主讲人简介:
张少泉:中国地震局地球物理研究所研究员,先后在中国科学院地球物理所和中国地震局地球物理研究所工作,现任中科院科普报告团成员。
主讲内容:
今天我讲的题目是《地心之旅》。大家听这题目很怪,因为这件事情还没实现。那么什么时候能进入“地心”?看来是一个遥遥无期的事。所以我今天讲的《地心之旅》,着重点不是一个已经成熟的科学成果,而是一个在探索路上我们所做的努力。过去我们认为,地球核心是一个固体的内核,它的外核,是一个液体的。这是一个丹麦的地球科学家莱曼发现的,整个地球基本上是固体,惟有外核是液体,外核包围内核在转,这几年发现不是那么简单。中国的地震学家宋晓东发现地球的内核也在旋转,外边的外核跟着转,地幔也跟着转,最后转到地壳。1864年儒勒˙凡尔纳写了一部小说《地心游记》。写的是一个教授,带着他的侄子从冰岛的一个沉睡的火山口进去,大概三个月时间,借着地中海的一次火山喷发,给他喷出来了。沿途看到了生物、动物、岩石和很多奇形怪状的东西。我们觉得,这个《地心游记》最终到的地方实际上是地球的表层。为什么呢?当时的科学就认为地球是一个坚硬的外壳,里边包着一个软软的岩浆,离开地面就叫地心。20世纪90年代末,美国一个科幻大片《地心浩劫》再次为人们进入“地心”打开思路。人们通过“地心之旅”进入到地核里面去,干嘛呢?解救地球。科学幻想始终影响着科学家。
现在太空探测已经引不起世人的兴趣,那何不用核弹炸开一条路到“地心”去探险呢?这类似于科幻小说的情节,出现在权威科学期刊英国《自然》杂志的一篇文章中。这就是加洲理工学院的达维史蒂文森在2003年5月15日出版的《自然》杂志上提出一种探测“地心”的构想。他的构想是:先在地表引发威力达数百万吨黄色炸药威力的核爆,挖掘长与深各三百米,但宽度只有一公米的壕沟,然后注入数十万吨的炽红熔铁,熔铁像巨大的刀锋切开地球的岩层,灌入铁水的同时,科学家会在其中放入一个葡萄柚大小的由特殊材料制成的探测器。探测器随着热的铁水逐渐渗入地球内部,大约1个星期之后能够到达地球外核附近。在实施这个计划之前,我们要想知道下面情况,必须要打钻、取样,现在国外打得最深钻是14公里,国际上有一个大陆深钻计划,中国是三个主要负责国家之一,在中国青藏地区,这次打一个8公里深的深钻。以后会有无人驾驶的飞船,虚拟人驾驶的飞船进入“地心”,我想最后应该有一个载人飞船的阶段。
(全文)
今天我讲的题目是《地心之旅》。大家听题目就很怪,因为这件事情还没实现,现在仅仅是一个太空之旅。咱们的飞船刚刚上天,还没有登月。那么什么时候才能够进入地心,进入地核呢,看来是一个遥遥无期的事。但是事物的发展非常快,有可能在你们在世的时候会看到这一天,为什么呢?因为我们对地下不了解,要搞清地震预报也必须了解地下,特别是要进入地心。进入地心可以人去,也可以派代表去,也可以派我们的工具,手的延长工具去。总之还要达到,人要进入地心,你连脚底下的地方都去不了,你还跑什么月球,跑什么火星。所以我今天讲的《地心之旅》,着重点不是一个已经成熟的科学成果,而是在一个探索路上我们所做的努力。我们先讲一下整体的一个发展历程。
19世纪和19世纪以前,上天入地的神话和幻想自古有之。中国的“嫦娥奔月”,咱们的《封神演义》,土行孙就是钻到地下去了。所以过去老早就有这个想法,自古有之。但是能够成文的还是在1864年儒勒·凡尔纳的《地心游记》。进入20世纪,地球科学获得空前发展。地球科学包括什么呢?传统的地理学、地质学、古生物学、包括地球物理学、地球化学等等,都属于地球科学领域。由于这样一些学科的发展,使得我们能够利用地磁场、利用重力场的知识使我们的飞船能够离开地球飞入太空,没有这个场的知识是不行的。