第七章 地球内部

现在我要带你们去探索地球的内部，也就是我们脚下几千米的地方。什么？我们能在地球内部探索到什么呢？会偶然发现金属的秘密吗？会不会看到坚固的岩石缝里的金子？可以看看铁、铜、锡是如何形成的？可以亲眼目睹闪闪发亮的宝石？可以探索红宝石、蓝宝石和钻石形成和保存的过程？据说，在地球的内部有着数之不尽的宝藏。

不，我不是要告诉你们金银的来源，也不是要告诉你们宝石库在哪里。我是要告诉你们地球的内部结构。我们不是进行地下旅程，没有宝石也没有无价金属，不过有更好的东西——地球内部的建筑概念以及产生对伟大的建筑师的敬佩之情。

跟地球表面与地心距离相比，人类挖掘矿产资源所到达的最深的深度是微不足道的。开采出来的矿坑也仅仅是在地球表面，根本无法通过这些矿坑探索地球的内部结构。我们无法进入到地球内部，所以也不能用肉眼直接观察。不过，我们至少可以用我们的聪明才智通过一个非常简单的装置发现地球内部的很多秘密。我指的是钟摆，钟摆的摆动向我们证明了：它在有些地方摆动得慢，在有些地方摆动得快，是由于离心力的作用，并且在这个力的作用下，地球的两极是凹进去的，赤道是膨胀的。同样，单摆的实验也告诉我们地球内部到底是由什么物质组成的，为什么矿工难以进入。

单摆的摆动是由于受到地球引力的作用。地球内部的每一个分子都对这个引力作出了贡献。不仅仅是离单摆最近的物质吸引它，促使它摆动，地球内部深层的物质也对它产生作用，事实上，这个引力是地球内部所有物质共同作用的结果。假如地球内部的物质是现在的地球里面的2倍、3倍或4倍，那么作用在钟摆上的引力将会是原来的2倍、3倍或4倍，钟摆就会摆得非常快。在钟摆长度不变的情况下，它摆动的速度取决于地球内部物质的质量。

因此，经过极其复杂的计算，我们可以通过单摆实验得出地球内部物质的质量。通过计算发现，如果把组成地球内部结构的物质包括空气、水、石头、金属以及各种矿物质全部混合在一起，那么每立方分米的这种混合物的质量是5.5千克。这里面空气的含量只有1.03克；水是1千克；而大理石、建筑石材、花岗岩以及各种土壤，还有其他组成地球外壳的物质，只占2千克~3千克。因此，组成地球深层的物质一定比表层的重，否则不可能达到每立方分米5.5千克。在这儿，我们可以得出这样的结论：组成地球内部的物质的质量相当大，而且很可能都具金属性。这就是我们从钟摆实验得出的结论。

从另一个很简单的实验中，我们可以学习到更多。首先往瓶子里倒入少量某种非常重的液体，比如汞（俗称水银），如果没有水银可以用一些非常小的炮弹，只要它们能够在瓶子里自由活动。然后往同一个瓶子里倒入等量的水银，之后再倒入等量的油。同时，在瓶子的顶部留出一点空间。现在呢，我们用软木塞把瓶子盖上，然后再慢慢摇晃。如果不停地摇晃，瓶子里的4种物质（汞、水、油、空气）就会完全混合在一起，直至无法分清。但是当摇晃停止的时候，慢慢地液体就会出现分层了，4种物质分别分离，层次非常鲜明。在这4种物质中，金属是最重的，所以它沉到底层；在它上面的就是水银；再上一层就是水，因为水比金属轻，比空气和油重；在水上面的是油；然后最上层的就是空气，因为它是4种物质中最轻的，充满了整个瓶子的瓶口处。因此，被充分混合的各种液体物质，处于静止状态时，它们就会恢复原来的层次，所有的物质都分得很清楚，根据相对质量的大小，各自占据位置，最重的在最底层，最轻的在最上层。

虽然这条定律很简单，但是至关重要。这条基本定律说明，地球外部以及内部物质都是按照质量的大小进行排列的。在地球外部，处在最上层的就是空气，然后是地球表面的无限大的海洋，再下面的是土地，支撑着所有的海洋和地表的一切物质。地球内部物质的组成结构也是一样的，就像钟摆实验告诉我们的，组成地球内部结构的物质比组成地球表面的物质的质量大，而且越深的地方，质量越大，也就是离地心越近越重。

