給地球做「B超」：透明的地球會是什麼樣？
在法國小說家儒勒·凡爾納所著的《地心歷險記》中，三位主人公按照古人所寫的一封密碼信的指引，在冰島找到一個火山口，並沿著火山熔岩的通道深入地下，成功到達了地心。在那裡，他們不僅發現了一個巨大的海洋，還發現了海岸邊生長著的體型巨大的植物，甚至看見了古人類的遺骸。歷經千辛萬苦之後，他們又遭遇到地下火山噴發，最後被火山強大的氣流噴回地面。此時，他們才驚訝地發現自己竟然正身處幾千千米之外的義大利。
奇妙的探險故事給很多人留下了深刻印象。這個故事也曾多次被搬上電影銀幕，其中包括2008年美國人執導的3D版同名電影，想必很多人都看過。地心世界真的有那麼奇妙嗎?我們究竟該怎樣了解腳下的地球呢?
《地心歷險記》電影海報
地球究竟是個什麼球
現在，大家幾乎都知道，地球分為三個圈層，分別是地殼、地幔和地核。46億年前原始地球形成以後，它內部的物質就開始發生變化。在重力的作用下，一些較重的物質開始慢慢向地心下沉形成地核;另外一些較輕的物質逐漸上浮，組成了地幔;地幔的表層慢慢散熱冷卻，變成了堅硬的地殼。但是，近年來隨著科學家的不斷深入研究，人們又有了更多新的發現。有人認為，地球應該稱之為「水球」才對，因為在它的表面，有71%的地方都被水覆蓋著。從太空眺望地球，它是一個美麗的藍色星球。不僅如此，地球內部還蘊藏著大量的水分。2014年6月12日，美國科學家發布了一條消息稱：我們的地球內部可能存在一片海洋，且它的水量幾乎相當於如今地表海洋水總量的3倍。
在礦物之中，水有多種存在形式：以機械吸附方式呈水分子狀態存在於礦物表面或內部的，被稱為吸附水;以水分子的形式參加礦物晶格的構成並佔據一定的構造位置的，被稱為結晶水;以OH-等離子形式參加礦物晶格的構成的，被稱為結構水。這次科學家所發現的地下水就是結晶水，它在地球深處高溫環境中變成水分子形式，然後被「綁定」在地下一種岩石的礦物分子結構中。倘若到了一定的深度和溫度環境中，這種岩石會發生熔融，那時水分子才會釋放出來。單單從巨大的含水量來說，地球深處真稱得上是「隱藏的海洋」。
還有一種學說認為，地球是一個「實心的大氣球」，因為地球內部存在大量的氣體，而且經常向外排放氣體。隨著深度的增加，氣體量也越來越大。氣體噴出最常見、最典型的時刻就是火山噴發。當火山爆發的時候，伴隨著巨大的聲響，強大的衝擊力會將無數的岩石碎塊、火山灰等固體物質射向高空，遮天蔽日，而這種強勁的力量就是來自於地球內部的氣體。我們腳下的這片土地究竟是地球、水球還是氣球?這問題似乎有點讓我們摸不著頭腦了，畢竟我們是站在地表推測地球深處的情況，都是間接的數據分析和思考。
地球的圈層結構
義大利埃特納火山噴出的「煙圈」
圓圓的煙圈漂浮在天空中，就像人抽煙的人吐出的煙圈一樣。
火山爆發時吐出的煙圈呈圓形，直徑達到了數十米。
如何了解地球內部
如果問大家，地球上最大的單晶體是什麼?你應該會想，這一定是珍藏在某個博物館中的礦物晶體，可事實上，吉尼斯世界紀錄中公布的數據竟然是這樣的：這塊單晶體幾乎全部由鐵組成，直徑大約是2442千米，溫度高達5000～6000℃，而且還保持著固體狀態。這就是地球的內核。之所以它在這麼高的溫度下還能保持固態，主要是由於地球深處巨大的壓力。相比之下，地球的外核雖然和內核的成分基本一樣，但由於沒有足夠的壓力，因而還是保持著液態。可問題在於，幾千千米之下的地核，我們根本不可能用肉眼看到，那怎麼研究它呢?