因为我们只有对电离层有所了解,对外空间有所了解,我们才能在上面遨游。因此我们说地学的知识是太空飞行的基础,同时也是我们进入地下的一个基础。因此我们说,由于这样一个科学的发展,奠定了“地心之旅”的科学基础,这是科学而不是幻想,更不是神话。幻想和神话有差别,因为前者要基于一定的事实。而幻想和真正的科学设想又有相当大的距离,因为它得掌握真正的科学规律。21世纪还没过几年,以后我想,我们应当能够实现“地心之旅”,进入我们脚下的地核、地幔、地壳,怎么能实现呢?我觉得很重要的一个,需要用航天和信息的高新技术日趋成熟的基础,没有信息做基础,如果没有这些航天的知识做基础,人在里面没有办法存活。没有一些新材料的研制,就没有办法耐高温、耐高压,因此技术是我们科学的一个延伸和它进一步发展的基础。因此我们认为,由于技术保障,就可以为我们未来的“地心之旅”提供技术条件,我想是这一个总的发展历程。
下面我们谈一谈,因为是“地心之旅”嘛,是谈地球,那我们的地球是怎么样一个地球呢?是一个旋转的地球,一个演化中的地球,一个圈层结构的地球,作为一个行星家族中的一个成员的地球,而且是有着一个神秘核心的地球。
大家看这个是咱们旋转的地球,四分之三蓝色的是海洋,四分之一深色的就是咱们的陆地。之所以有这样一个海陆分布,它有一个发展过程。而旋转,既是宇宙空间的固有特性,同时也是我们地球形状和内部很多结果的一个成因。再看演化中的地球,我们说演化中的地球就是指,今天的地球是地球历史的发展,从46亿年前,在太阳星系里边形成的地球。里边有很多固体颗粒,之后它本身通过内部的分化,开始形成了地核。只用大约一亿年的时间完成了地核,有了地核以后,才分出来外边的这样一个地幔,在地幔的基础上形成了上面的地壳,我们人生活在地面上,生活在地壳上,通常我们说生活在上面的一个岩石层上,岩石层就包括了地壳,包括了上地幔的顶层,或者说盖层,就是我们的岩石层。行星家族中的地球。太阳系是我们的母亲,我们排行老三,幸好我们离太阳不太近,没给烤焦了。也不是特别远,特别冷,我们不近不远,稍微靠太阳近一些。我们的左边有金星,右边有火星,所以现在才谈到,到火星上去旅行,因为最近。木星、土星能去吗?你没法落脚,那里没有固体,更远的行星是一堆气体。因此我们说,地球之所以出现是得天独厚,非常难得。而在地球演化中,出现我们人类,更是天之骄子。
这张图很简单,但是非常神秘,而且最近我们才对地核有所了解。过去我们知道,地理是研究地表的,地质是研究稍微深一点的,地球物理是研究大结构的,而地球整体的动力学研究是这几年才形成一个规模。我们在研究这些地球动力过程里边,关于地球核心的作用,过去总认为地球核心就是一个固体的内核,它的外核,大家知道是一个液体的。这是一个丹麦的地球科学家莱曼,一位老太太发现的,整个的地球基本上是固体,惟有外核是液体。而过去认为,内核就是一个固态,包围它在转,这几年发现不是那么简单。咱们中国的地震学家到美国去合作,宋晓东发现地球的内核是在旋转的,多快呢?比板块运动要快几十倍,它在里边转,外边的外核跟着走,地幔也跟着转,最后转到地壳。这是一个重要成果。另外一个成果,地球科学里边有一门学科叫地球化学。化学的特点是研究物质成分的,结果发现在内核里边有什么呢?有核裂变的产物,它很可能是提供我们地球的外核、地幔和整个地球内动力的根本源。为什么我说神秘的内核,原因就在这里。到底里边的情况如何呢?应当说目前的研究还是一个起步。
