愛伊米

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

前言

地球這個星球形成於46億年前,經歷了漫長的發展,地球上才逐漸開始有了生命。而對於地球,我們有著無盡的好奇。中國四大發明的產生,指南針的出現給人們最初探索地球提供了工具上的便利。

人們利用指南針、帆船等工具,在海洋上開展了第一次探索,發現了新大陸。此後,大大小小的探索活動,不斷地展開,人類對於地球的探知慾望越來越強烈,越來越迫切的想要知道地球到底是怎樣的。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

隨著技術的迅速發展,時間來到了美蘇冷戰時期。美國先後成功發射了數顆衛星,美國的成功讓與其進行競賽的蘇聯倍感壓力,為了試圖打敗美國,蘇聯嘗試去做了很多的其他方面的探索,而科拉鑽井就是其中最令人矚目的一項。

科拉鑽井

科拉鑽井實際上原理非常簡單,一根杆子頂部安裝一臺旋轉鑽機,一直向下旋轉鑽探就好了。說起來非常簡單,但實際操作上卻遇到了很多難題。最嚴重的問題是,地殼深度溫度過高,當鑽頭鑽到深處時,極高的溫度很容易就能毀掉鑽頭。

為了解決這個難題,當時的蘇聯科學家尋找了許多方法,最終,在當時極為有限的條件下,想到了將製冷液體灌注到整個鑽井中,以此保證鑽頭和鑽洞的穩定性,從而能夠讓鑽桿上幾十個特製鑽頭在地下深處的超過316攝氏度的高溫下正常工作。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

科拉鑽井這項工程在1970年5月24日開始,終止於1994年,共鑽探了120262米。

最後的262米是導致這項工程結束的主要原因,在1983年到1993年這十年中,一共向下鑽探了262米。時間和金錢上耗費極大,地下的高溫導致了鑽頭的頻繁更換,而十年的不間斷鑽探僅僅取得了262米的深度,甚至沒有還挖穿地球地殼。

因此,在1994年,蘇聯最終決定停止這項工程,給出的原因是資金不足。蘇聯停止這項計劃也帶來一些奇怪的傳言,例如,之所以停止這項計劃,是因為觸碰到了“地獄之門”等很多讓人匪夷所思的謠言,我們不禁感嘆人們的想象力是無所不能的。

事實上,在1994年,美蘇冷戰也到了末期,已經沒有必要為了競賽的輸贏去繼續這項工程。其次,這項工程要耗費巨大的資金支援,但卻看不到回報。

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雖然有的人認為在這種深度下,黃金和鑽石到處都是,蘇聯只要隨便開採一點就可以繼續這項研究,但是卻忽略了開採的難度,在極度的高溫之下,鑽探已經變得如此的困難,又哪裡分得出精力進行開採呢?

最後,蘇聯當時的技術並不先進,以上世紀的技術來說,鑽探到地下一萬兩千多千米可以說是一個奇蹟了。

既然蘇聯的鑽探計劃最終失敗了,那麼我們目前已知的地球的內部結構是怎麼樣得知的呢?

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如何得知地球內部結構——地震波

將地球看作一個雞蛋,地殼甚至還沒有雞蛋殼厚,而雞蛋殼上的劃痕都比深度為一萬兩千多千米的科拉鑽井深。既然無法“開啟”這顆“雞蛋”,我們又是如何得知它的結構呢?

這一切絕大部分要歸功於地震波。地震波是一種向周圍散開的一種彈性波,按他自身的傳播方式分為橫波和縱波。橫波速度比縱波慢,但破壞性強可以造成地面前後左右的晃動。縱波速度較快,只能使地面上下搖動,破壞力小。

除此之外,當縱波和橫波相遇的時候,就會產生面波,面波是一種混合波。面波的破壞力最為強大,它的波長長、振幅又大、沿著地表傳播,會造成建築物的大量損毀,破壞能力最強。

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但也因為地震波的特殊性質,即傳播速度的不同、傳播速度會因為不同因素的作用而改變以及縱波的傳播介質只有固體,橫波的傳播介質既有固體還有液體和氣體,幫助確定了地球的內部結構。

1910年,地震學家莫霍洛維奇發現了地震波在地下的折射現象,在地下深度約為50公里處,地震波發生折射。因此,他推斷這是一個地殼魚其他物質的分介面。

過了四年,德國地震學家古登堡發現地震波在地下深度為2900公里的地方,橫波消失,縱波速度下降。於是,我們又得知了一個新的分介面,即地幔和地核的分介面。為了記住他們的成就,這兩個介面分別被命名為莫霍面和古登堡面。

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地球內部的秘密

經過多方面的研究,科學家們最終確定了地球內部結構。那麼經歷千辛萬苦後,我們所知的地球內部結構究竟是怎樣的呢?

