給地球做“B超”
法國(guó)小說(shuō)家儒勒·凡爾納寫有一本小說(shuō)，名為《地心歷險(xiǎn)記》。書中的三名主人公根據(jù)古人所寫的一封密碼信的指引，在冰島找到一個(gè)火山口，沿著火山熔巖的通道深入地下，成功到達(dá)了地心。在這里，它們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的海洋，而且海岸邊還生長(zhǎng)體型巨大的植物，甚至還有古人類的遺骸。歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦之后，他們又遭遇到火山噴發(fā)，最后被火山強(qiáng)大的氣流噴出地面，而此時(shí)，他們竟然身處幾千公里之外的意大利。奇妙的探險(xiǎn)故事給很多人留下了深刻印象，也多次被搬上電影熒幕，其中包括2008年美國(guó)人執(zhí)導(dǎo)的3D版同名電影，想必很多人都在電影院看過(guò)。
地心里真的是那么奇妙嗎？我們就究竟該怎么了解腳下的地球呢？
《地心歷險(xiǎn)記》電影海報(bào)
地球內(nèi)部是什么？
現(xiàn)在，幾乎大家都知道，地球分為三個(gè)圈層：地殼、地幔、地核。46億年前原始地球形成以后，它內(nèi)部的物質(zhì)就開(kāi)始發(fā)生變化，在重力的作用下，一些較重的物質(zhì)開(kāi)始慢慢向地心下沉形成地核；另外一些較輕的物質(zhì)逐漸上浮，就組成了地幔；地幔的表層慢慢散熱冷卻，變成了堅(jiān)硬的地殼。
但是，近年來(lái)隨著科學(xué)家的不斷深入研究，人們又獲得了更多新的發(fā)現(xiàn)。
有人認(rèn)為，地球應(yīng)該稱“水球”才對(duì)，因?yàn)樵谒谋砻?1%的地方都被水覆蓋著，從太空看地球，它是一個(gè)藍(lán)色的美麗星球。不僅如此，地球內(nèi)部還蘊(yùn)藏著大量的水分。2014年6月12日，美國(guó)科學(xué)家發(fā)布一條消息：我們的地球內(nèi)部可能存在一個(gè)海洋，而且它的水量幾乎相當(dāng)于如今地表海洋水總量的3倍。當(dāng)然，這里的水和我們見(jiàn)到的海水、河水、冰川水都不一樣，它既不是液態(tài)，也不是固體，更不是水蒸氣形式的氣態(tài)。在礦物之中，水的存在形式有多種，可以是機(jī)械吸附方式呈水分子狀態(tài)存在于礦物表面或內(nèi)部，被稱為是吸附水，可以是以水分子的形式參加礦物晶格的構(gòu)成并占據(jù)一定的構(gòu)造位置，稱為結(jié)晶水，也可以是以O(shè)H﹣等離子形式參加礦物晶格的構(gòu)成，這叫做結(jié)構(gòu)水。這次科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的地下水就是結(jié)晶水，它在地下深處高溫環(huán)境中變成水分子形式，然后“綁定”在地下一種巖石的礦物分子結(jié)構(gòu)中。倘若到了一定的深度和溫度環(huán)境中，這種巖石會(huì)發(fā)生熔融，水分子才會(huì)釋放出來(lái)。單單從巨大的含水量來(lái)說(shuō)，這地下深處真稱得上是“隱藏的海洋”。
還有種學(xué)說(shuō)認(rèn)為，地球是一個(gè)“實(shí)心的大氣球”，因?yàn)榈厍騼?nèi)部存在大量的氣體，而且經(jīng)常向外排放氣體。隨著深度的增大，氣體量也越來(lái)越大，其中最常見(jiàn)、最典型的例子就是火山噴發(fā)。當(dāng)火山爆發(fā)的時(shí)候，強(qiáng)大的沖擊力會(huì)將無(wú)數(shù)的巖石碎塊、火山灰等固體物質(zhì)射向高空，遮天蔽日，并伴隨著巨大的聲響，而這種強(qiáng)勁的力量就來(lái)自于氣體。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2013年3月6日，意大利南部西西里島上著名的活火山——埃特納火山再次噴發(fā)，過(guò)了一段時(shí)間之后，火山噴發(fā)趨于平靜。突然有一天，有人發(fā)現(xiàn)這座火山竟然在“吐煙圈”，如同煙民在吸煙時(shí)吐出的煙圈一樣，直徑大約50米的巨大煙圈從火山口中“吐”出，緩緩上升，在藍(lán)天的映照下顯得極為壯觀，讓人驚訝不已。
我們腳下的這片土地究竟是地球、水球還是氣球？似乎有點(diǎn)讓我們摸不著頭腦了，畢竟我們是站在地表推測(cè)地下的情況，都是間接的數(shù)據(jù)分析和思考。
地球的圈層結(jié)構(gòu)
意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(fā)時(shí)吐出的煙圈呈圓形，直徑達(dá)到了數(shù)十米。
如何了解地球內(nèi)部？
