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万物起源：从宇宙大爆炸到文明的兴起 第四章 大陆与地球内部
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在创建了太阳系和行星之后，现在我们可以将镜头拉近，看看我们的行星家园，并探讨一下我们身在其中的环境是如何产生的了。我们就跟其他一大堆有机体一样，也属于陆栖生物，因此在地球历史上的某个时候，我们的直系远祖需要有陆地（也就是大陆）来东爬西窜。大陆——尤其是我们独特的大陆地壳——对地球而言独一无二。但要了解大陆是怎么形成的，我们得先深入到地球内部去看看。
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我们关于行星、恒星、星系乃至宇宙的诸多知识，都来自天文观测、粒子物理学，以及太空探测器对包括太阳系在内的天体的探测，还有陨石。但要了解地球内部（更不要说别的什么行星的内部）的任何事物，就意味着要穿透厚达6400千米的岩石和金属，真正“看见”这个行星的中心。这使得观测地球内部比观测其他星系还要难，因此了解我们这颗行星究竟如何形成也仍然是最大的科学挑战之一。
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我们关于地球内部的绝大部分知识都来自地震学，也就是研究弹性波——比如声波——如何在地球内传播的学问。但是我们难得有在其他行星上进行地震观测的机会。目前为止只在月球上有少数几个活跃的地震仪，那是“阿波罗”任务留下的；接下来针对火星的数个任务中，有一个（“洞察号”，the InSight mission）会安置一些地震仪在那里，但也就这样了，并不算多。所以，地震学以外的观测很有必要。最基本的观测是对行星“称重”，这样可以得出行星质量。在地球上称重很简单，把质量已知的物体放到秤上就行了。物体的重量等于地球质量和物体质量相互间的引力作用，因此，称重不只是测量物体放在地球上的重量，也（可以这么说）是在测量地球放在物体上的重量。如果同时知道地球的周长和半径（由古希腊哲学家埃拉托斯特尼［Eratosthenes］第一个算出来），我们就能得出我们行星的质量和密度，并能对它的组成有极粗略的估计。地球的平均密度大约是每立方厘米5.5克（g/cm3），比较一下：水的密度是1g/cm3；随手可捡的石头密度是2～3g/cm3，绝大部分金属的密度在10g/cm3左右（铁的密度大约是8g/cm3，金大约是20g/cm3）。所以，地球比绝大部分岩石都重，但比绝大部分金属都轻，尽管我们也知道，地球物质被地球内部的超强压力压缩得比通常的密度要大很多。
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对其他行星，通过观测路过它或环绕它的卫星运动如何受到重力的影响，也能得出重量。例如，知道了月球的环绕周期（就是1个“月运周期”）及轨道距离（需要进行一些天文测量，目前的具体手段就是激光测距），我们就能得出地球重量。还有，通过观察行星自转轴如何摆动着顶部像陀螺一样旋转（这种现象叫作岁差），可以得到关于行星内部的分层或结构稍稍详尽那么一点的信息。这样的信息披露出，行星是否在中心部位有一个密度更大的内核——对地球来说的确如此，同样的可能还有除了月球以外绝大部分的类地行星，上一章已经讲过了。更多卫星观测还能给出了更详细的数据，火山喷出的岩石也额外提供了地球内部某些区域的化学组成信息（下文详述）。
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不过我得再次强调，关于地球内部的绝大部分信息来自地震学。在这种情况下，需要有声波的极大能量源（比如爆炸）来形成够强的地震波，进入行星内部，再从对面穿出来。根据板块构造理论（我们很快会详细介绍），频发的大地震提供了这种地震波资源。地震波在穿过越深的地层时，声波速度通常会越快，因此抵达全球各地的地震仪或地震台的声波有不同的平均速度，取决于这些仪器探测的地层有多深。不同台站检测到的这些地震波可以用来给地球创建最深层结构的图像，或者更贴切地说，给地球做个超声波扫描。
