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我们不知道答案的125个科学问题（10）地球的内部运动: 热度 3 Zhanglincn 2017-12-11 21:58; 本系列不仅仅是Science杂志问题的个人翻译，而是试图给出一个答案的可能线索...... 上接第 9 个问题： http://blog.sciencenet.cn/blog-318012-1081870.html 题记：我们人类虽然长期生活在地球表面，但对地球表面形貌的理解依然有限。虽然我们很早就认识了地球的大小、形状以及陆地和海洋的形态分布，但我们其实并不知道地球表面的这些地质构造是如何形成和发展的。下面一个问题就来揭示这个问题所蕴含的科学知识。 10. 地球的内部如何运动? How Does Earth's Interior Work ？地球表面被陆地、海洋，河流山川、植被等所覆盖，我们人类就在这样的自然环境和背景中生存和发展。一直以来人类对其活动的陆地的分布和形状总感到好奇，例如为什么亚洲是这个样子、非洲是那个形状，而澳洲又是这样远离其他大陆，这些陆地的形状和分布到底是怎么形成的？1620年英国有一个聪明的脑袋正看着世界地图发呆，忽然他发现非洲板块缺口的那个地方刚好可以被美洲填上（图1左图），于是他兴奋地猜想地球的大陆原来可能是连在一起的整块，随着岁月这些板块运动分散成现在的样子，而这个人就是英国著名哲学家培根。于是人们对地球陆地板块的拼图游戏产生了浓厚的兴趣，1912年阿尔弗雷德·魏格纳正式提出了大陆板块漂移学说，并在1915年发表了他的《海陆的起源》一书，书中对陆地板块漂移作了进一步科学的论证，而这就形成今天所谓的板块构造学说的基础。图1 地球的板块拼图如今伴随着板块构造学说被越来越多的证据所支持，板块构造学说也越来越向纵深发展。现在的板块构造学说已经能够让人们理解地球上大部分地质结构的形成和发展，但对它的认识就如同我们认识伦敦英国议会大厦钟楼上的大本钟一样，我们只是看到了钟面指针的运动，而钟面下面驱动指针运动的基本驱动系统我们依然知之甚少。对地球表面的板块而言，它下面还存在着另外6300多公里厚的岩层、岩浆和铁镍的核心，这些深层的结构共同组成了驱动那些板块不断运动和漂移的动力，地球内部的岩浆层和外层的岩层圈就像不停上下搅动的热机，它让不同的大陆板块在地表彼此移动和冲撞，这就像种表表盘上的指针一样。但是地球表面的板块到底是怎样被内部构造驱动的？图2 地球的内部结构谈到地球内部的运作方式必然涉及到地球的内部结构。现今的地球物理学家有一个从以前地球板块理论学家那里继承下来的最简单的图像：地球的结构就像一个洋葱（如图2）。对地球分层结构的认识其实来源于一种非常简单的观测：地震波在地球内的传播。地震波就像给地球做的超声CT一样，地震波在壳层中的反射、透射会带来地球内部结构的信息。地震波向地球深处的传播过程所反馈的信息表明在地表的板块下面存在着一个2800公里厚的固态岩石地幔层，其下面则是3740公里熔融的外地核层和固态的铁芯内核层。而地幔层在670公里处又分为上下两层（上地幔层和下地幔层），地震波信号可以明显显示地幔的上下层之间还存在一个二百多公里厚度的过度层。在后板块理论时代，地球的洋葱结构模型继续被发扬光大。而基于此结构的地球内部运作机制的主要图像是：地表下的670公里处作为一个分界，是地球岩层圈的三层运行机制的核心。在670公里分界面以上，地幔就像浅水壶里的开水一样慢慢地上下搅动，这种搅动把热量和岩石通过大洋中脊（大洋中脊是形成于水下链接在一起的山脉系，图3上图是一段大洋山脊的示意图）不断传送到上部形成新的岩石层，从而使得内层的温度降低，而上部的冷却板块则下沉进入深海沟。这样从670公里的地幔层上部会有一股股热的熔岩柱冲出地表形成像夏威夷火山一样的火山热点（图3下）。但是还没有迹象表明热的岩柱能直接穿过670公里处的屏障或者冷的岩石会从上部下降穿过670处分界到下层地幔层。但另一方面也有人认为地幔层的上下搅动更像一个深水壶中的开水一样，进行的是深度的对流搅动，熔岩是从内层地幔的下层自下而上形成岩层的大对流而并非仅在上层地幔中浅表层进行对流。当然简单地讲地球整体就像一个逐渐冷却的铁球，表面的壳逐渐冷却紧缩裂成板块，内部的高温液态部分和表面会形成对流环，而内部引力和高温所形成的高压让球内的液态部分通过对流环裂面冲出球面，而更深的内核则在更高的压力下成为不能流动的固态芯。