4年以后,苏联科学家决定在陆地上碰碰运气。他们说干就干,在俄罗斯的科拉半岛离芬兰边境不远的地方选了个点,希望能钻到15公里的深度。这项工作比预期的还要艰苦,但苏联人有着值得称道的韧劲儿。到19年以后他们终于放弃的时候,他们已经钻到了12262米的深度。但是,我们没有忘记,地壳只代表地球大约0.3%的体积,科拉钻探还没有深入到地壳的三分之一,因此我们几乎无法声称已经征服了地球内部。
虽然这次钻探的深度有限,但所发现的一切几乎都令研究人员感到意外。地震波研究一直使科学家们预言,而且是很有把握地预言,他们会在4700米深处碰到沉积岩,接着往下是2300米厚的花岗岩,再往下是玄武岩。结果发现,沉积岩层要比预期的厚50%,而玄武岩层根本没有发现。而且,地下世界要比预期的暖和得多,1万米深处的温度高达180摄氏度,差不多是预期的两倍。最令人吃惊的是深处的岩石浸透了水——这一直被认为是不可能的事。
我们无法看到地球的深处,因此不得不使用别的方法,主要包括观察波在地球内部的传播形式,从而推断那里的情况。我们从所谓的金伯利岩筒(即形成钻石的地方)得知一点地幔的情况。那里的情况是,地球深处存在一种爆炸,能把岩浆炮弹以超声速发射到地面。这完全是一种没有规律的现象。你在阅读本书的时候,一个金伯利岩筒有可能在你家的后花园爆炸。由于它通到下面很深的地方——深达200公里——金伯利岩筒带上来各种地面上或地面附近通常找不到的东西:如橄榄岩、橄榄石晶体以及钻石。带上来钻石是很偶然的,100个岩筒中大约只有1个会办这等好事。金伯利岩筒的喷出物带上来大量的碳,但大部分都化成蒸气,或变成石墨。只是在偶尔的情况下,一团碳以恰到好处的速度喷上来,并以必要的速度快速冷却,终于变成了钻石。正是由于这样的一个岩筒,南非成了世界上出产钻石最多的国家,但很可能别的国家蕴藏量还要丰富,我们现在还不知道。地质学家们知道,印第安纳州东北部附近有个地方,有迹象表明存在着巨大的岩筒或岩筒群。20克拉或更大克拉数的钻石在整个地区的不同地点已有发现。但是,没有人找到源头。约翰·麦克菲指出,它也许埋在冰河沉积土底下,就像艾奥瓦州的曼森大坑,或者在五大湖下面。
因此说,我们对地球的内部情况究竟了解多少?很少。科学家们普遍认为,我们脚底下的世界共分4层——一个岩石外壳,一个由炽热而又黏稠的岩石组成的地幔,一个液态的外核,以及一个坚实的内核。我们知道,地面的主要成分是硅酸盐。硅酸盐比较轻,分量还不足以说明这颗行星的整体密度。因此,里面肯定还有较重的东西。我们知道,为了产生磁场,里面的什么地方肯定存在着一个浓缩的液态金属元素带。这一些是大家都承认的。除此以外,几乎一切——这几层结构是如何相互作用的,是什么原因它们才有了这种表现,未来的某个时刻它们会有什么动作,少说还都是个不大确定的问题,总的来说还都是个很不确定的问题。
即使是我们可以看到的那一部分——地壳——也是个争论得比较激烈的问题。几乎所有的地质学文字资料都会告诉你,地壳的厚度在海洋底下为5—10公里,在大陆底下约为40公里,在大山脉底下为65—95公里,但在这些一般规律之内还有许多令人费解的变异。比如,内华达山脉底下的地壳厚度只有大约30—40公里,谁也不清楚是什么原因。根据地球物理学的所有原理,内华达山脉应当在下沉,犹如陷入流沙那样。(有的人认为,这座山脉也许就是在下沉。)