目前，我們了解地下情況的主要方法是鑽探，通過鑽孔取出岩芯後再加以研究。然而，鑽得越深，施工難度就越大，成本也就越高。世界上曾有的最深鑽孔，是1970年蘇聯進行科學鑽探時的一口鑽井取得的，它位於俄羅斯西北部邊境的科拉半島，鑽孔深度達到12262米。可是，這個深度還不及地球半徑的1/500。雖然後來這個鑽孔深度紀錄被兩次打破，但都未能突破13千米。所以，僅僅依靠鑽孔了解地下情況顯然是不行的。到目前為止，人們關於地球內部的知識，主要都是來自於對地震波的研究。
經歷過地震的人應該會有這樣的感受：當地震發生時，通常是先感覺到上下顛簸，然後再感到前後或左右搖晃。這是因為當地震發生時，釋放的彈性波包括縱波和橫波兩種形式，而縱波速度快於橫波，所以從地球深處傳上來的首先是縱波(也就是上下抖動)，然後才是橫波(讓我們前後左右搖晃)。縱波傳播時，質點的振動方向與波的傳播方向一致，一疏一密相間出現，就像被壓縮的彈簧彈開時一樣。橫波傳播時，介質質點的振動方向與波的傳播方向互相垂直。舉個例子，假如你拿一根繩子，然後用手抓繩子的一頭沿水平方向抖動繩子，一個個的橫波就會從繩子的一頭傳向另一頭。它們之間最主要的區別在於，縱波可以通過固體、液體和氣體傳播，而橫波只能通過固體傳播。同時，縱波比橫波的傳播速度快，在大多數岩石中，縱波的傳播速度為橫波速度的1.7倍。
1909年10月，歐洲的巴爾幹半島發生了嚴重的地震，克羅埃西亞一位名叫莫霍洛維奇的地球物理學家仔細研究了那次地震。他發現在地下大約33千米的地方，地震波的傳播速度發生了明顯的變化，縱波和橫波都突然增大，這種變化不是連續的，而是一種突變。於是，莫霍洛維奇認為地球內部是分層的，在地下存在一個界面，界面上下之間的物質成分和密度明顯不同。後來，隨著研究的不斷深入，人們發現這一界面具有全球性，不僅陸地上有，海洋里也有。後人為了紀念莫霍洛維奇的這一偉大貢獻，將這個界面稱為「莫霍面」，並將這個界面之上稱為地殼，界面之下稱為地幔。
根據同樣的原理，1914年，另外一位著名的地震學家古登堡發現，從莫霍面往下，地震波速一直慢慢增大，但到了2900千米深處，縱波速度驟然下降，橫波突然中止消失，不再向下傳播。很顯然，這裡又出現了一個分界面。後人為了紀念古登堡的這一偉大發現，將這個界面稱為「古登堡面」。它是地核與地幔的分界層，上部是地幔，下部就是地核。隨著研究的不斷深入，人們逐漸認識到，地球的內核分為兩部分，即外核與內核。其中，從地下2900～5000千米深處，叫做外核，接近於液體，為鐵、硅、鎳組成的熔融體；5000千米以下的深部為內核，呈現出固態特徵。
倘若能夠透視地球
很遺憾，我們對於地球內部的了解依然停留在推測和假說階段，地質學家多麼想親眼看到地球的內部。倘若我們的地球能像玻璃一樣透明，那地下的一切情況豈不是一目了然，那許多的地質難題豈不迎刃而解!