球在逐渐冷却的过程中不同物质成分会随温度和压力梯度逐渐分层，形成地球的分层结构。图3 大洋中脊片段（上）图3 海洋中脊岩层的运动（下）人们利用更为先进的地震成像技术，经过40多年对地球内部的不断探测，越来越认识到地球板块引擎运行的复杂性，但丝毫也没有平息人们在这个问题上的激烈争论。现在的地震成像分析已经表明地下670公里处的分界可能并不是一个不可逾越的屏障，虽然非常困难，但地质板块确实可以穿过670公里处的边界进行流动。现在分层理论的拥护者已经适时地放弃了他们在1000公里及其以下分层边界不可穿越的理论。或者他们已经觉得在地球内部的分层中应该存在一种更加具有弹性的半渗透的边界，其只会限制那些最坚固的岩块或热柱的运动。如今，地震成像研究已经发现在非洲和太平洋底存在两个由地幔岩石组成的对流团，这两团上升的岩柱就像两个活塞。研究人员还无法确定它们是否比地幔平均的岩层热，由于自身的密度小而向上运动，还是密度更大而不断下沉，或者仅仅是被动地被周围的热流带动向上运动。薄透镜形状的部分融化的岩石团散布在地幔的底部，很像地幔层上升岩柱的底部，当然也可能根本不是。地球化学家研究了来自地幔岩石的元素和同位素，结果显示地幔中可能存在5个存在了数十亿年类似“热库”的岩流团（对流团），它们在地幔中不断融合搅动。但是他们并不知道这些深埋在地幔中的“热库”到底隐藏在哪里。那么我们将如何拆解这越来越显得复杂的行星热机并弄清楚它是如何驱动板块发生移动的？伴随着诸多的问题和更大的耐心，地球板块构造理论的形成已经经过了半个多世纪，对于板块构造的革新者来说必须更加深入地了解海床以下所发生的事情。随着更好的地震监测仪在整个地球各个位点的分布，地震波成像技术将会继续获得发展。现在的地震数据已经能够区分成温度和组成所带来的不同信息，通过这些数据科学家们已经能够给出一个更加丰富的地幔结构图像。在实验室里进行实验的矿物物理学家也已经能够找到岩石在深层地幔环境中更多的性质，从而可以用来进一步解读地震波数据中由于缺乏地幔细致结构而不能解读的数据。再加上地球内部运行模型的计算者结合地震学、矿物物理学和地球物理学方面的观测数据（比如地球重力的变化数据）可以给出更加可靠的数值模拟结果。我想40年后一个比较真实的地球内部运动的机制将会呈现在我们面前。 –RICHARDA.KERR; 个人分类: 科学教育|9208 次阅读|5 个评论

我构思了以下的一篇科幻小说-关于地球内部: josh 2010-5-3 12:36; 高中时，多余一个笔记本，放在那里一直没有用处。后来想想，自己自小时侯便沉迷凡尔纳的科幻小说，何不写自己的科幻小说呢？于是开始构思。但当时想象力贫乏，想来想去，也没有超出地球的范围：最终决定写几个探险者在北极进入地球内部的故事。由于高考压力，这篇小说写到他们刚进入地球内部便不了了之。不超过两页纸。直到最近读到关于《五岳真形图》，读到地球内部中空与否的争论，方才又想起了近十年前的写科幻小说的尝试。现在仍心有不甘，却又没有写科幻小说的天赋，便把自己的提纲列在下面：我构思了以下的一篇科幻小说-关于地月分离 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=318177 中提到：上上古，月球来到了地球，在地球北半球上空，且与地球紧挨着。月球上的月人与地球人时或来往。那时，月球被称为天，地球被称为地。那时地球上的物体受到这两个星球的共同吸引，所以引力场十分混沌。后来月球人内部战争爆发，月球被击离地球，逐渐上升。在上升的过程中，由于引力变化作用，地球上的海洋水分布一时混乱，一些地方发大洪水，而一些地方相反。月球人内部的战争级别远非我们现在所能想象。他们既然能将月球击离地球，说明他们掌握的技术至少不比我们落后。那时一部分人为了躲避这场战争，而躲入了地球内部和月球内部。地球和月球内部不是全空的，而是有很多隧道相连的地洞组成。相当于立体的城市。或者比喻成蚂蚁的地洞，也是由隧道相连的地洞组成。为什么不全空？首先，挖掘作业量大；其次，不稳固。地月分离后，月球表面基本被毁坏，只剩下内部可生存；而地球表面虽有大洪水，但仍有少部分人存活下来开始新的文明。至于地球内部的人，当然也存活下来。这样看来，地球内部和月球内部的人都是地月分离、大战争、大洪水前的上一个文明的人，在文明、科技、智力等各方面，当然比文明重新开始的地球表面的人们要高，且高得多。不幸的是，我们就是那文明重新开始的地球表面的人们，而我们又不相信地球内部和月球内部的人比我们高等，甚至不相信他们存在。不过他们不在乎，在他们眼里，咱们还只是孩子，不管孩子多么幼稚，大人还是要保护孩子的。直到我们长大的那一天。; 个人分类: 儒释道|6099 次阅读|1 个评论