今天想跟大家介绍四部分内容。第一部分要从儒勒·凡尔纳的《地心游记》说起。大家看,这个背景很好看,这是什么呢?大陆漂移。这是我们把一个固定的地球变成一个动态的地球,一个很重要的学说。它的提出者叫魏格纳,是一个古气象学家,等他提出这个大陆漂移学说的时候,他已经综合了地学的很多领域。如果我们说,儒勒·凡尔纳给我们提出一个幻想的话,那么大陆漂移学说就为我们打开地下的大门开了一个口子。儒勒˙凡尔纳曾经说过:“凡是人能够想像到的事情,总有人最终能够实现它。”我想补充两句话,第一个,人只有能够想得到,才能做得到。你连想都想不到,不可能做到。第二个,你不要认为你自己做不到,就没人能做的到。你有了这两句话就敢想了。
儒勒˙凡尔纳的《地心游记》在1864年发行。2004年是这本小说出版的140年,因为不是150年,所以可能没人搞纪念活动。但是我们搞地学研究的人,应当对这样一个小说的出现给予足够的关注。但是这个小说写的是什么呢?写一个教授,带着他的侄子从冰岛的一个火山口,沉睡的火山口进去了,然后走了一段时间,大概三个月时间吧,借着另外一个地方,在地中海的一个火山,在它喷发的时候,给他喷出来了。幻想是一种设想,但是沿途就讲了很多什么呢?在那里碰到的生物,碰到的动物,碰到的岩石,碰到奇形怪状的东西,五花八门。我们觉得,这个《地心游记》虽然最终它到的地方实际上是地球的表层。但是,我们不能苛求它。为什么呢?当时的科学就认为地球是什么呢?就是一个坚硬的外壳,里边包着一个软软的岩浆,离开地面就叫地心,我们现代人叫地核,当时没有核的概念,没有核,除了皮就是里边的囊,囊就是它的心。早期的作品很难避免陷入认识误区,为什么呢?人的认识离不开他的观察,他看到了火山喷发,喷发的东西凝固了,而凝固的东西浮在上边,底下还有熔化的岩浆,隔了一阶段,火山又喷发,人们很自然就进一步想,地球整体是不是里边都是岩浆的。所以这是当时的一个认识,而作为儒勒˙凡尔纳写小说,他根据当时的最新科学成果,当时人们的认识,写小说,那就是科学的。它不同于我们传统的神话,如《封神演义》等等,它指神话不是建立在当时的科学认识基础上。所以当初出现这样一些内部是“岩浆说”,或者“空心说”,我们说可以理解。但是如果现在你再写科幻小说,绝不能建立在过去的知识基础上,如果这样的话,那就犯天大的错误。
这就是一个科幻大片《地心》,后来又翻译成《地心浩劫》。人们通过“地心之旅”进入到地核里面去干吗呢,解救地球。说明什么呢?当时因为地核里面停止工作了,发电机不转了,这个核反应不运行了。所以咱们地球外层的磁层就破坏了,没人保护了,太阳射线就直达地球上来,造成地面上什么现象呢?一些鸽子,大家知道,鸽子飞的定向靠脑子里的磁体,地球没有磁场了,它找不着方向了,找不着北了,到处乱撞,撞玻璃,撞汽车。另外有些人带着心脏起搏器的人,因为磁场变了,他那个起搏器也变了,好多人就死于非命。另外还有几个大的桥,旧金山的大桥熔化了。美国又充老大,组织了人,解救世界,组织六个人,一个女的,五个男的,作为地心航行员,然后直插地心。这是飞行员之一,一个女的,这是英雄中的英雄,六个人最后回来两个,一个是她,另外一个是她的朋友,中间还穿插了一段爱情的故事。这个小伙子原来是电脑的黑客,后来改邪归正,被这个队伍吸收了。在地面上注意观察有没有人破坏这次地心之旅。这是他们在进入地心之前,学习有关地球的知识。这是在进行地球物理场的测量,也是为了飞行做准备。这是他们全部的六个人,同舟共济,遇到很多风险。这是在飞行之前,他们发现一些异常情况,大家看,这是看一些气象的变化资料。因为地心里发生变化,磁场发生变化,气候天象也发生变化。这是介绍一个地方,他们在外边休闲的时候,看到异常现象,雷闪大作,你们看,整个都触电了。这是几个领导,他的领导正好是美国中央情报局的领导,也是一个背景,还有军方在一起商量,最后要起飞。这是他们总部一个负责人,老板。这是他们到现场去了,大家看前面就是这个飞船,这个飞船和咱们现在上天的飞船样子差不多,只不过不往上走,而是往下走,头倒过来。