970 年前后開始發(fā)現(xiàn)地底的這種混亂，于是產(chǎn)生了一些可以理解的驚慌。沃格爾（Shawna Vogel）在《赤裸地球：新地質(zhì)學(xué)》（Naked Earth: TheNeo Geophysics）一書中寫道：“這就好像說科學(xué)家們用了幾十年的時(shí)間發(fā)現(xiàn)大氣分為對流層、平流層等等，但竟然是在突然之間發(fā)現(xiàn)了'風(fēng)’這種東西?！?/p>
地球內(nèi)部的這種對流運(yùn)動到底能到達(dá)多深的程度，長期以來一直是個(gè)爭論不休的課題。一些人認(rèn)為它始于地底 650 公里的深度，而另一些人則認(rèn)為這個(gè)深度起碼超過 3000 公里。這個(gè)問題產(chǎn)生的根源，正如特雷菲爾所觀察到的，是由于“兩種不同的學(xué)科各自有一套數(shù)據(jù)，無法調(diào)和。”地球化學(xué)家認(rèn)為地表上的某些元素不可能來自于上層地幔，只能來自于地球的極深處。所以說，上下層的地幔物質(zhì)至少曾經(jīng)偶然融合過。但地震學(xué)家卻堅(jiān)持說證據(jù)不足。
現(xiàn)在我們基本能確定的是，在向地球中心前進(jìn)的過程中，我們會在某個(gè)不太確定的點(diǎn)離開軟流層而進(jìn)入純地幔。地幔占整個(gè)地球體積的 85%，質(zhì)量的 65%，但卻似乎不怎么吸引人們的注意力。很大程度上是因?yàn)閷τ诳茖W(xué)家和普通民眾來說，地心和地殼顯然更有意思一些，因?yàn)榈匦漠a(chǎn)生了地磁場，而地殼則產(chǎn)生了地震。我們現(xiàn)在已知大約在 150 公里之前，地幔的主要成分是橄欖石，但這之后一直到 2650 公里深的地方卻不太清楚。根據(jù)《自然》雜志上的一篇文章說的，再深下去似乎就不是橄欖石了。除此之外，我們啥也不知道了。這也是為什么《地心游記》這部凡爾納的科幻小說能寫的那么引人入勝的道理。
在地幔之下是二層地核，固態(tài)的內(nèi)核和液態(tài)的外核。我們對它們的了解當(dāng)然是通過間接的方式。但科學(xué)家們還是能夠做出一些合理的假設(shè)。比如，地球中心的壓力非常之大，約為地表的 300 萬倍。這種壓力足以把任何一種巖石都壓成固態(tài)的。再比如，根據(jù)地質(zhì)史的線索，可以得知地球內(nèi)核非常擅于保存熱量。盡管有一些猜測的成分，但據(jù)認(rèn)為在過去的 40 億年中，內(nèi)核的溫度僅僅下降了 110℃。我們無法準(zhǔn)確地知道地核的溫度，估計(jì)是在 4000 多度到 7000 多度之間，相當(dāng)于太陽表面的溫度。
而關(guān)于外核，人們普遍同意它是必須是液態(tài)的，而且成份應(yīng)該是金屬鐵和鎳。因?yàn)橹挥羞@樣的構(gòu)造，才能產(chǎn)生地磁場。那是在 1949 年，由劍橋大學(xué)的布拉德（E. C. Bullard）首次提出的理論，認(rèn)為地核的液態(tài)部分在以某種形式轉(zhuǎn)動，就像是一臺電動機(jī)，從而產(chǎn)生了磁場。學(xué)過中學(xué)物理就知道，當(dāng)電流環(huán)形流動的時(shí)候，就能產(chǎn)生磁場。在這種假設(shè)中，地球內(nèi)部對流的液體扮演了導(dǎo)線中電流的角色。至于具體的工作機(jī)制我們并不清楚，但卻可以肯定這與地核的轉(zhuǎn)動以及地核的液體形態(tài)有關(guān)系。那些沒有液態(tài)核的天體，例如月球和火星，就沒有磁場。除了這些最最基本的概念外，我們對地核一無所知。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)地磁場的強(qiáng)度會不斷地發(fā)生變化，恐龍時(shí)代的地磁強(qiáng)度大約是現(xiàn)在的 3.1 倍?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，地磁場的極性會定期發(fā)生逆轉(zhuǎn)，平均來說這個(gè)間隔周期是 50 萬年左右，但這個(gè)平均值存在極大的不確定性。有時(shí)幾百萬年也不逆轉(zhuǎn)，最長的一次是 3700 萬年，而有時(shí)僅僅 20 萬年就逆轉(zhuǎn)一次。最近的一次逆轉(zhuǎn)發(fā)生在 78 萬年以前。在過去的 1 億年中，大約總共發(fā)生了 200 次，什么原因尚搞不清楚。這被稱為“地質(zhì)科學(xué)中最大的未解之謎”。而且，磁極的位置也不是固定的，每年會都會移動數(shù)公里。磁北極目前約以平均每年 40 公里的速度向地理北極接近。兩個(gè)磁極的移動彼此之間是獨(dú)立的，而兩個(gè)磁極也不會正好在地球球體的兩端，也就是說，磁軸不會通過地球正中心。目前磁南極到地理南極的距離比磁北極到地理北極的距離遠(yuǎn)。
