地心之旅：探索地球未知的深处

人类历史上，我们已经完成了许多壮举，从环绕地球航行，到攀登世界之巅的珠穆朗玛峰，再到登上月球，每一次探索都彰显了人类的勇气与智慧。然而，在这浩瀚的宇宙探索之旅中，有一个地方却仍然对我们保持着神秘的面纱，那就是地球的核心——地心。尽管我们已经取得了如此多的成就，但人类朝地心前进的最大深度，仍然只是地表至地心总长的微不足道的一部分，仅仅0.2%。这意味着，地心这个巨大的未知领域，仍然等待着我们去揭开它的秘密。

尽管如此，通过科学家们的不懈努力，我们对于地球的内部结构已经有了相当程度的了解。地球，这个我们赖以生存的星球，就像一颗层层剥开的洋葱，每一层都有其独特的组成和特性。从地壳到地幔，再到外核和内核，每一层都蕴藏着无尽的奥秘和科学的奇迹。

当我们逐步接近地心时，温度和压力的变化将对生物和化学现象产生深远的影响。随着深度的增加，地层的压力和温度都会急剧升高，这种极端的环境条件对于生命来说无疑是一场巨大的挑战。然而，正是这些极端的条件，也为我们提供了探索地球内部奥秘的窗口。科学家们通过模拟这些环境条件，重现了地球内部的高温高压状态，从而能够更深入地研究在这种极端条件下会出现何种化学和生物变化。

火山，作为地球地壳破裂处的标志，是地幔中岩浆涌向地表的通道。它们不仅为我们提供了窥探地球内部的窗口，也是地球上最壮观、最震撼的自然现象之一。每一次火山的爆发，都是地球内部能量释放的见证，也是我们对地球内部了解的一次深化。

图1 火山在地球的地壳破裂处形成，使得地幔中的岩浆能够抵达地表。

而在海洋的深处，马里亚纳海沟作为全球海洋的最深处，更是人类探索的极限之地。这里的深度达到了11千米，但仅有极少数人曾探索过这里，甚至比登陆月球的人数还要少。在这片幽暗而深邃的海域中，科学家们发现了许多令人惊叹的生物，如海参和有孔虫。这些生物的存在，不仅证明了生命的顽强和适应性，也为我们提供了关于地球早期生命形态的重要线索。

图2 电影导演詹姆斯·卡梅隆曾搭乘深海挑战者号潜艇前往马里亚纳海沟底部进行探索。

然而，与海洋的深处相比，人类对于地球内部的挖掘却显得微不足道。目前人类挖掘的最深钻孔深度仅为12.3千米，而最深的水肺潜水纪录也仅仅达到了0.3千米。这些数字与地球内部的深度相比，简直是沧海一粟。但即便如此，科学家们仍然通过不断的研究和探索，逐渐揭开了地球内部的神秘面纱。

在地球的不同深度上，我们会遇到各种奇妙的科学现象。例如，在深度达到20千米时，蛋白质开始变得不稳定；而在19.3千米深处，科学家们发现了可能存在生物的证据，这里的岩石含碳量极高，与产生甲烷的微生物有关。然而，当深度达到30千米时，巨大的压力将使得组成细胞的复杂分子开始分解，复杂生命体将无法存活。

再深入地心，我们会遇到地幔这个由硅酸盐矿物组成的厚实层。在这里，部分岩石处于熔融状态，形成岩浆，并不断地在地球内部循环流动。而当深度达到150千米时，二氧化碳在巨大的压力和高温作用下，会被上推至地表，并在冷却后形成璀璨的钻石。这是地球内部化学作用的奇妙结果，也是大自然赋予我们的宝贵财富。

随着深度的进一步增加，我们会遇到更加极端的条件。在深度达到2500千米的高温和高压下，大多以化合物存在的氧在极端高压下会呈现出金属的特性！这是一种令人难以置信的科学现象，但在地球内部的高温高压环境下却成为可能。而到了4000千米深处，科学家们推测氢气可能会转变为金属态，并且在这种高压下成为超导体，导电时的电阻为零。这不仅是科学上的奇迹，更是对未来科技发展的无限遐想。

图3 地球内部的圈层

最终，当我们到达地心时，这里的深度已经达到了6370千米。在这个地方，各方向的重力相互平衡，你不会感受到明显的重量，而只会感受到巨大的压力。这里的压力是地表的300万倍，足以将任何物体压缩。然而，即便是在这样极端的环境下，科学家们仍然通过间接的方式对地心进行了探索和研究。

那么，我们究竟是如何得知地球内部的状况的呢？既然无法直接取得地心的实际样本，科学家们就通过一系列巧妙的方法来揭示地球内部的秘密。首先，他们通过观察地球重力对地表物体的影响力来计算地球的质量。通过这种方法，科学家们发现地球的平均密度比地表岩石的密度高出许多，从而推断出地球多数的质量必定集中在地心。

为了更深入地了解地心的组成，科学家们将目光投向了宇宙中的元素分布。他们发现铁是银河系中最普遍的重元素之一，但在地球表面却不常见。因此，科学家们推测铁一定受重力吸引，随时间逐渐向地心沉降。这一推测不仅得到了地震波研究的支持，还为我们揭示了地球内部物质分布的重要规律。

图4 通过地震波科学家发现地核既存在着固态的内核，也含有液态的外核。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：陈会忠 中国地震局地震预测研究所研究员