由於地震波在堅硬的岩石等固體內傳播的速度快,在較軟的固體內傳播速度慢,根據傳播速度的不同,科學家把地球內部分成了不同的圈層,把地球表面上的一層叫做地殼,地殼是最薄的一層,它主要由各種岩石構成;

地球內部最深處的一層被稱為地核,地核就是在古登堡介面下的部分;古登堡介面以上一直到地殼的一層就被稱為地幔。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

地殼上下的組成成分不太相同,上方的地殼主要是由矽和鉛構成,即花崗岩;下方的地殼則是鎂和鐵,即玄武岩。地殼的厚度是不均勻的,有的地方厚有的地方薄,然而作為地球結構中最薄的一部分,地殼的平均厚度只有17公里,僅為地球總深度的三百七十五分之一,即使是最厚的地區——珠穆朗瑪峰的地殼厚度也僅為地球總深度的一百八十分之一。

而地殼最薄處——馬裡亞納海溝,它的地殼厚度僅為兩公里,是距離地幔最近的地方。除此之外,地殼內還有一些的礦產資源,如金、銀、銅、鐵、石油等等。

地幔佔據地球的總質量約一半以上,其最深處約為2900米,1000米處被認為是上地幔,地下1000米-2900米被認為是下地幔。

有研究認為,上地幔頂部有一個處於熔融狀態下的軟流層,它被普遍認為是岩漿的發源地。下地幔的溫度比上地幔的溫度更高,主要是由硫化物和氧化物組成。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

地核是最神秘的一個區域,人們目前對它所知甚少。地核是組成地球內部結構的最中心部位。

地核還可分為外地核、過渡層和內地核三層,外地核的範圍是從地下2900千米到5100千米,厚度約2080公里,佔據了地球總質量的三分之一,而且由於科學家發現地震波中的橫波在外地核部位不能傳播,由橫波的物理性質推斷,外地核有可能在高溫、高壓環境下處於液態或熔融狀態。

由於外地核處於液態,它們相對於地殼不斷地“流動”,有科學家認為這有可能是產生地球磁場的主要原因;過渡層的厚度約140公里,作為外地核和內地核的過渡而被單獨分立出來;內地核是一個半徑為1250公里的球心,一般認為地球核心呈固態,主要由鐵、鎳等金屬元素構成。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

地核內部的溫度高達2000~5000℃。因為地核位於地球的最深處,受到了來自地球上方的極大壓力,外地核的壓力大概有136萬個大氣壓,尤其是地核的中心部分氣壓已經在360萬個大氣壓左右。在如此高溫、高壓的環境下,科學家認為除了鐵、鎳的存在還可能存在著矽、硫、氧等物質。

為了得知地球結構,科學家們想盡了千方百計,難道瞭解地球結構僅僅只是為了滿足我們自身的好奇心嗎?

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瞭解地球結構的意義

經過大量的研究,我們最終確定了地球是由地殼、地幔、地核三大部分構成的。雖然我們現在不能非常詳細的對地球結構做一個瞭解,但終於有了一個較為規範的大致框架。我們究竟為什麼要了解地球的結構呢?

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

首先,人類對未知的事物是充滿好奇心的。在最初的時候,我們是在好奇心的驅使下,產生了研究地球內部結構的想法。為了滿足自己的好奇心,我們開始想辦法去得知地球的內部結構。

其次,隨著我們航空航天技術的發展,我們對於宇宙的探索逐漸展開。而由於對外星球的所知甚少,使我們把目光放在了我們自身所處的這顆星球。瞭解地球的結構,對我們遇到的其他的星球,它們的結構就有了一個範例。對於我們探索宇宙也有著一定的幫助,填補了未知的空白。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

最後,清楚的瞭解地球結構,不僅可以防範一些危險,如火山噴發、地震、海嘯等,還可以知道一些貴重金屬和其他礦產的儲藏地,減少我們在尋找礦產上的時間,有利於我們工業上的發展。

隨著未來我們技術的不斷髮展,是否能實現“科拉鑽井”未完成的夢想——鑽通地球?

挖穿地球的可能性

理論上來說,挖穿地球的可能性是有的。地球半徑約為6378km,僅僅是挖一個長度這麼多的隧洞,似乎難度並沒有那麼高。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

但實際操作起來卻是困難重重,地球深處的溫度上升是非常劇烈的,越向下溫度越是呈指數型爆炸增長,而地心處的溫度已經接近太陽表面的溫度,任何目前已知的金屬一旦靠近都會被融化,又怎麼去挖動呢?

就算我們透過探索宇宙獲得了極耐高溫的金屬,除了高溫之外,如果我們挖到了一千米左右,即軟流層,這意味著我們需要面對流動的物質,試想一下,一臺鑽探機在水中鑽探,會打出一條隧洞嗎?而目前的技術,我們連軟流層都觸碰不到。況且我們要知道地核深處還有這比軟流層更恐怖的存在——流動的固態金屬。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

就目前來說,挖穿地球可以說是毫無希望的,它只能是存在人們心目中的願景。因為我們不僅要具備相應的高科技,還要面對挖掘超深隧洞時帶來的未知麻煩,這種“自尋煩惱”是非常沒有必要的。

結語

雖然我們無法透過挖通地球來知道地球的內部結構,但是我們可以透過藉助地震波等其他事物的特性,在不破壞地球的前提下知道地球的內部結構,即透過事物的特殊性質從側面來尋找我們想要了解的真相。

當我們在面對其他難題的時候,也應該這樣做。“他山之石,可以攻玉”,我們要學會藉助他人他物的力量來實現自己力所不及的想法。

人類挖了10年,都未能挖穿地球地殼,是怎樣得知地球內部結構的?

一味的蠻力是不可取的,就如停止鑽探的科拉鑽井一樣,在1973宣佈停止這項工程後,2008年為了安全起見,這座井的井口被螺絲緊緊封存,如今封存它的井蓋早就佈滿了鐵鏽,模樣滄桑。