我們現(xiàn)在很可能正處在一次地磁逆轉(zhuǎn)的過程中。在過去的一個(gè)世紀(jì)中，地球的磁場強(qiáng)度有可能減弱了 6%。這對我們來說，可不是一個(gè)好消息。地磁場除了讓指南針指向正確的方向，它對人類的生存也起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)樘罩谐錆M了危險(xiǎn)的宇宙射線，如果缺少了地球磁場的保護(hù)，宇宙射線會洞穿我們的身體，將我們的 DNA 轟成毫無意義的碎片。在地磁場的保護(hù)下，宇宙射線被阻擋在了地表之外，并在近地空間中形成了 2 個(gè)特殊的區(qū)域，叫做“范艾倫輻射帶”。來自宇宙的粒子與它們相互作用，就在地球的外層大氣中形成了絢爛的美麗光幕，這就是著名的“極光”。
總的來說，我們對地球內(nèi)部知之甚少。很大一部分原因在于我們一直以來沒有下功夫去把地球內(nèi)部和外部所發(fā)生的事情結(jié)合起來考慮。按照沃格爾的說法，“地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家很少會在一起開會，并就同一個(gè)課題一起合作。”
每當(dāng)有大的地質(zhì)運(yùn)動發(fā)生的時(shí)候，就體現(xiàn)出我們對地球內(nèi)部運(yùn)動的無知，因?yàn)槲覀兛偸菚赶聡?yán)重的錯(cuò)誤。對此最好的一個(gè)例子是 1980 年華盛頓州的圣海倫斯火山噴發(fā)。
當(dāng)時(shí)，美國本土的 48 個(gè)州有超過 65 年沒有發(fā)生過一起火山噴發(fā)事件。因此，所有被政府征召過來觀測預(yù)報(bào)圣海倫斯火山的專家們都只見過夏威夷的火山活動。結(jié)果證明，這兩種火山根本就不是一回事兒。
圣海倫斯火山是從 3 月 20 日開始發(fā)出不詳?shù)穆÷÷?。在一周之?nèi)，它就開始噴出巖漿，盡管量不大，但每天多達(dá) 100 多次，還伴隨著持續(xù)的地震活動。人們都撤離到了 13 公里之外被認(rèn)為是安全的區(qū)域。隨著火山活動的增強(qiáng)，圣海倫斯開始吸引全世界大膽的游客的目光。報(bào)紙每天報(bào)道著最佳的觀景位置。不斷地有電視記者乘著直升機(jī)飛抵山頂，甚至還有人在爬山。有一天，繞著山頂盤旋的直升機(jī)和小型飛行器竟然超過 70 架。但是時(shí)間一天天過去，火山的隆隆聲并沒有持續(xù)發(fā)展出更多戲劇性的變化。人們變得越來越不耐煩了，普遍認(rèn)為這座火山不會再有大的噴發(fā)了。
到了 4 月 19 日，山的北側(cè)明顯地鼓了出來。此時(shí)居然沒有一個(gè)處在領(lǐng)導(dǎo)位置的人意識到這是火山爆發(fā)的一個(gè)強(qiáng)烈信號。專家們依據(jù)他們對夏威夷的火山活動的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為火山不可能從側(cè)面噴發(fā)出來。只有一個(gè)人相信馬上就要有大事發(fā)生了，他就是塔克馬社區(qū)大學(xué)的地質(zhì)學(xué)教授海德（Jack Hyde）。他指出圣海倫斯火山不像那些夏威夷的火山一樣都有一個(gè)火山口，因此積聚在它內(nèi)部的壓力很可能會以一種戲劇性的方式釋放出來，很有可能也是災(zāi)難性的。但是，海德并不是官方的專家團(tuán)成員，他的聲音并沒有引起多少注意。
后來發(fā)生的事情我們都知道了。5 月 18 日上午 8 點(diǎn) 32 分，那是一個(gè)周日的早晨?；鹕奖眰?cè)突然塌方了，數(shù)不清的泥土和石塊像大雪崩一樣，以 250 公里的時(shí)速滑下來。這是人類有史以來最大的山體滑坡，滑落的泥石足以把整個(gè)曼哈頓埋在 120 米之下。僅僅 1 分鐘之后，圣海倫斯火山在已變得單薄的北側(cè)爆發(fā)了，以相當(dāng)于 500 顆廣島原子彈的能量，噴射出巨量熾熱而危險(xiǎn)的灰云，時(shí)速達(dá)到驚人的 1050 公里每小時(shí)。顯然，在這樣的速度之下，附近的人不可能反應(yīng)的過來，有很多自以為是在絕對安全地帶的人，他們遠(yuǎn)得甚至望都望不到火山，但也遭了殃。57 人遇難，其中有 23 人尸骨無存。要不是那天剛好是周日，傷亡人數(shù)遠(yuǎn)不止這么一點(diǎn)兒。在任何一個(gè)工作日，都會有許多伐木工人在死亡區(qū)域工作。事實(shí)上，連遠(yuǎn)在 30 公里之外都有人喪命。
不過那天也有幸運(yùn)兒，有一位叫格利肯（Harry Glicken）的研究生。他是一位距火山 9 公里遠(yuǎn)處的一個(gè)觀察所的工作人員。但是 5 月 18 日那天，他剛好要去加州參加一次大學(xué)編班面試，于是在火山爆發(fā)前一天，他離開了那里。約翰斯頓（David Johnston）接替了格利肯的位置，他成了第一個(gè)報(bào)告火山噴發(fā)的人，但幾分鐘后就不幸喪命，尸骨無存。吊詭的是，格利肯的幸運(yùn)也是暫時(shí)的。11 年后，他奔赴日本的云仙岳火山。歷史再次重演，那又是一次未能預(yù)期到的災(zāi)難，包括格利肯在內(nèi)的 43 名科學(xué)家和游客死于非命。他們被噴涌而出的致命的熾熱火山灰、洆汽、融巖（這些混合物有個(gè)學(xué)名叫“火成碎屑流”）擊中，瞬間人就沒了。
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