这是去之前,大家都喝喝酒,外国人和中国人也是一个习惯。最后他们给飞船起一个名字,名字就是一个意大利诗人,把人类带入地狱的那么一个名字,所以看来他们当初下去的时候信心也不是太足,但是它有了一种敢于牺牲的思想准备。现在看,开始马上走。这是地面监视站,大家看,地面监视站和咱们航天的也一样,肯定从那儿拍的。这是黑客小伙子介绍了两方面的情况,地面的和飞船的。好,往下走了吧,它是在南太平洋一个岛的一个地方往下走的,先通过海洋,后进入地壳,你们可以看看它整体的雄姿。再看这个,整个就是“地心之旅”的飞船。大家看深度,一直往下走。我搞了一辈子地球物理,我知道地壳里面的速度,地幔里边的速度,我不知道是什么东西14。看完这个是开眼了,那里边全是水晶,甭管它是真是假,起码让我开窍了,说明那地方的地质结构。人们离开了舱道面走的时候,后来发现上面整个岩浆滚下来了,就好像瀑布一样,流的不是水,是岩浆。
第二个讲推开通向地球的大门,为了揭开地球的层层奥秘。在这个内容里边我准备讲这么三点;一个说,为了解释现在地球为什么如此充满活力。在我的看法里边,地震、火山、海啸一方面是造成人类的伤亡。但另一方面说明我们的地球年轻力壮,说明充满活力。造成灾害,不能怪它,没人的地方没灾害,有人的地方也不一定都有灾害。为什么呢?看有没有防御能力,事在人为。看这个,地震是地球充满活力的象征。这是一个地震波的记录,这是外在的一个塌陷变化造成的破坏。这是墨西哥地震,就是在屋里面,全坍塌了。还有一个镜头,这个镜头一直使我可以说终身难忘。你看,后边有一声响,这是玻璃帷幕,窗户玻璃碎了,往下坠落,如果你要在底下,你可以想象会有什么结果。
这又是一个火山,又是地球充满活力的象征。没有地球的火山,就没有今天的地球。有人把火山喷发叫做地球诞生的第一声婴儿的啼哭。后边内容,介绍什么呢?介绍它由于火山的喷发把下面一些重物质运到地面上来了,所以才有咱们地面上一些重金属,才有金子、银子,否则就没办法给它折腾上来。因为重金属在地核里边,它怎么到地面呢?你只有通过火山的渠道。当然火山也会造成很多的灾害。有一年,意大利的一次火山造成连续几年全世界农业减产,有些灾害是长期的,有些是短期的。
第三个是海啸。海啸是什么呢?海啸就是海底地震引起来的海波冲击造成的损害。这是引起太平洋海水向外边漫延。大家看,整个地球表面海水漫延,智利大地震引起来的波浪一直到日本,把日本沿岸的船只抛向陆地二、三百米,海浪高三十米,好多在假日渡游的人自然就喂了鱼、虾了。这是一张大陆漂移图,你们看,它的左下角标的是个MY,表示百万年,从零开始增加。所以就是两个亿年,在两个亿年的时间里边呢,由原来聚在一起,后来分散开。整个地球的表层出现这么演化过程,大家看,这是喜马拉雅山,你们可以看到,印度的板块怎么向北挤压这么一个过程。蓝色的是原来它们之间的海,印度板块往北挤压,挤不动就往下一插,往下一插,就往上一拱,就把上面托起来了。所以喜马拉雅山的高山隆起是和印度板块的斜插有着一定的联系,这就是一个重力均衡。
这个动画做得非常漂亮的,大家看,这个蛋糕的旁边就是咱们西藏边缘上那一块。你们有一张全国的大陆地形图,可以看到,中国西南部这个地形非常好看。这个片子是什么,转一圈过来,往内陆上看,可以看到,雅鲁藏布江怎么通过云南这个地区流向东南亚地区。大家看,这个岩浆顺流而下。这是全球的板块划分。七大板块划分,还有一些小的。这就是刚才说的那个两亿年,由一个盘古大陆变成现在这么几大块的一个静态的演示过程,这是喜马拉雅山的形成。
