人類尚未抵達的地核是什麼樣子 ? 80%是鐵

人類尚未抵達的地核是什麼樣子 ? 80%是鐵
據英國廣播公司(BBC)網站報導,人類已經遍布整個地球——我們佔據了陸地,我們能夠在空中飛行,或者潛入最深的洋底,我們甚至還登上了月球。然而有一個地方我們卻從未能抵達,那就是地球的核心
我們甚至還遠遠談不上哪怕是接近地球核心的程度。地球的中心點位於我們腳下6000公里深處,甚至是地球核區的外側邊界也在我們腳下3000公里左右的深處。而相比之下,人類迄今鑽探的最深記錄是12.3公里,地點是在俄羅斯的科拉鑽井。
讓我們感到熟悉的關於地球的一切也全部都發生在接近地球表面的區域。從火山口噴發的岩漿的源區大約位於地下數百公里深處。甚至是形成於地下極端高溫和高壓環境下的鑽石,其形成的深度也僅有大約500公里左右。
這樣看來,對於超越這一深度下的地球內部情況,我們應該是一無所知的。然而事實卻是:我們對於地球內部深處情況的了解是相當豐富的。我們甚至大致了解地球內部在過去數十億年曆史期間的演化過程——所有這一切都是在沒有任何一點實際樣品的情況下做到的。這一點可能會讓很多人覺得不可思議,那麼以下就來介紹科學家們是如何做到這一點的:

地球的內部圈層結構示意圖

地球表面物質的密度低於地球平均密度,整個地球外部圈層的質量相比整個地球都只佔據很小的一部分


鐵是宇宙中極為常見的物質,它們構成了地核成分的主體
密度估算
英國劍橋大學的西蒙·雷德費恩(Simon Redfern)指出,開始這一切的一種好方法就是試著想一想地球的質量有多大。我們可以通過地球對其地表物體施加的引力作用大小來計算出地球的實際質量。計算的結果顯示地球的質量約為5.9乘以10的21次方噸,也就是說59後面還有20個0。如果光從地球表面的物質密度看,地球質量無論如何不應該會這麼大。
雷德費恩表示:“地球表面物質的密度遠低於地球物質平均密度,這就告訴我們在地球內部存在著密度更高的物質。這是第一點。簡單來說,這也就意味著地球質量的絕大部分必定是存在於靠近地球核心的區域。接下來,我們就要問一個問題:究竟是什麼物質組成了地球的內核?”
答案應當是顯而易見的:地核的主體成分應該是鐵。根據目前的計算結果,科學家們一般認為地核的成分中大約有80%是鐵,但更加精確的結果則存在一些爭議。支持這一結論的一項重要證據是:鐵大量存在於我們周圍的宇宙中,事實上鐵是銀河系中豐度排名前十位的元素之一,同時鐵也是隕石中非常普遍的成分。
考慮到鐵的這種普遍性,我們會非常容易地註意到在地球表面,相對而言鐵是比較少見的,低於我們的預期。據此科學家們提出一個設想,那就是大約在45億年前地球形成之時,大量地球上的鐵都逐漸向下,沉降到地核裡去了。
那裡是地球大部分質量所在的地方,那裡也必然是大部分的鐵所聚集的地方。在正常條件下,鐵是一種密度相對較大的元素,而在地核的巨大壓力條件下,鐵甚至還會在高壓下遭受擠壓並形成密度更高的形態,因此如果將地核的因素考慮在內,便可以解釋地球表面全部的鐵元素缺失之謎。

