来自地心的“高铁”

周小光

自从知道地球确实分为壳、幔、核三部分以来，人们就一直在寻找进入地球深处的方法。法国科幻作家凡尔纳在《地心之旅》中设想人们可以从火山口钻进去，穿透表壳，穿过幔层，最后直抵地球的核部。这一充满诱惑力的设想并不具有可行性，因为火山并非像井一样可以直通底部，火山的岩浆房里其实是炽热的熔浆，目前的条件下还做不到穿过熔浆继续前进。

20世纪50年代以来，人类已经向太空发射了无数的探测器，但是直到2015年，人类才第一次钻穿地球的表壳，触及地幔。人类在地球深钻方面的进展落后于深空探测主要有两个原因：一个是地球深钻对相关材料的性能要求很高（比如在高温高压条件下不变形），目前技术条件下难以实现；另一个就是，地球深钻远不如深空探测吸引公众眼球，所以相关科研投入和深空探测比起来也就少得多。

那么，除了人类自己打钻这种直接的方式之外，还有其他手段可以用来了解地球内部的情况吗？地球自己有没有什么特殊的机制来沟通地壳、地幔和地核呢？

众说纷纭的地幔柱

地幔柱是唯一一种有可能沟通地壳、地幔和地核的机制，而且是一种单向机制。地幔柱好像是一趟高铁，它和轨道、列车及其运载的货物为一体，以地核的热量为动力来源，以贯通地核、地幔和地壳的柱体为轨道，以地幔物质为主要货物，以喷出到地表为目的地。由于具体喷出的地理位置不同会形成不同的岩石：喷出到海洋的主要形成了洋岛玄武岩，美国的夏威夷群岛就是由一串洋岛玄武岩组成的；喷出到大陆就形成了大火成岩省（一种岩浆建造），我国的峨眉山玄武岩就是这种类型。

如图所示，地幔柱有可能是从高能高热的地核涌起，穿过地幔，携带地幔的物质，刺穿表壳，最后把岩浆喷发出来。这其实也是一种散热机制，高能高热的地核通过地幔柱这种方式进行散热降温。

那么人类是怎么知道地幔柱确实起源于地核呢？

其实，人们起初只是猜测，而且猜测的结果五花八门。有的人认为地幔柱只存在于地幔的顶部；有的人认为地幔柱的根虽然在地核，但是在到达上地幔顶部的时候开始分叉，然后喷到地表；也有人认为地幔柱直接起源于地核，以极快的喷发速度穿过地幔，将岩浆喷发到地表。2015年9月2日，《自然》杂志上发表的美国加州大学伯克利分校地球物理学家芭芭拉·诺曼沃茨和斯科特·法兰西的研究成果表明，地球上较大规模的地幔柱都是最后一种类型。这一最新突破被《科学》杂志遴选为2015年十大科学进展之一，是半个世纪以来地球科学的一个重大突破。

层析地震成像与地幔柱

在最新的研究中，地幔柱的具体形状是通过对地震反射波的解析获得的，这里的地震主要是指大型天然地震。地震主要形成两种地震波，即速度较慢的横波和速度较快的纵波。地震波向四面八方传播，地震波遇到障碍物之后的反射也是全方位的反射。因此，如果在地面上建好地震波接收器，人们就能把从地球内部反射回来的地震波的情况记录下来。通过对全球范围内地震波记录的解析，人们可以研究地球内部的形状，包括地幔柱的形状。

面对大量的地震波数据记录，如何从中提取到对理解地幔柱有用的信息是最大的难题。这是因为：一是越是深部的反射地震波，其信号就越弱，也就越容易被强的噪音波掩盖；二是对于地震波的解析是建立在电脑处理的基础之上，处理这些大量的地震数据需要性能良好的超级计算机。芭芭拉和斯科特处理他们研究的地震数据所耗费的计算量，相当于一台普通电脑工作300万个小时的工作量。

诸多科学家认为，这一研究成果在很大程度上证明地幔柱确实直接起源于地核，在地幔柱的上升过程中也没有因为所谓的“地幔对流”而发生大规模扰动。地幔对流就好像煮开水一样，热的开水上升，冷的开水下降，形成一个循环。

原来，人们认为这种地幔对流是地核散热的一个主要方式，现在看来地核也可以通过地幔柱进行直接散热。这些研究成果的另一个重要价值就是，地幔柱像高铁一样，直接携带了大量来自地核和地幔底部的物质，并把这些物质卸载在地表。将来可以通过更好的手段研究地幔柱喷发上来的这些物质，探寻地核的奥秘。

遥远的太空虽然陌生，其实脚下的地球我们也并不熟悉。如果有机会去夏威夷旅行，在领略沙滩海风之余，何不去看看这些来自地球深处的“高铁”呢？捡一两块儿火山口的石头回来，说不定里面就有一封“地核来信”。

【责任编辑】张小萌