2011年年初，在江蘇省政協十屆四次會議期間，有位委員提出了一個令人耳目一新的提案：在江蘇省境內實施「透視地球工程」。該提案提出，要通過收集整理江蘇全省的地質、城市地上地下工程建設、地震監測、環境保護、地下文物等數據資料，建立一個多參數、多信息、動態的、地下透明可見的三維地球模型。對於重要成礦地帶可以按照1:10000的比例建立，深度範圍是地表1000米以內或更深。而對於城市和重要經濟區則可以做到1:5000或者更高，深度以地下500米為限。試想，如果這一工程真的實現了，那將會為以後的工程建設提供多大的便利!只要我們能清楚地了解地下的實際情況，無論是礦產資源的勘探，還是地質災害的預測，都將不再是難題。
但是，如何才能實現這一目標呢?首先，這要藉助於三維地質。顧名思義，三維地質就是指我們採用先進的計算機技術，實現地質資料的三維可視化，就如同我們能夠「透視」地下情況一樣，這將為地質資料的查詢提供極大便利。以首都北京為例，如果您有機會來到北京市地質礦產勘查開發局(簡稱北京市地勘局)的信息大廳，只須按要求在電腦上輸入相應的指令，北京市的主要地層、地下構造、地熱、地下水等三維模擬模型即可直觀地展現在眼前。這就是北京市地勘局自2002年開始，歷經7年時間，建立的三維可視化地質信息與服務系統，這在全國乃是首開先河。如果您想知道哪裡有地熱和溫泉，哪裡賦存著豐富的地下水資源，只需一步步地查詢便可以一清二楚。隨著信息的進一步完善，它將對規劃、國土、環保、水務、市政、建設和農業等多個領域的管理和決策工作產生重要作用。
當然，「三維地質」這個概念往往只是相較於某一個區域而言。若是針對整個國家的國土資源而言，則可以實現「玻璃國土」計劃。若從全球角度來說，建立了三維地質模型也就是真正實現了「玻璃地球」計劃。
前蘇聯的科拉超深鑽孔，深度超過12公里
地震勘探方法原理示意圖
地震勘探方法中的震源車，用於產生地震波
地震勘探方法中的檢波器，用於接收傳輸的地震波
我國的「玻璃地球計劃」
就我國而言，要實現「玻璃國土」的目標面臨的困難很大。一方面，我國還未全面實現各地的詳細地質調查。僅就金屬礦而言，我國約一半的陸地都被盆地和各種覆蓋層所掩蓋，這些地方的找礦工作程度很低，甚至是找礦的「處女地」;另一方面，在地球深部資源探測方面，我國已有固體礦產勘探開採的深度大都小於500米，而世界一些礦業大國已達到2500米~4000米，南非計劃開採的深度則達到了6000米。因此，在我國國土上，無論是從勘探範圍還是從勘探深度來說，都仍有大量的工作要做。
2009年6月10日，中國科學院發布了《創新2050：科學技術與中國的未來》系列報告，為我國描繪了面向2050年的科技發展路線圖。報告中提出了一項「中國地下4000米透明計劃」，這項計劃的目的是要解決三大關鍵問題：其一，建立不同尺度的礦床成礦模型；其二，突破深部探測技術，包括鑽探、地球物理勘探和地球化學勘探；其三，建立深部礦床的勘查評價方法及三維可視化模型。簡而言之，就是力爭到2040年，使我國主要區域地下4000米以內變得「透明」，為尋找深部礦產資源提供基礎資料。那到底怎樣才能讓地球「 透明」起來呢?一種主要方法就是地震反射技術，它是一種精度很高的地球物理勘探方法。主要利用人工爆炸、衝擊或其他振動源產生地震波，然後在地表或井中用檢波器將其接收，然後對其進行處理和解釋。經過這一系列的工作，便可以分析判斷地層界面、岩土性質和地質構造等。自上世紀50年代以來，我國已經開展的用於地殼深部探測的反射地震剖面總長不足5000千米，與歐美國家相比差距明顯。這僅僅相當於美國的1/13，俄羅斯的1/5，英國的1/5，義大利的1/2。可喜的是，經過5年的努力，我國地質學家完成了6160千米「穿透地殼」的深反射地震剖面探測工作，長度超過了此前50年完成工作量的總和，總長度達到了1.1萬千米。
2014年4月16-17日，我國第491次香山科學會議學術討論會在北京成功召開。此次會議的主題是「中國『玻璃地球』建設的核心技術及發展戰略」，來自地球科學戰線的專家學者對我國的「玻璃地球」計劃紛紛獻言獻策。專家們認為，雖然「玻璃地球」的概念已經被提出並成為當前研究的熱點，但是相關的理論和方法尚不成熟，特別是如何以三維圖像的方式呈現「看不見」的地球內部，成為大數據時代地質學家所面臨的焦點和難點。「玻璃地球」計劃是時代發展的迫切需求，也是未來地球科學研究的方向。我們相信，對地球了解得越深入，我們開發礦產資源的能力也就會越強。同時，我們防禦地質災害的能力也越強。
※中國給地球「做CT」：讓地殼逐漸變透明 尋找地震規律
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