如果問(wèn)大家：地球上最大的單晶體是什么？你應(yīng)該會(huì)想，這一定珍藏在某個(gè)博物館中的礦物晶體，可事實(shí)上，吉尼斯世界紀(jì)錄中公布的數(shù)據(jù)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(dá)5000～6000℃，而且還保持著固體狀態(tài)。這就是地球的內(nèi)核，之所以在這么高的溫度下還能保持固態(tài)主要是因?yàn)榈叵律钐幘薮蟮膲毫?。相比之下，地球的外核雖然和內(nèi)核的成分基本一樣，但沒(méi)有足夠的壓力，所以還是保持著液態(tài)。
可是問(wèn)題在于，幾千公里之下的地核，我們根本不可能用肉眼看到，那怎么研究它呢？目前，我們了解地下情況的主要方法是鉆探，通過(guò)打鉆孔取出巖芯然后進(jìn)行研究。然而，鉆得越深，施工難度越大，成本也就越高。世界上曾經(jīng)最深的鉆孔，是1970年前蘇聯(lián)進(jìn)行科學(xué)鉆探時(shí)的一口鉆井，位于俄羅斯西北部邊境的科拉半島，深度達(dá)到12262米。可是，這個(gè)深度還不足地球半徑的1/500。雖然后來(lái)這個(gè)鉆孔深度記錄被兩次打破，但都未能超過(guò)13千米。所以，僅僅依靠鉆孔是不行的。到目前為止，關(guān)于地球內(nèi)部的知識(shí)，主要都是來(lái)自于對(duì)地震波的研究。
經(jīng)歷過(guò)地震的人應(yīng)該會(huì)有感受：當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，通常是先感覺(jué)到上下顛簸，然后再感到前后或左右搖晃。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，釋放的彈性波包括縱波和橫波兩種形式，而縱波速度快于橫波，所以從地下深處傳上來(lái)的首先是縱波也就是上下抖動(dòng)，然后才是橫波讓我們前后左右搖晃。縱波傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，一疏一密相間出現(xiàn)，就像被壓縮的彈簧彈開(kāi)時(shí)一樣，橫波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相垂直，舉個(gè)例子，假如你拿一根繩子，然后你用手抓繩子的這一頭沿水平方向抖動(dòng)繩子，一個(gè)個(gè)的橫波就會(huì)從繩子的一頭傳向另一頭。它們之間最主要的區(qū)別在于：縱波可以通過(guò)固體、液體和氣體傳播，而橫波只能通過(guò)固體傳播。而且，縱波比橫波的傳播速度快，在大多數(shù)巖石中，縱波的傳播速度為橫波速度的1.7倍。
1909年10月，歐洲的巴爾干半島發(fā)生了嚴(yán)重的地震，克羅地亞一位名叫莫霍洛維奇的地球物理學(xué)家仔細(xì)研究了這次地震，他發(fā)現(xiàn)在地下大約33千米的地方，地震波的傳播速度發(fā)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(xù)的，而是一種突變。于是，莫霍洛維奇認(rèn)為地球內(nèi)部是分層的，在地下存在一個(gè)界面，界面上下之間的物質(zhì)成分和密度明顯不同。后來(lái)，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)這一界面具有全球性，陸地上有，海洋里也有。后人為了紀(jì)念莫霍洛維奇的這一偉大貢獻(xiàn)，將這個(gè)界面稱為“莫霍面”，并將這個(gè)界面之上稱為地殼，界面之下稱為地幔。
根據(jù)同樣的原理，1914年，另外一位著名的地震學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)，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，這又出現(xiàn)了一個(gè)分界面。后人為了紀(jì)念古登堡的這一偉大發(fā)現(xiàn)，將這個(gè)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(rèn)識(shí)到，地球的內(nèi)核分為兩部分：外核與內(nèi)核，其中從2900～5000千米深處，叫做外核，接近于液體，為鐵、硅、鎳組成的熔融體，5000千米以下的深部為內(nèi)核，呈現(xiàn)出固態(tài)特征。
倘若能夠透視地球
很遺憾，我們對(duì)于地球內(nèi)部的了解依然停留在推測(cè)和假說(shuō)階段，地質(zhì)學(xué)家多么想親眼看到地球的內(nèi)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(zhì)難題豈不迎刃而解？