我们讲第三部分,讲地球物理学为“地心之旅”探明路线。在这部分我想谈几点,一个是地震波,一个是电磁场,一个地电场,一个重力场,一个地热场。这是讲一个地震探测的这么一个片子,地震怎么进行探测。大家看,这是他们在挖坑埋仪器,这个野外的工作,大家都知道。这个女士也并不比中国姑娘漂亮,非常可惜。这就是地震仪,三个分向的地震仪搁下去,捕捉地面的运动。大家看,把东西搁在底下。一会儿就激发。这是地震波的记录,就根据这些记录研究下面的结构。这是一个不同深度的地震波变化,我们说的地震波分层。大家知道,没有人把地球掰开了,看一层一层,不像你吃橘子似的。那你怎么知道是一层一层的,就是根据下面的速度。因为地球的外核没有横波,所以才说明它是液体,液体是不能有横波的。另外其他各个层次里边的结构情况,由那里的速度结构来确定。大家看,根据那样一个结果,得出地球分层有内核、外核、地幔。这是上面岩石层和地壳,这是地幔底部的结构,这里面的结果侧重于地球化学的。内核旋转的示意图,黄黄的是外核,红红的是内核,跟樱桃似的非常好看。我为什么介绍这一个呢?内核的旋转是一位中国学者叫宋晓东提出来的,1997年被列为美国十大科技发明,这是一个很重要的科学成果。这是一个重力均衡模型,山为什么隆起来了,因为下面有根,给它托起来了,就像大家在北海划船,上面坐的人多,这船沉得就越多,吃水量就越大。喜马拉雅山很高,底下地壳也厚,所以过去曾把这样的地壳叫双地壳。一般地壳是33公里,它六、七十公里。为什么呢?因为印度板块插下来了,插下来,它拱上去了,而这个拱和哪个插,一上一下,呈一个叫镜像对称的效应,而遵从的物理定律就是这么简单,阿基米德原理。
我讲第四部分,未来不是梦,为“地心之旅”勾画科学蓝图。在这里边,我想谈几点,首先讲一盏明灯和一杆深钻。明灯就是地震波。过去有人讲过,地震是照亮地下结构的一盏明灯,不过稍纵即逝,一闪就过了。一杆深钻是什么呢?我们想知道下面情况,必须要打钻、取样,现在国外打得最深钻是14公里,国际上有一个大陆深钻计划,中国是三个主要负责国家之一,美国一个,德国一个,中国一个,为什么有中国呢?人家看到中国的好地方了,一个是咱们青藏,这次咱们打一个8公里深的,在江苏,那个地方是一个在地质上有特殊意义的地区。所以说我们要勾画这个蓝图离不开这盏明灯,离不开这杆深钻。
再介绍一个是探测地心的科学设想。再介绍一个原子能发电站,内核是个原子能发电站。最后我们再谈一下借鉴宇宙之旅,宇航员的生存经验,用在我们今后“地心之旅”。在什么地方人都得活,人不活,你下去干什么。最后提出一些设想。这里有一句话,“挽起你的弓吧,向相反的反向各射出一只羽箭,当它们在飞行中相交的时候,世界就不是原来那个样子了”。为什么呢?因为一个箭是科学,一个箭是幻想,或叫艺术,如果地面是个平坦的,永远不可能相交。好在地球是一个圆的,在地心引力作用下,它围绕着地球转一圈,后来撞击了,溅出一个智慧的火花,才有了今天世界,所以没有幻想的科学工作者,永远成不了科学家,要敢想。
这是一篇论文。这是一个地球物理学家叫马文·亨顿的文章,地心真的要停止运动吗?还是有可能的,要按这里写的来说的话,挺吓人的。为什么?地心里面有一个八公里尺寸的核反应原料堆,目前已经燃烧了46亿年,使用了它的75%。所以按这样来估计地球的年龄,没有像我们设想的那么多。如果说地球和太阳同生死的话,太阳有一百亿年,咱们已经过了46亿年,还有个54亿年,很乐观,还早着呢。可是按照这么一算的话,地下这个炉子没有煤了,算了算,顶多五千年。虽然是一种设想,但是你不能说它完全不对,毕竟是一个探索。这是谈照亮地心的明灯吧,下面的一层一层的结构状况。