流动性物质例如空气和水会按照质量的大小来排列，这点很容易理解，但是为什么像岩石、矿物质这些组成地球内部的物质也遵循同样的定律呢？为什么在我们脚下几十千米地方的物质会比那些在地球表面的物质重呢？我们可以用实验中汞、水、油和空气的分层现象来解释吗？我们可以认为所有组成地球的物质最原始的状态都是可流动的吗？地球是从天炉里喷射出来的庞大金属球吗？谁知道呢！让我们作进一步研究吧。

只有在地球表面，才可以感受到一年四季温度的变化。地表以下一点点的地方，冬天和夏天的温度是一样的。当由夏天转为冬天时，在地表，温度可能会降20~40摄氏度，甚至更多；然而在地表以下几米的地方，一整年都保持一个温度。这个温度与地表上夏天和冬天的中间温度一样；或者更确切地说，是平均温度。

一个地方的平均温度是指：假如这个地方每年所接收的热量是平均分配的，不分季节，把这些平均分配到每一天，也就是365天，那么所得的就是这一年的平均温度。一天的平均温度是把一天中最高的温度加上最低的温度，所得的和再除以2。法国北方的平均温度是10~11摄氏度；南方是14~15摄氏度。某个地方地表以下20米的地方的温度就是这个地方地表一整年的平均温度。

再深入到地球内部，我们发现越往平均温度层以下的地方，每向下20~30米，温度就会上升1摄氏度。不管是什么气候，越往下温度越高，世界上的每个地方都一样。只不过，每个地方平均温度层的厚度不一样，所以要找到温度升高的地方的深度就不一样。由于不同的地方土壤性质就不一样，所以毫无疑问，这就是平均温度层厚度有差别的原因。像这样的例子有成千上万个，我们现在讲几个比较典型的。

经过18个月的观察，人们发现英国兰杜寇斯矿区的地表下421米的地方的温度始终保持在24摄氏度，而这个地区的地表温度是10摄氏度，这相当于每30米升高1摄氏度。在纽卡斯尔的一处油井，483米深的地方的温度比地表的高出14摄氏度，相当于每34米温度升高1摄氏度。另外，在诺森伯尔的油井测得的结果是每24米升高1摄氏度。目前全世界最深的矿井位于波西米亚的卡特穆伯格，在地表下1151米处，这里的温度高达40摄氏度。这个温度只有在热带地区才会有，我们国家最热的时候，也不会达到这个温度。因此，就像在地表的冬天有难以抵抗的严寒一样，在赤道区域的矿区的最深处亦有着难以忍受的酷热。托斯卡纳的蒙特马斯矿区即使不深，但是温度仍然很高，在不到370米的地方，温度就已经达到42摄氏度了。这些例子无一例外地说明了一个规律，同时还表明了这样的一个事实：地球的内部是一个货真价实的火炉。显然，矿区底部的热量表明了矿区就处于某处巨大的地火附近。

温泉、人工喷泉以及钻井也说明了同样的道理。钻井是指利用钻孔机挖出的圆柱形的很深的洞。钻孔机是一种带着螺纹钻头的坚硬的铁棒，用来穿过土地表层以及岩石的底层，直至深入到与相邻的水流或湖相接的地下水源，此时，地下水就会涌出地表，这表明了地热渗透在地球内部。

这些钻井中最为出名的当属位于巴黎的格纳尔喷井，它有547米深，涌出来的水温保持在28摄氏度。在它附近的普通喷井喷出来的水只有10摄氏度，这就是当地的平均温度。也就是到了547米的地方，温度上升了10摄氏度，相当于每30米升高1摄氏度。离格纳尔喷井大约4千米处的帕斯喷井有586米深，水温大约是28摄氏度。西伐利亚的纽·萨沃瑞克喷井深达622米，水温是32摄氏度。位于法国和卢森堡边界的蒙多夫的井深达700米，水温是35摄氏度。对比相应的深度所达到的温度，有些地方的地下温泉的水温更高。深达385米的诺优芬喷井，水温就达到了39摄氏度。这些例子都说明了地球内部的某种热量，使地表下的泉水温度上升。而且温度的上升是遵循一定的规律：每三四十米温度升高1摄氏度。