2011年年初，在江蘇省政協(xié)十屆四次會(huì)議期間，有位委員提出了一個(gè)讓人耳目一新的提案：在江蘇實(shí)施“透視地球工程”。該提案是指，要通過(guò)收集整理江蘇全省的地質(zhì)、城市地上地下工程建設(shè)、地震監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)、地下文物等數(shù)據(jù)資料，建立一個(gè)多參數(shù)、多信息、動(dòng)態(tài)的、地下透明可見(jiàn)的三維地球模型，對(duì)于重要成礦地帶可以按照1:10000的比例建立，深度范圍是地表1000米以內(nèi)或更深，而對(duì)于城市和重要經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)了，那將會(huì)為以后的工程建設(shè)提供多大的方便！只要我們能清楚地了解地下的實(shí)際情況，無(wú)論是礦產(chǎn)資源的勘探，還是地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)，都將不再是難題。
但是，如何才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)呢？
首先，這要借助于三維地質(zhì)。顧名思義，三維地質(zhì)就是指我們采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)資料的三維可視化，就如同時(shí)我們能夠“透視”地下情況一樣，這將為地質(zhì)資料的查詢提供極大方便。以首都北京為例，如果您有機(jī)會(huì)來(lái)到北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局（簡(jiǎn)稱北京市地勘局）的信息大廳，只要按要求在電腦上輸入相應(yīng)的指令，北京市的主要地層、地下構(gòu)造、地?zé)帷⒌叵滤热S仿真模型即可直觀地展現(xiàn)在眼前。這就是北京市地勘局自2002年開(kāi)始?xì)v經(jīng)7年時(shí)間建立的三維可視化地質(zhì)信息與服務(wù)系統(tǒng)，這在全國(guó)乃是首開(kāi)先河。如果您想知道哪里有斷裂、哪里有地?zé)岷蜏厝?，哪里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，在以后的不斷發(fā)展中，隨著信息的進(jìn)一步完善，將對(duì)規(guī)劃、國(guó)土、環(huán)保、水務(wù)、市政、建設(shè)、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的管理和決策工作產(chǎn)生重要作用。
此后，我國(guó)其他城市也相繼開(kāi)展了三維地質(zhì)調(diào)查工作。據(jù)2013年7月2日《中國(guó)礦業(yè)報(bào)》報(bào)道：自20008年底開(kāi)始，廈門市就已經(jīng)對(duì)全市1573平方千米的陸域及附近海域?qū)嵤┝顺鞘械刭|(zhì)調(diào)查工作，歷時(shí)四年多，取得了多項(xiàng)成果，其中包括建立了廈門地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)工程地質(zhì)層、構(gòu)建了含水巖（組）三維模型、查清了地?zé)豳Y源家底、查明了海岸帶地質(zhì)環(huán)境條件和陸域地質(zhì)災(zāi)害的類型及形成原因、調(diào)查評(píng)價(jià)了土壤地球化學(xué)環(huán)境質(zhì)量，并在此眾多成果的基礎(chǔ)上，建立了廈門市三維可視化地質(zhì)信息管理與服務(wù)系統(tǒng)。
當(dāng)然，說(shuō)三維地質(zhì)往往只是對(duì)于某一個(gè)區(qū)域而言，若是針對(duì)整個(gè)國(guó)家的國(guó)土資源而言，則可以實(shí)現(xiàn)“玻璃國(guó)土”，若從全球角度來(lái)說(shuō)，建立了三維地質(zhì)模型也就是真正實(shí)現(xiàn)了“玻璃地球”。
前蘇聯(lián)的科拉超深鉆孔，深度超過(guò)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，用于產(chǎn)生地震波
地震勘探方法中的檢波器，用于接收傳輸?shù)牡卣鸩?/p>
中國(guó)的“透明地球計(jì)劃”
對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)“玻璃國(guó)土”面臨的困難很大。一方面，我國(guó)還未全部實(shí)現(xiàn)各地的詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，僅對(duì)金屬礦而言，我國(guó)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(cè)方面，中國(guó)已有固體礦產(chǎn)勘探開(kāi)采的深度大都小于500米，而世界一些礦業(yè)大國(guó)已達(dá)到2500米到4000米，南非計(jì)劃開(kāi)采的深度則達(dá)到了6000米。因此，在我國(guó)國(guó)土上，無(wú)論是從勘探范圍還是從勘探深度來(lái)講都仍有大量的工作可做。
