应重新认识地球内部结构

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应重新认识地球内部结构
王紫馨（方悟 ）       2005.6.1
地震波是一种由地震震源发出在地球内部传播的波，一切波都是重力波，它也是重力波。地震波最大的作用就是说明了地球的内部结构，而这个结构正是牛顿万有引力重力场能级分布律所规定的一切天体结构，凡称得上是星球的，都有相同结构，只因它们在星系、恒星系中不同的位置及质量，而划分为恒星、行星、卫星。我已在‹‹地震波告诉我们什么››一文中对地球内部结构作了全面说明，本文再做进一步的分析。
在地壳里，地震波纵波（P波）波速为每秒6公里，横波(S波)波速为每秒4公里，面波波速为每秒3公里。在地下33公里处，纵波速度由7.6公里/秒增至8.1公里/秒，横波由4.2公里/秒增至4.6公里/秒，波速的突然增加说明存在一个大的不连续面。1909年奥地利（克罗地亚人）莫霍洛维奇因此发现了莫霍面。莫霍面以上的地壳，是以硅酸盐矿物为主体组合而成的岩石构成的，上层的岩石含铝较多，花岗岩是它们的代表；下层含镁较多，玄武岩是它们的代表。这种化学成分差异，也表现为比重、颜色等物理性质的不同，玄武岩色深，花岗岩色浅，重量较玄武岩轻。由于存在差异，地震波通过时速度也就不同，从花岗岩层进到玄武岩层时会在地震记录上表现出来。1923年，奥地利地震学家康拉德发现了这个界面，科学界命其为康拉德面。
    莫霍面以下，和地壳紧贴在一起的地幔上部，也是以硅酸盐矿物为主体构成的，只是含镁更多，比重更大，橄榄岩是其代表，它和地壳中的岩石一样坚硬。 自莫霍面向下，地震波速继续增大，地幔物质较地壳均匀，地震波速也均匀增加，直至纵波13.64公里/秒，横波7.3公里/秒，到达古登堡面。地震中，首波的出现主要是因为在地壳下方的波速比地壳中的波速高，所以走在地壳下方的波反而比走在地壳中的波"先行到达"。我们用锤子敲击钢轨，声音和震动可以传得很远，而如果是木制轨道，则传得不远，它说明高密度物质和良好的晶格结构具有很强的传递能量的作用，这也是金属具有导电性的原因。把这个性质推展到地震波，就应认识到它在密度大的物质中传播快，密度小的物质中传播慢，有首波说明地壳下部比上部密度大。地幔地震波速比地壳大，下地幔大于地壳一倍，说明地幔物质密度要比地壳下部更大，从物质密度来说，则不只大一倍，而应以平方论之。引力及重力大小由物质与天体质心距离的平方决定，反过来，天体形成时自然排序，反映重力作用的物质密度也一定遵守平方规律，这一点，我们可以从大气层与地壳层的比较推知，所以下地幔底层会有多种未知的超重元素。由于P波和S波的传播途径穿过地球球体，地球内部物质的密度与物态便通过它们的传播速度表现出来。一般密度越大，越接近刚体，传播速度越快。密度越小，越接近流体，传播速度越慢。即P波和S波的传播速度V与地内物质密度Q和物态的硬度H的积成正比，即：V＝Ｑ•Ｈ。地震仪现在常用来做地质勘测，尙无任何数据显示金属矿藏中地震波传播速度比地幔中下部快，它说明地幔物质平均密度要比一般金属密度大。地球内层不是均质的，平均地球密度为5.515克/立方厘米，而地球岩石圈的密度仅为2.6～3克/立方厘米。因此，地球内部的密度必定要大得多，并随深度的增加而明显变化。
面波频散和地震P波及S波的路径的研究表明，在地壳之下的上地幔内，不论是海洋还是大陆，下面都有一层地震波速低于其上覆岩石的低速层，即在地幔上部100公里上下一带，存在着一个地震波传播速度减缓的“低速带”，这种地震波速的降低表明岩石物质的弹性和刚度随深度有所减小。研究地震波的特性表明岩石圈的底部是逐渐变化的，它渐渐地并入地球另一层，这一层被称为“软流层”。 地幔上部距地表50—250公里(也有人说至700公里深度)范围内，放射性元素衰变产生的热能使地下物质硅、镁及铁、镍、锌、铅等重元素形成熔融状态，是岩浆的发源地，地表玄武岩就来自上地幔。此处地震波速明显下降，地震波探测中，低速带与比较热的、比较软的物质联系在一起，还应看到它与较轻的物质联系在一起。P波速度是8～10公里/秒，因为这个速度大于地壳下层硅镁层地震波速，所以它决不会是硅、铝、镁等较轻的金属元素构成的，其主要成分应为更重的元素才对，密度当在8～11克/厘米，物态为液态岩浆。 虽然岩浆也是一种液体，但并不阻断横波传播。