这有一个科学钻井,刚才我讲了,往下打深钻的时候,为我们下面的地心找到一个最佳的切入点。这就是马文·亨顿提出的一个探测方案。就登在《自然》杂志上。他怎么设想呢?在地面上划一条口子,三百米长,三百米深,大概几米宽,干吗呢?往里头灌铁水,灌几百万吨的铁水,大概全世界几天的产量,因为只有铁水最便宜。第二个它能够熔化。第三个它的分量沉,靠它重力就可以往下走。通过理论计算,完全是个流体动力学的计算。到达地心要一个礼拜,还是挺快的。光能倒铁水没用,还得有谁跟着去。顺流而下的是一个传感器,跟柚子大小的一个传感器,随着它往下走,一边走,一边往地面发信息,用什么波呢?用电波不成,大家知道,地球介质是吸收能量的。用什么波,用机械波。机械波怎么震动,这里还有很多问题。随着它往前走的时候,会引起地面的振动,这个振动就可以往回传波,标志出它地心的深度。同时它把沿途所获得的温度、压力成分各方面返回到地面上来。这就是目前我们所知道的能进到地心,可以看得见、摸得着,至少我们能够想像得到的一个方案。
这是刚才说的,内容的几个分解。在这基础上我们提出一个设想,如果说我们真要进入地心的话,第一我们还离不开地震波的探路。为什么呢?因为对下面的情况不是很了解,要对地球继续做CT,继续了解哪个地方是个薄弱环节。第二,要通过铁水钻石来探路。刚才我说小小的柚子是钻石,它经得住高温、高压。再一个无人驾驶的飞船,机器人驾驶的飞船,虚拟人驾驶的飞船,搭乘的飞船。虚拟人,你们知道吗?现在报纸介绍很多,虚拟人,它不是机器人,不是电脑人,不是智慧人,我想应该有一个阶段。最后是载人,真正人搭乘的。
所以中国在整个科技水平上,是跟上了世界科学的前沿的。当然在深度上和广度上还差了很多,关键问题是什么呢?一个核动力,应该往下推动。大家知道,往天上飞,往地下走差多了。140年之前,儒勒·凡尔纳写了一个《从地球到月球》,也写了一个《海底几万里》,也写了这样一个《地心探险》。上天实现了,为什么入地没实现呢,说明太难了,其中有一个就是往上飞,所需要的动力,比起往下走的动力来说,要小得多。因为什么?往下介质致密得很,压力很大。有一个人经过计算,往上一公里和往下一公里它所需要的动力能源的动力,它的焦耳值之比是109。所以这个动力问题目前还解决不了。第二,高温、高压。飞船往上边去的时候,就在一上的时候,一摩擦,来回一摩擦,产生高温,整个到上边的话,还是寒冷的。可是到地心去呢?没有一处会寒冷,都是高温,越往底下,温度越高。怎么耐这个高温,还要耐几百万个大气压?地面上,一个人承受一个大气压,只要有五、六个气压就把人压的胸部喘不过气了,那么现在几百万个大气压怎么承受?到上面是会遇到这问题。再一个运行轨迹的遥控,我们怎么控制它的轨迹。刚才说了,大陆钻杆。前苏联打一个钻杆14公里的,它整个的场地的底盘就几公里大,钻到底下,不过就135毫米的头,就这么一个直径。打下的金属杆是一根“线”,是一根弯弯曲曲的面条。因为你得控制它,怎么往下走,难度很大。还有一个信号的传递问题。再有一个内失重,什么叫内失重?到上面,到太空离开地球引力,叫失重,越往地球中间走的时候,你真的在地心的时候,上边、下边、左边、右边都吸引我,我的引力得多少,得零了,没重力了。那个情况怎么办,所以内重力又是另外一个特殊情况。还有虚拟人体实验,试验器官承受的力。我想这里边难度很多,有难度才有挑战。
下面请记住他们的名字,为我们的“地心之旅”插上路标的地震学家。第一个是南斯拉夫人,莫霍诺维齐是地壳与地幔的分界面发现者,第二,古登堡是地幔和地核分界面的发现者,第三是莱曼是外核和内核分界面的发现者。另外请大家记住他们的名字,对我们“地心之旅”不断提供精神动力的科学巨匠。第一个是咱们的张衡,发明了地动仪,第一台地动仪发明者,第二个儒勒·凡尔纳是科普大师,没有他咱们没有幻想,第三个魏格纳是大陆漂移说的提出者。另外需要我们不断地增长我们的知识。我今天的报告完了,谢谢大家。(来源:cctv-10《百家讲坛》栏目)