2009年6月10日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了《創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來(lái)》系列報(bào)告，為我國(guó)描繪了面向2050年的科技發(fā)展路線圖，報(bào)告提出了一項(xiàng)“中國(guó)地下4000米透明計(jì)劃”，這項(xiàng)計(jì)劃的目的是要解決三大關(guān)鍵問(wèn)題：第一，建立不同尺度的礦床成礦模型；第二突破深部探測(cè)技術(shù)，包括鉆探、地球物理勘探、地球化學(xué)勘探；第三，建立深部礦床的勘查評(píng)價(jià)方法及三維可視化模型。簡(jiǎn)而言之，就是力爭(zhēng)到2040年，使我國(guó)主要區(qū)域地下4000米以內(nèi)變得“透明”，為尋找深部礦產(chǎn)資源提供基礎(chǔ)資料。
話說(shuō)起簡(jiǎn)單，但做起來(lái)并不是那么容易，這需要分階段、分步驟逐漸實(shí)施。目前我國(guó)已經(jīng)制定了時(shí)間表，并開(kāi)始運(yùn)作這項(xiàng)計(jì)劃。與此同時(shí)，我國(guó)還啟動(dòng)了旨在提高對(duì)地球深部認(rèn)知能力的“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)( 2008～2012)”，由國(guó)土資源部組織實(shí)施。這項(xiàng)計(jì)劃是在為全面開(kāi)展我國(guó)地殼探測(cè)工程做好關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)備，是我國(guó)入地計(jì)劃的“先鋒”，包括大陸電磁參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究、地殼全元素探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)示范等9個(gè)項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)超過(guò)12億元。
在這些研究計(jì)劃中，所采用的一種主要方法就是地震反射技術(shù)，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、沖擊或其他振動(dòng)源產(chǎn)生地震波，然后在地表或井中用檢波器將其接收，然后對(duì)其進(jìn)行處理和解釋，便可以分析判斷地層界面、巖土性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造等。自上世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展的用于地殼深部探測(cè)的反射地震剖面總長(zhǎng)不足5000千米，與歐美國(guó)家相比，顯得十分落后，這僅僅相當(dāng)美國(guó)的1/13，俄羅斯的1/5，英國(guó)的1/5，意大利的1/2。可喜的是，經(jīng)過(guò)5年的努力，地質(zhì)學(xué)家們完成了6160千米“穿透地殼”的深反射地震剖面，長(zhǎng)度超過(guò)了此前50年完成工作量的總和，使其總長(zhǎng)度達(dá)到了11000公里。
2014年4月16日～17日，我國(guó)第491次香山科學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)討論會(huì)在北京成功召開(kāi)，此次會(huì)議的主題是“中國(guó)‘玻璃地球’建設(shè)的核心技術(shù)及發(fā)展戰(zhàn)略”，來(lái)自地球科學(xué)戰(zhàn)線的專家學(xué)者對(duì)我國(guó)的“玻璃地球”計(jì)劃獻(xiàn)言獻(xiàn)策。專家們認(rèn)為，雖然“玻璃地球”的概念已經(jīng)被提出并成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但是，相關(guān)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(xiàn)“看不見(jiàn)”的地球內(nèi)部，成為大數(shù)據(jù)時(shí)代地質(zhì)學(xué)家們所面臨的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。
透明地球計(jì)劃，是時(shí)代發(fā)展的迫切需求，也是未來(lái)地球科學(xué)研究的方向，我們相信，對(duì)地球了解得越深入，我們開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源的能力也就會(huì)越強(qiáng)，同時(shí)，防御地質(zhì)災(zāi)害的能力也越強(qiáng)。（文/馬志飛，圖片/互聯(lián)網(wǎng)）
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