地球内部结构形成之谜

腾吉文

任何事情都是有来龙去脉的。众所周知，地球内部包括地壳、地幔、地核等结构，但这种内部结构是如何形成的呢？

地球形成后发生过各种各样的变化，其中影响特别深远的是整个地球物质分异、调整成若干同心圈层，即地核、地幔、地壳、水圈、大气圈以及生物圈。这些圈层并非原始地球就有的，而是地球长期演化的产物。

大约 46 亿年前，从太阳星云中分化凝聚而成的原始地球是一个近似的球体，而且温度很低，各种物质混杂在一起，没有明显的分层。由于原始地球的收缩和放射性元素衰变等原因，地球内部温度逐渐升高，使物质具有可塑性，局部出现熔融状态，在重力作用下物质开始分异，其中地核、地幔、地壳组成固体地球。水圈和大气圈对固体地球的形成和改造有着重要影响，特别是地-气耦合、海-陆耦合所导致的地球系统的形成与变迁。

耦合：物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。

地球内部物质的分异、调整是地球早期演化的根本动因所在。地球在被加热到铁能熔化的温度后，其物质结构与组成发生了变异，地核的形成是地球物质分异作用的初始阶段，这一时期地球内部的物质大体上是均一的。地球由均质转变为分带或分层的星体，外部有坚硬的地壳表层，而内部为致密铁质核心。在分异过程中，铁沉入地心，轻物质上浮，形成地壳，地表则由低熔点的较轻物质组成，在地壳与地核之间是分异剩下的地幔。分异作用是地球内部最为重要的物质与能量的交换过程，它最终导致地壳的形成。分异作用促使地球内部的气体溢出，最终导致大气圈和大洋圈的形成。

熔点：晶体（如冰、金属、盐等）物质开始熔化为液体时的温度。不同的晶体物质熔点不同。非晶体物质（如玻璃等）的熔化是缓慢发生的，没有熔点。

地核与地幔构成了地球总体的绝大部分，虽然它们不出露地表，但地表的一些大尺度现象，如地壳运动、海陆形成等，都与其形成有关。

不论地核、地幔在形成前和形成时的情况如何，最终一定要演化为现在的状态，这是认识地球历史的钥匙。对于从原始物质演化成具有圈层构造的地球，很多人认为要经过两次大的物质分异。第一次排除气物质（氢、氦、氖等）和冰物质（碳、氧、氮及其氢化物）；第二次是土物质（镁、铝、硅、铁等及其氧化物），主要是铁或富铁物质与硅酸盐类物质的分异，形成地球的分层构造。

硅酸盐：硅酸和金属离子形成的盐。天然硅酸盐分布很广，种类繁多，是地球上构成多数岩石和土壤的主要成分。

对形成地核与地幔的铁硅分异问题的研究，可大致分为两种不同的观点，即“均一吸积说”和“非均一吸积说”。“非均一吸积说”认为，在原始星云状态时，铁和硅已经分离，地球的吸积生长过程不是均一的，而是先吸积铁，形成地核，之后吸积硅酸盐，形成地幔。“均一吸积说”则认为，地球所吸积的物质在组成上是均一的，吸积的物质同时含有硅和铁，地核和地幔的分异是在吸积过程中或吸积结束时开始的。目前通常认为，均一吸积说可能性较大，即原始地球是一个接近均质的球体，并没有明显的分层现象。在地球自身引力和内部温度的共同作用下，物质分异、调整和运移。在分异的过程中，流动的轻物质上涌形成外层，流动的重物质下降形成内层，构成地球圈层物质的分异过程。

传导作用使地球内部的热物质向地表运移，这个过程可能很缓慢，使大部分热聚积在地球内部，内部温度增高。当内部热到一定程度时则熔融，并运移地球物质，这种对流作用便成为控制地球内热向地表运移的有效机制。一旦对流作用开始，热量便逐渐散失，行星很快冷却。地幔固结了，但下沉的铁质地核并不固结，仍为熔融状。

传导、对流和辐射是热的三种传播方式。

在圈层分异、调整过程中，温度是不容忽视的条件。温度很低时，不同物质都以固态呈现，故它们不可能在重力作用下像流体那样自由涌落。随着时间的推移，地球的体积逐渐增大，且保存热能的能力逐渐增加，放射性元素在蜕变中所产生的热能，就在地球内部积累起来。随着地球内部热量的积累，温度逐渐增高，其内部的物质也就具有越来越高的可塑性。当温度高到一定程度，以至其内部物质具有足够的可塑性时，则会开始在重力作用下的分异过程。

放射性元素：能放出射线而衰变为另一类元素的一类元素，如镭、铀、钚等。

圈层分异的结果是形成以密度高低为顺序的明显层次。显然，物质密度的差异是圈层分异的内在条件。地球内部的较轻物质是硅酸盐类；而较重物质则为铁和镍，前者具有低密度和高熔点性质，而后者则具有高密度和低熔点性质。因此，当地球内部温度足够高的时候，铁和镍就熔化了，而硅酸盐物质仍然保持其固体状态，于是地球上层的铁和镍的熔体就渗过硅酸盐物质流向地球内部深处；同时，地球内部的硅酸盐物质浮到地球上层。这样，地球就分异成地核和地幔。地核和地幔的形成是地球分异成同心圈层的第一步，也是关键的一步。如果没有地幔和地幔低速层，则不会出现由它分异出来的岩石圈；如果没有地核，则不会出现由它分异出来的地球内核，而现今地表所见到的许多地质与构造活动和地球物理现象，都是地球内部动力作用下的产物。

从地球形成和圈层分异完成，至今已有几十亿年。随着地球整体的冷却，为什么地核（指外核）能保持原始的液态呢？这可能是因为地幔本身的放射性物质在不断加热，它是一个热导率不大的坚硬而巨厚的“岩石帷幕”。准确地说，核-幔边界是一层厚度为 200—500 千米的过渡层，是地球内部的动力边界，地幔对地核起着某种绝热作用。

地核和地幔形成后，那时的地球表层是熔融状态的。在距今 4.0×10 ⁹ —4.6×10 ⁹ 年前，表层开始冷却分异，形成全球性的原始地壳——大陆地壳。在距今 3.0×10 ⁹ —4.0×10 ⁹ 年前，类地行星都受到外来星体的撞击，由于地球质量大、引力强，撞击作用很猛烈。有人推算，地表受星体撞击的单位面积比月球多 30%—50%，撞击坑比月球大 11%—15%。星体在地表的撞击分布不均匀，在受撞击比较集中的区域下面会造成地幔熔化，并发生玄武岩喷发，排出大量岩浆和气体，从而改变了原始地壳的成分，形成原始大洋地壳。

玄武岩：“玄武”汉语中指乌龟。玄武岩是火成岩，是火山喷发出的岩浆冷却后凝固而成的。

原始大陆地壳由于部分熔化、再次活化和岩浆侵入等作用，以及进一步发生分异，形成由变质岩岩浆组成的下地壳和由花岗闪长岩组成的上地壳。

由于地幔对流和板块运动，原始海洋地壳在海岭处增生出新地壳，并且向两侧扩张，在深海沟处下沉，进入地幔而消失，因而不断地更新。

上述大陆地壳与海洋地壳的形成及其以后的演化，大大改变了地球的外观。沧海桑田，今非昔比，现在已很难看出原始地壳的痕迹了。如今，大陆地壳厚度约几十千米，由近似中性的岩石组成，其岩石年龄可达 3.7×10 ⁹ —3.8×10 ⁹ 年；海洋地壳的厚度仅几千米，主要由玄武岩组成，其岩石年龄仅几亿年。