我们都知道许多到达地面的自然泉水的温度非常高，有些甚至接近了水的沸点，这些泉水就叫做温泉，这也反过来证明了：泉眼处的水温很高，所以它们在地面的温度才能够得到保证。法国最有名的温泉位于查德斯·艾格和康塔尔的维克。这些温泉的水都差不多达到沸腾状态，不过与间歇泉比起来，这还不算什么。

在大西洋的最北部，与北极圈接壤的地方，有一个孤岛。这个孤岛位于两片陆地之间，东西向与它们连接。这个岛就是极其寒冷的冰岛，几乎一整年都下雪，很少见到太阳，一年中白天最短的时候，日照时间只有一小时。但是，在冰雪之中却可以看见一处受到地球内部高温影响而产生的奇特景观。冬天的时候，整个岛都被雪堆满了，而此时的地下却有一个火炉在燃烧，而且还时不时地向空中喷出热水。这附近方圆6000多米的地方有100多个这样的间歇泉。其中，最有名的是大间歇泉，从直径14~16米的大盆地里喷射出来，这个盆地在一座由喷出的水结冰而形成的雪白的小山丘的顶部。盆地的内部是窄的，像个漏斗一样，延伸到很深的地方。

间歇泉每次喷发前，地面都会产生强烈震动，同时伴随着类似地下炮火爆炸发出的沉闷声。随着爆炸越来越猛烈，地面的震动越来越强烈，从火山口喷发的水直冲而上，填满了整个盆地，不久，就形成了冒烟的水柱，似乎有一把无形的火在不断地给它加热，水的温度直逼沸点，像锅炉的水一样，猛烈翻腾着。藏匿于盘旋而上的蒸气中的水柱越来越高，同时还冒出大量气泡。突然，间歇泉爆发出最大的力量：大爆炸发生了，高达16米的水柱直接射向高空60米的地方，接着再直泻而下，水珠透过热腾腾的水蒸气，涌向四面八方，像一场盛大的热水淋浴。这样的喷发只维持了几分钟。之后，水柱坠落，从盆地里喷出来的水又流回出水口深处，取而代之的是冲向蓝天的蒸气柱，势不可当，同时伴随着一阵雷鸣般的声音，不断地冲击着阻挡它前进的岩石，岩石或落到出水口，或摔得粉碎。到处充斥着盘旋的蒸气，最后间歇泉停了下来，等待下一次的爆发。

毫无疑问，地球内部的温度非常高，这都来源于太阳的能量。就像前面所举的例子所证实的一样，地表下深度约每增加30米，温度就升高1摄氏度。让我们来想想，地球内部最深的地方会是什么样子。

如果地球深处的温度也是每增加30米就升高1摄氏度的话，那么地表下3千米处的温度肯定达到水的沸点100摄氏度；21千米处，将会有700摄氏度，相当于炽热的铁的温度，足以熔化大部分物质；而41千米处，温度将达到1600摄氏度，相当于铂的熔点，也就是铂这种金属要熔化所需的温度；而地心处，也就是地表下6400千米，温度将达到21万摄氏度，是我们目前的机器能生产出的最大热量的100多倍。我们无法想象这么高的温度，其足以使任何一种物质（包括金属）熔化甚至蒸发。

不过，事实上，温度是不可能这么上升的。当达到可以熔化所有物质的温度时，平衡就会遭到破坏，因此我们可以推断最高温度只能达到2000~3000摄氏度之间，在更深的地方，温度就不会再升高。温度是否真的停止升高还没办法证实，不过这不是最重要的，更值得我们注意的是：在地表以下48千米的地方，温度是否足以熔化所有的矿物质。

既然如此，我们就可以把地球看作一个充满炽热液体物质的球体，这个球体的外壳是固体材料，而内部是被熔化了的矿物质的海洋。进而可以想象地球的最原始状态是具有流动性的液体。形成坚硬的外壳是地球表面被冷却的结果。照这么看，一切就很好解释了：两极的内陷，赤道的膨胀，物质根据质量大小分层，都源于整个地球的最原始状态是液态的。