地球如何有了地壳,何时有了地壳,这两个问题把地质学家分成两大阵营——一派认为,它是地球史之初突然发生的;另一派认为,它是渐渐发生的,而且时间比较晚。大家在这些问题上很动感情。耶鲁大学的理查德·阿姆斯特朗在20世纪60年代提出早期爆炸的理论,然后花了整个余生与持不同观点的人作斗争。他1991年死于癌症。但是,据1998年《地球》杂志报道说,去世前不久,他“在澳大利亚一本地球科学杂志的一次论战中,狠狠抨击了他的批评者,指责他们使神话永久化”。“他死不瞑目。”一位同事说。
地壳以及部分外层地幔,统称岩石圈(源自希腊语lithos,意思是岩石)。而陆界又浮在一层较软的岩石之上,名叫软流圈(源自希腊语,意思是“没有力量”),但这些名称向来不令人满意。说岩石圈浮在软流圈上面,意味着有一定程度的浮力,这是不完全正确的。同样,认为岩石在像平面流动的物体那样流动,这也会使人产生误解。岩石是黏稠的,但只是很像玻璃。这似乎不大可能,但在引力的持续拉动下,地球上所有的玻璃都在往下流动。从欧洲教堂的窗户上取下一块真正古老的玻璃,你会发现它的底部明显厚于顶部。我们在讨论的就是这种“流动”。钟面上时针的移动速度,比地幔岩石的“流动”速度,要快大约1万倍。
移动不仅真的发生,就像地球的板块做平面移动那样,而且还上下移动,就像岩石在所谓对流的搅动作用之下时起时伏。对流作为一种过程是伦福德伯爵在18世纪末首先推断出来的。60年以后,一位名叫奥斯蒙·费希尔的英国牧师很有先见之明地提出,地球内部可能是液态的,东西可以在上面自由移动,但那种见解过了很久才获得别人的支持。
大约1970年,当地质学家们意识到地底下简直乱成一锅粥的时候,这个消息还真让人吓一大跳。肖纳·沃格尔在他的《赤裸裸的地球:新地球物理学》一书中说:“这就好比科学家们花了几十年时间才发现地球大气的层次——对流层、平流层等等,然后突然之间发现了风。”
自那以来,对流过程到底有多深一直成了个争论不休的问题。有的说它始于650公里下面,有的说是3000多公里下面。詹姆斯·特雷菲尔认为,问题在于“来自两个不同学科的两套数据,二者是不可调和的”。地球化学家们说,地球表面的某些元素不可能来自上层地幔,肯定来自地球内部更深的地方。因此,上层地幔和下层地幔的物质至少是偶尔相混的。地震学家认为,没有证据支持这样的论点。
因此,我们只能说,在前往地球中心的过程中,我们会在某个不大确定的地点离开软流圈,进入纯粹的地幔。地幔占到地球体积的82%,质量的65%,而之所以没有引起足够的重视,很大程度上是因为地球上的科学家和普通读者感兴趣的东西,不是在地下深处(比如磁力),就是接近地面(比如地震)。我们知道,到了大约150公里的深处,地幔主要是由一种名叫橄榄岩的岩石组成,但以下的2650公里是什么就不清楚。《自然》杂志的一篇报道说,似乎不是橄榄岩。更多的情况我们就不知道了。
地幔下面是两个地核,一个坚硬的内核,一个液态的外核。不用说,我们对两个地核的性质的了解是间接的,但科学家们可以作一些合理的假设。他们知道,地球中央的压力很大——大约是地面上最大压力的300多万倍——足以使那里的岩石变得坚硬。他们还(在许多别的线索之中)从地球史中得知,内核很善于保存自己的热量。尽管只不过是个猜测,据认为地核的温度在过去的40多亿年间下降了不到110摄氏度。谁也不知道地核的温度到底有多高,但估计是在4000—7000摄氏度——大致相当于太阳表面的温度。