弹性突跳与熵【漫谈地球物理】之二点五: dongping2009 2009-6-22 12:20; 题目二：弹性突跳与Grneisen参数李小文老师在弹性突跳与底儿掉一文后，给我布置了一个作业，我在再谈海底扩张与板块构造学说一文，算是完成了这个作业的后半部分，但前半部分一直拖着，也不是个事儿，虽然我下载了一大堆文献，但越读这些文献，连我自己都越不自信，不知道这些文献能否回答李老师的这个问题，所以这个作业的前半部，我今儿个正式回答李小文老师，我是完成不了了，还望李老师鉴谅则个。虽然如此，我认为，有一本书应该是想进一步深入了解此问题之任一人所必读的，那就是《 Quantitative Seismology Theory and Methods 》（中文版为《定量地震学》），作者为 Aki 和 Richards 。这里 Aki 为一个日本人，其日文名为安艺敬一，我在纪念人类发现地壳 100 周年一文中已经说过，此人也是一位非常 Niubious 的人物。下面的问题与本人的专业关系比较相关，但也可以说不太紧密，说错了问题也可能不太大，我对李老师说话的口气，相应地可以随意一些了。 ^_^ 首先将称呼变一变，从李老师到黄老邪。黄老邪在科学网上一谈二谈三谈，关于物理中的熵定义。我的感觉，黄老邪是要一直到九谈熵定义不可了，我今儿个凑凑热闹，给熵再增加点熵出来。熵这东西很烦人，也很繁人。但如果对不想了解它的人而言，无论如何简单的定义也都很烦人，倒是对于绕不开的人，烦一些或者繁一些，反而可能更好。这样的话，你可以更清楚熵这东西的真实含义，免得你到时候，与那焓啊及自由能啊啥五的，搞在一起弄得你是更混，而更加分不清楚了；换句话说，熵增得分不清楚了。比如说，老邪当然可以定义自己的熵概念，但我的意思，不能够仅仅给出老邪熵的定义后一推了事，现在热力学中所有与熵相关的公式及其延伸概念，都需要我们的黄老邪，最起码需要黄老邪召集懂行的大伙一起，相应地进行仔仔细细地斟酌与推敲。总之，要使得我们大家信服，老邪这个熵与传统那个熵没有任何的区别，这样定义下，确实能够帮助我们大伙，进一步理解焓与自由能等等相关的其它概念，并在此基础上建立后续理论。例如，地球内部物理中，就有一个著名的 Grneisen 参数，涉及到最初关于热力学的传统熵定义，并且与我们现在对地球内部的压力与温度等等（下图），如何从地球的中心向地表传播，都有非常紧密的联系。当然进一步到了地表后，与老邪本人研究的水土光、人生气，大概也是很紧密地联系在一起了。标题：发表评论人： iwesun 删除回复就有一个著名的Gruneisen参数，图表翻译成中文，要不俺不懂，劳驾。博主回复：亚辉在学小文老师，给我布置作业了:-))) （较原回答有简单修订）地球内部的 Grneisen 参数，一些学者将此翻译成格里内森参数，也有翻译成格吕奈森参数的，还有其它不同的翻译，可以想见，这东西在地学界还是多么混乱的状态，以至于国内尚未有Niubious的人物出面，给他一个统一的中文名称定义。但一般而言，该参数主要与下地幔的温度分布有关，同时受到其压力分布的制约，当然因此也影响到上地幔及地核的温度与压力分布。总之，该参数好象非我上面一张图所能够说得清楚的。但无论如何，只要一个东西一与温度压力粘上关系，则自然与熵这玩意也分不开了。图中一些英文的中译：Partial Melt 部分熔融；Basin Range 盆地与山脉；Craton 克拉通，稳定地块；Sierra Nevada 内华达山脊图中左侧纵坐标表示深度范围，从地表至地下700公里深度；右侧纵坐标表示相应的压力分布；横坐标为温度分布。所以，亚辉你看， Grneisen 参数实际上是描述的700公里以下的与温度及压力有关的一个参数，当然与熵也有关系。; 个人分类: 地球物理|7126 次阅读|5 个评论

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