根据热流值计算，在30～50千米深处温度介于500～800℃之间，在岩浆囊和喷发岩浆中，温度达到1 000℃至1 500℃。如果温度按这一速率继续增加，地球的岩石将不会像在地表及深矿坑中观察到的那样是刚性的，而会变为软的液体。在十九世纪后期奥斯蒙德•费舍的时代就普遍认为原始地球是全流体，随着热从表面传导到空间，外部岩冷却至固态，形成外皮或地壳，固态地壳类似炼铁炉中熔液表面上的固态壳。与这个认识相反，地震波证据明确表明深处岩石处于弹性状态，因为地震的S波不能通过流体传播，但除少数例外情况下，一直到深2 900千米，即几乎地球半径的一半，都观测到S波传播。这一事实表明地球内层具有可观的刚性，它也说明软流层以下温度并不高，核裂变反应不在地心而仅在上地幔产生。
250公里(或700公里)～2891公里深度间为P波的高速层，密度大且成固体状态，为中地幔。其中700～2740公里深度间的P波速度是10～12公里/秒，平均密度18克/厘米，当由放射性重元素构成。2740～2891公里深度间的P波速度是12～13公里/秒，密度在20～25克/厘米，为我们所不知的超重元素。为什么中地幔并不是由人们所说的金属、重金属构成？现在人们公认地下热源来自核裂变，热胀冷缩，热是由内向外传导的，岩浆的产生，重金属的熔融状态都源于放射性元素的核裂变。我们在火山熔岩中找不到多少放射性元素，但能找到许多衍生物，说明岩浆层下面就是放射层，如果其下是金属，上地幔就不会出现软流层。地震波是目前人类认识地层深处的唯一工具，当观测与我们的认识不符时，真正科学的态度是修正我们自己的认识，科学的每一步发展都是对固有认识的修正。我国在江苏东海县毛北村打了一口5158米的深井，中国大陆科学钻探工程首席科学家、中国科学院院士许志琴也已确认地壳深处岩层密度大于地表，是越深密度越大，按重力排列。这次还发现了“自然铁-方铁矿-磁铁矿”组合物质，陨铁多为此类物质，它原存于上地幔中，而现在已上升至地壳上层。在苏鲁地区三维空间范围普遍发现变质岩锆石中的超高压变质矿物——柯石英也属地幔物质，可见在地球的膨胀过程中，地幔物质是不断被推到地表的。我曾说在较深的地层中，像金这样的重金属、贵金属会大量存在，前苏联的科拉半岛超深钻井钻至9000米附近发现了富含金的岩石就是很好的证明，如果中国深钻万米，也会发现含金岩层。科拉超深钻孔深达12262米,为当今世界最深的超深孔,并已成为世界第一个深部实验室(观测站)。
由于地震源于核裂变产生的热能释放，所以地下的流体成分变化与地震之间存在着一定的关系，通过实时的地下流体分析,可以发现来自地下变化的信息，预报地震必须了解地球结构。2004年12月26日8时许,正在江苏省东海县毛北村中国大陆科学钻探工程“科钻一井”进行观测的科研人员发现,地下4900米处的流体中氩和氦含量突然发生变化，1小时后,4700公里外的苏门答腊发生9.3级地震。
20世纪初，爱因斯坦把地球磁场的起源列为物理学的五大难题之一，直到地震波方法确认了地球结构，布伦提出了地球的分层模型以后，人们才提出自激发电机假说，但它的科学认证到1995年才由核幔差异运动的证据获得。核一幔旋转差异，是为解释地磁场起源而提出的一种假说，后来又被用来解释地磁极性倒转。90年代，美国哥伦比亚大学工作的宋晓东和理查兹，通过对1967—1995年靠近南极的南美桑威奇群岛附近发生的38次地震记录的分析，测量了通过地球内核传到靠近北极的阿拉斯加克里奇地震台的地震波速度，发现30年中，南极发生的地震波到达北极快了0.3秒，传播的速度前后不一样，由此证实了地球内核比地壳和地幔转动要稍稍快一点，三百年要多转一周。地核转动快还证明地核物质与地壳和地幔物质完全不同，二者间有空隙，不相连接，才使二者转速不一致。传统观点认为地核是铁、镍等元素构成，这只是妄加推断。地震波测试的地核密度为13（这个数据有误，借用之），而铁的密度7.8，镍的密度8.9，铅的密度11.3，组成地核的物质密度至少要大于铅。如是铁镍核，必与其他岩层连在一起，不会有转速差异，我们为什么不考虑更重的物质有可能构成地核呢？即使不赞成方悟中微子说，也应考虑旧说是否真有道理。
地震学家伽利津说："可以把一次地震比作一盏灯，它点燃的时间很短，却为我们照亮了地球的内部，使我们了解到在地球内部发生了些什么……"。但没有辩证思想，我们仍很难猜到地球内部发生了些什么。科学发展需要对已有知识的透彻理解，需要热爱真理胜过尊重权威的科学态度，需要极强的科学观察力和洞察能力，以及创造性的思维能力，而这些都依赖于辩证思维。 在中国，形而上学教条主义是科学发展的最大障碍。