內核心

科學家發現地球核心的新結構

人們對地球內部結構的認識，早已從儒勒·凡爾納時代那“地心遊記”般的神秘，變成了定量而又嚴謹的圈層劃分。在今天，甚至小學生也能張口道來，地球的結構就像個雞蛋一般，從外到內依此由三個圈層構成：有薄薄的地殼，有厚厚的地幔，然後是深埋在最深處的地核。如果稍微再深入了解一點，能發現地球其實還可以分得更細：比如地殼可以再分為矽鋁質的上地殼和矽鎂質的下地殼，地幔可以再分為“二輝橄欖岩”的上地幔和“我們知之甚少”的下地幔；而地核呢，也可以再分為由液態鐵組成的外核和固態鐵組成的核心。這六大圈層是那樣經典，以至於在當下時代，完全可以說是如假包換的科學常識了。

然而，你懂的——經典並非是一種一成不變的東西，而常識雖然由科學所鑄造，但也同樣是常被科學所摧毀的對象。怨念自己沒有生在相對論量子世紀那樣一個天天都能看到科學刷新常識的時代？別擔心，今天你就可以體驗一把了。美國伊利諾伊大學和中國南京大學的一個聯合科研組近日發現，我們的地核並非僅僅由外核-核心這樣一個雙層結構組成。在核心的盡裡頭，其實還埋著一個更小的核心——這個最新成果發布在《自然》子刊《自然－地球科學》（Nature Geoscience）今年2月的新一期上。從此刻開始，你就可以大膽地說“最新的科學發現表明，我們的地核其實是由三層構成的，分別是外核，核心和內核心”了。

地球的核心里，還有一個核

地震波——射向地球深部的“目光”

可是，科學家是怎么發現地球最深處還有一個更小的“內核心”呢？人類顯然無法直接進入地球深處去看個究竟，甚至，不光人類沒法進去，在現有技術手段下想把儀器扔下去也是天方夜譚。人類至今為止打得最深的科學鑽探——科拉超深鑽（Kola Superdeep Borehole），也只能吸收12千米以下的鈣鎂鐵（取回了玄武質的岩心——也就是說越過矽鋁質上地殼，成功進入矽鎂質下地殼了），但這個深度吧，其實，連大陸殼的一半還沒穿過。至於進入地幔、地核？更是想都別想了！地幔的厚度差不多是地殼的90倍！

雖然直接觀察是沒門兒了，但有一種東西卻可以輕易遁入地球最深處取回大量信息，然後再返回地表的觀測者。這種東西就是機械波。由於它傳遞的不是物質本身，而是物質振動的狀態，因此可以很隨意地在各種物質中穿梭來回。大地的振動自然便是地震波（seismic wave）。鑒於自然地震具有不可預知性，人們只能通過在地表人工觸發地震的方式來主動製造“信使”。之後呢，之後在地表布設下地震波接收裝置，坐等它們從地下反射上來就行了。

地震波為什麼能反映地下的結構呢？道理很簡單，這就跟聲音在固體中傳播要比在空氣中傳播得更快是一個道理——物質的密度不同，機械波在其中傳播的速度也不同。從最簡單的地殼、地幔和地核三層劃分，到稍微複雜一點的六層劃分，運用的都是這么一個簡單的原理。人們從返回的地震波里發現，在某幾個特定深度處，波速發生了明顯的不連續驟變。從淺到深，第一個明顯的不連續面叫做莫霍洛維奇不連續面（莫霍面），在大陸下面平均深達35千米，而在大洋下面處則僅有5-10千米，此面代表地殼與地幔的分野；再向下，到670千米深度，又一個不連續面，這個面一般直接稱呼為670千米不連續面（670 km discontinuity），是上地幔與下地幔的邊界。再向下到約2880千米深處，地震波了發生一次最大的不連續——橫波在此徹底消失。由於橫波無法在液體裡傳播，橫波的消失便意味著此處界面下部是一個液態圈層——根據這個被稱為“古登堡面”的界面，人們劃分出了地幔與地核的分野。向著地核更深處前進，到約5000千米的地方，橫波又再次出現，表明物相又重新回到了固態，於是，該界面所反映的，自然也就是液態外核和固態核心的雙層劃分了。

新發現的圈層——地震波的新解釋

但是吧，上面這些，都是構成你常識的陳年舊話了。在1992年到2012年這最近的二十年間，全球寬頻地震台陣（Global Broadband Seismic Arrays）積累起了最新一批的豐富數據。伊利諾伊-南京大學聯合科研組正是通過精細地解釋這浩繁的數據體，從而發現了深埋在地球最深處的新端倪。

本研究通訊作者，伊利諾伊大學教授宋曉東。圖片：L. Brian Stauffer

我們自然無法想科學家那樣窺探深埋在數據之海中的每一個細節，但其中最本質的邏輯卻是很直觀的：波速突變，代表介質密度的突變，而密度的突變，則代表著物相的突變——是的，地球之所以具有不同圈層結構的最終原因，其實便是不同密度的物質在重力勢的主導下發生行星分異，從而沿重力勢排列成球狀結構的結果。