美國境內的聖安德烈斯斷層仍然非常活躍,隨時可能引發地震



鐵的沉降
但這裡似乎還有一個問題。那些沉降到地核裡的鐵是如何實現這種沉降的?
毫無疑問,鐵元素受到了重力影響,從而向著地球內部中心沉降。但一開始人們還難以描述這一過程是如何具體實現的。
地球的其他部分的主體成分是被稱作“矽酸鹽”的岩石物質,而呈現熔融狀態的鐵必須想辦法穿過這些矽酸鹽,從而抵達地核。總體來看,這就有點像是放在油膩表面上的水,鐵同樣形成了較小的“液滴”——它們相互聚集,形成局部性的小型富集區,而不是向周圍擴散和流動。
2013年,美國斯坦福大學的毛禮文(Wendy Mao)和她的同事們找到了一個可能的答案。她們想要弄清,當鐵與硅酸鹽一同暴露於極端壓力環境時將會發生什麼——而這正是地球深部的環境條件。
通過使用金剛石設備擠壓的方式產生極端壓力條件,她們可以發現可以讓熔融狀態的鐵穿過矽酸鹽物質。毛禮文表示:“壓力實際上改變了鐵與硅酸鹽之間相互作用的性質。在極端高壓下,一種'熔融網絡'形成了。”這一發現暗示鐵元素很有可能是在數以百萬年計的漫長時間裡緩慢地通過這種擠壓方式逐漸穿過地球上厚厚的岩層並最終抵達地核區域的。
地震學研究
現在,你可能會開始好奇我們究竟是如何得知地核的大小的。科學家們根據什麼判斷地核是從我們腳底下大約3000公里開始的?對此,答案只需要一個詞:地震學。
當地震發生時,地震波會穿過地球內部。地震學家會記錄這些波的地球內部的傳播情況。這就有點像是我們使用一個超級大錘子狠狠敲擊了地球的一端並趴在另一端聆聽產生的聲音。
雷德費恩表示:“1960年代在智利發生了一次強烈地震,那次地震中得到了大量數據。分佈在全球各地的地震台都接收到了那場地震產生的地震波。”
根據地震波在地球內部的傳播路徑與其他特徵,我們從地球的另一端“傾聽”時所能聽到的“聲音”也將是不同的。在地震學研究的初期科學家們便意識到地震波中有某些震動似乎缺失了。當地球的一側發生地震時,科學家們在另一側未能監測到一種被稱為“橫波”,也即S波信號的抵達。原因很簡單。這種橫波只能在固態物質內傳播而無法穿過液態物質。
很顯然,橫波在傳播的過程中必定在地核區域遭遇到了液態區域。通過對S波傳播路徑的分析,科學家們判定在地下大約3000公里處,物質呈現為液態。
這就表明整個地核都是處於熔融狀態的。但很快,地震學家們又有了另外的發現。
在1930年代,一名名叫英奇雷曼(Inge Lehmann)的女性地震學家發現,地震波中的另外一種波,即縱波(P)出人意料的穿越了地球內核並且可以在地球的另一端監測到其信號。
她於是提出了一個讓人大吃一驚的嶄新理論:地球內核分為兩層。從地下大約5000公里開始的內核是固態的,而其外部直到3000公里深度上的外核才是液態的。
到了1970年,隨著越來越多地震波數據分析結果的出爐,英奇雷曼的理論得到了證實。觀測結果顯示P波的確穿過了地球內核,並且在某些情況下發生了一定角度的反射。但不管如何,它們的信號可以在地球的另一端被監測到。
事實上,不僅是地震波穿越地球,從而產生了很多有價值的研究成果。地震學本身甚至在核武器的開發過程中都曾經起到過關鍵作用。
核爆炸同樣會在地球內部產生震動波,因此各國可以通過對這種震動波的監測來監視別國的核武器試驗情況。在冷戰期間,這項工作非常重要,因此像英奇雷曼這樣的地震學家們頗有用武之地。
相互敵對的國家互相嚴密監視來自對方國土上的震動波信號,從而判定地方的核武器能力。與此同時我們也了解到越來越多關於地核的資料。即便是在今天,地震波仍然是監測核試驗的重要手段。