物相（Phase）是對“物理狀態均一性”的一種表述，它並不管到底你是不是同一種化學成分。舉個例子：水、冰和水蒸氣，雖然成分都是H2O，但顯然這三者屬於不同的相態——液態、固態和氣態。其實甚至這樣說都有點籠統了——再舉個例子，石墨和金剛石，兩者都是碳單質，甚至都是固態，但顯然也屬於不同的物相——為什麼兩種相同化學成分的固相反而不屬於同一物相呢？原因很簡單：它們的物理性質之間有著截然不同的差異罷了。要說這種差異的本質，其實歸根結底落到了晶體結構上：狹義的固態便是晶體，而相同成分的固體相態區別，歸根結底，便是所謂的同質多相——也就是不同晶體結構之間的區別了。

讓我們再回到地核中。我們知道，整個地核都是由鐵這種均一的成分所組成的（好吧其實混有部分鎳和其他雜質啦）。傳統內-外核的劃分，反映的是液相和固相的分野。而科學家最新發現核心更內部的不連續反應——則是固態大前提之下的物性不連續。換句話說，和上面石墨金剛石的情況其實一樣，表明在固態鐵核的最深處，晶體結構看樣子並非是均一不變的，在固態核心之中，還坐落著一個在晶體結構上與平常的鐵截然不同的內核心。

大地之核的極簡史

說了半天，地核究竟為什麼會出現這種物態分層呢？這要從地球的誕生講起。科學家們普遍相信，地球，以及其他的行星、小行星，都大致形成於同一個時期——即46億年前太陽系剛剛從星雲中誕生的太初之刻——冥古宙（Hadean Eon）。彼時，還沒有圍繞著太陽精密而規則地旋動著的行星，而是一圈由塵埃、碎屑、塊體組成的，充滿著瘋狂撞擊的原行星盤（protoplanetary disc）。行星的誕生，便是這些碎屑物質——星子（planetestimal）之間劇烈碰撞，不斷吸積、增生的過程。每一次星子的碰撞，都是動能向內能的巨大轉換。星子之間大量偶然的撞擊和融合，最終形成質量大到足以自動吸引臨近物質的聚集體，這邊是今日行星的最早期雛形——原行星（protoplanet）了。可想而知，原行星匯聚了無數“加盟天體”所帶來的可觀能量，導致其內部的溫度高到完全可以維持一個全球熔融的岩漿之海。岩漿主要由六大元素——氧、矽、鋁、鐵、鈣、鎂所組成。正如一杯水靜置時比重大的物質會率先沉入杯底似的，在宇宙中漂浮的這么一大團液態岩漿里，重的物質自然也會聚集到“杯底”。對於太空中的球體來說，“杯底”自然便是重力勢最低的部位——球心了。六種主量元素里，鐵的比重最大，於是，這團岩漿球中的鐵便率先沉入岩漿最深處，沿著平行於球面的重力勢，形成了地球最早的結構——地核。

地核倒是形成了，可它液態外核和固態核心的分層又是怎么來的呢？這與溫度-壓力的綜合作用有關。在五六千多米深的地方，溫度高到能夠輕易達到鐵的融點，在這種溫度條件下，足以使鐵維持長期的熔融狀態，可物質的熔點並不是一個常數，在不同的壓力之下，熔點也有所不同。我們知道，壓力越高，物質的熔沸點就越高（高壓鍋便是根據這原理為你煮飯的）。現在倒好，我們的那坨鐵被扔進了全地球壓力最大的地方——它的“肩上”承受著的是整個地球的重量！在這種壓力下，鐵的熔點已經高到連地球最深處的溫度都不足以融化它的地步了。自然，這個壓力所對應的深度，便是固態核心所位於的深度了。

而這兒科學家所發現的“內核心”呢，同樣可能是壓力的傑作。在固態之間，物相的轉變同樣與壓力有著密切的關係。我們熟知，一文不值的碳只要使勁加壓便能夠變成十分土豪的碳。我們也知道，紅柱石加點兒壓力可以變成藍晶石甚至矽線石。鐵呢，不好意思，poorly understood（“了解尚不充分”，跟文獻打交道的同學一定不陌生這個詞組吧）——很明顯的，我們現在還沒有辦法在地球表面的實驗室里維持一個跟整個地球重力相當的重壓。還好，地震波告訴了我們這一切，告訴了我們在地球的最深部有著新的未知結構的可能性。“內核心”究竟是什麼？說實話人們暫時還不知道。現階段人類對地球深部物質－結構的了解依然非常有限。

雖然人們至今依然尚不了解深埋在地球中心的鐵之結晶到底是怎樣一種我們前所未見的新物質，雖然人們至今尚不了解這樣的鐵核分異到底在地球46億年演化史中扮演著怎樣的角色，但只要我們依然在關注，依然在不斷探索，我們與真相之間，便總會有一條不斷匯聚的漸近線。我們畢竟是Homo Sapiens，是以獨特的智慧而向全宇宙發起觀測與認知的物種。