日本神戶大地震時地震台記錄到的地震波
地震波可以大致分為體波和麵波。其中體波進一步分為縱波(圖中紅色)和橫波(圖中黃色),圖中淡紫色表示的是面波

1957年在美國內華達州核試驗中引爆的一枚原子彈


地球內部結構
現在,我們已經可以大致描繪地球內部的結構圖了。地球內部擁有一個熔融狀態的外核,其大約從地球半徑的一半深度上開始,並在大約5000公里深部上過渡為一個固態的內核,後者的直徑約1220公里。
但我們還有太多工作要去做,尤其是針對地球的內核。比如,地球內核的溫度有多高?
英國倫敦大學學院的李敦卡·沃卡爾多(Lidunka Vo??adlo)表示,這個問題的答案顯然難以一蹴而就,它長期困擾著科學家,直到最近才有了一定的突破。很明顯的事實是我們不可能將一個溫度計放到內核裡面去測量那裡的溫度,因此唯一的方法就是在實驗室中進行模擬。
2013年,一個法國科研小組得到了迄今最好的模擬結果。他們將純鐵施加大約相當於地核內部一半以上的壓力條件並開展分析。他們得到的結論是,在地核壓力條件下,純鐵的熔融溫度大約是6230攝氏度,但其他物質的存在會稍稍拉低這一熔融溫度,因此這一數值大約為6000攝氏度左右。儘管有所降低,但這仍然已經與太陽表面的溫度相當。
由於地球形成初期保留下來的大量熱量,地球內部得以長期保持較高的溫度。另外,地球內部物質的摩擦以及放射性元素的衰變過程也會產生熱量。但儘管能夠得到部分補充,地核的溫度仍然正以大約每10億年降低100攝氏度的速度下降。
了解地核的溫度情況非常重要,因為溫度數值直接影響振動波在地核內傳播的速度。科學家們非常關注這個問題,因為地震波在穿過地核時似乎有一些奇怪的表現。

在正常壓力條件下,純鐵的熔點大約是1538攝氏度


其他成分?
P波在穿過地球內核時速度異常的慢,其傳播速度低於基於純鐵成分的理論預期。沃卡爾多表示:“在地震波或其他震動波中測量到的波速遠低於我們在實驗中或者在計算機中模擬時得到的結果。沒有人知道這究竟是什麼原因導致的。”
或許這暗示這裡可能還存在著其他的物質成分。
那麼這種混入的物質究竟是什麼?科學家們懷疑是另外一種金屬物質:。但根據對地震波在鐵鎳合金中傳播情況的模擬,結果發現實驗結果與實際觀測數據之間並沒有很好的吻合。
沃卡爾多和她的同事們目前正在考慮是否有可能那裡還存在著其他元素成分,比如硫或者矽。到目前為止,還沒有任何人提出的任何理論能夠完美吻合觀測數據。這真像是灰姑娘遇到的問題:沒有一雙鞋子完全適合腳。
沃卡爾多想要嘗試在計算機上模擬地球內核的物質。她希望能夠找出一種物質、溫度以及壓力的組合,能夠完美解釋實際地震波觀測數據給出的結果。
她認為,其中的奧秘可能就在於,內核的物質可能處於熔融臨界點附近。因此,在這樣的特殊條件下,物質的性質可能會與它們在完全固態或完全液態的情況下有所不同。
這種設想的確有望解釋地球內核中地震波傳播速度的異常緩慢問題。沃卡爾多表示:“如果情況的確如此,那麼我們就將可以把組成物質的物理學結果與地震波實測結果相聯繫起來了。在此之前,人們還沒能做到這一點。”
關於地核,仍然有大量的問題尚未解決。但我們目前又根本沒有辦法能夠鑽探到非常大的深度上,但就是在這樣的情況下,科學家們仍然成功地掌握了地球內部包括核心區域的大量情況。
了解地球深部發生的這些過程將會以一種很多人沒有意識到的方式,深刻影響到我們的日常生活:地球擁有一個強大的磁場,其產生的原因正是因為地球擁有液態的外核。流動的液態鐵在地球內部產生了強大的電流,這一電流反過來就會產生磁場,並延伸至地球周圍的宇宙空間。
地球磁場對於我們以及其他生命的生存至關重要,因為它會阻止有害的太陽輻射抵達地球。如果地球沒有熔融的外核,那麼地磁場就將不復存在,而我們的生存就將面臨嚴重危機。

流動的液態鐵在地球內部產生了強大的電流,這一電流反過來就會產生磁場,並延伸至地球周圍的宇宙空間


科學家們從未看到過地核一眼,然而藉助地震波這一有力工具,我們對那裡了解甚多。





摘自news



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