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地震学让我们看见地球内部的诸多地层，其中最清晰也最值得注意的有三层：相对较薄的地壳，由较轻的岩石组成（有些地方随着大陆生长已变得越来越厚，下面很快会详述）；极厚的地幔，厚度占地球半径1/2左右，由较重的岩石组成；更重的地核，占地球半径另1/2，绝大部分由铁组成。但由于地幔是包裹着地核的，因此地幔的体积比地核要大得多。实际上，地幔占了整个地球4/5以上的体积。（这一事实仅由几何学就可以推导出来：球体的体积与半径的立方成正比，因此如果地核半径是地球半径的1/2，它的体积就是地球的1/8，剩下的7/8就都是地幔了。）
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为了测算这些地层的密度，地震学家用不同的弹性波穿过地球内部。速度最快的地震波是声波，由任何介质中的压缩和减压形成。第二快的波来自物质的弯曲和回弹，就像弦上的波，只能发生在固体介质中，因为液体就算被弯曲或被剪切也无法靠自身回弹。这两种波的速度可用来推断，物质在超强的压力下有多容易被压缩，由此出发也能计算出物质密度。（另外还有两种更慢的地震波，只在地球的表面传播，这两种波会使大地震动翻转，造成地震灾害。）
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通过这些不同的波，地震学家也知道了地球厚重的地核主要是液态的，具有像铁那样的金属的密度。详细来说，地球发生地震时，释放出的纯“弯曲”波（上文说的第二种波）无法穿过地核，地核会在震源的地球对侧投下一个阴影；既然这些波不能穿过地核，地核就只能是液态。然而，更详尽的测算揭示出，在这个液态铁核的里面，还有一个固态内核，也是由铁组成，这就好像是地核在慢慢冷却和凝固一样（想象一个上下颠倒的冰湖）。实际上还有更细致的测算可以将地幔甚至地壳都分为更多层，但为了继续推进我们还是忘了那些吧。
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地震学让我们了解不同地层的物理性质，比如密度甚至是地幔不同部位的冷热不均。但地震学没法给出地层的化学性质细节。化学组成主要是由化学测量推算出来，对象包括地表岩石、火山岩（从地球内部喷发而出）、陨石，乃至保留了整个太阳系基本化学组成特征的太阳。如果我们将所有地层都重新混在一起，变成一块均质的大岩石，我们就能发现地球的主体化学组成。目前认为这些组成来自类似小行星带里最原始的球粒陨石（我们前面说讲过），尽管究竟是哪种球粒陨石仍有争议。对最初的主体化学组成有了一些了解，再推断这块混合物是如何分离出不同的组分（这些组分根据各自密度或是上浮或是下沉），就能对地球主要地层的化学组成有一个合理的估算了。由此推算出，地核主要是铁，并有一些镍，以及更轻的元素比如硫，因为很容易溶解在熔融的铁中，就被带到了地核。地幔由矿物质组成，绝大部分都是镁、铁、硅和氧，你大概能想起来，这些都是在巨星内部的氦原子核聚变中制造出来的（α过程）。地壳也是由矿物质组成，包含了更多的硅和氧，以及除了镁和铁以外更多较轻金属元素的混合，包括钙、钾、铝、钠等等。（我不打算列举这些岩石和矿物的名称，因为我自己也记不住。）熔化使得这些组分从那团总混合物中分离，那就是另一个故事了。
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很容易想象，经历了月球成形碰撞后，地球大部分都熔化了。很可能地球此前也曾熔化过，但在某些方面这还是个悬而未决的问题（除了一点，那就是假如确有先前的熔化，那么它可能影响到了大碰撞本身）。尽管地球上的地质作用已经把这熔化状态的存在证据抹得一干二净，但月球上还有证物，那就是早期岩浆洋的遗存——确确实实就是一片熔化岩石的海洋。地球自己有没有过岩浆洋尚无定论，但考虑到行星在碰撞与吸积物质方面的猛烈，一个岩浆的地球初始状态是很好的假设，这也为随后发生的一切给出了合理的起点。
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在地球吸积物质的时期撞击地球的很多大块头星子，可能已经有了自己的铁核，所以那时很可能已经存在大量游离的铁，沉甸甸地像大团液滴一样插入地球，沉入地心。于是，地球很早就形成了原始地核，甚至早在巨大的月球成形碰撞将地球熔化（又一次）从而为地核贡献更多的铁之前。
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地球最终形成的岩浆洋，可能曾在地球的整个体积中占了相当大一部分。随着岩浆洋的冷却和凝固，地球的不同组分不断从岩浆洋中析出，这是因为熔化了的岩石混合物（就统称为“熔融物”好了）当中不同成分有不同的凝结温度，于是在依次结晶时通常就会下沉分离出来；仍溶解在岩浆中的任何富余的铁，会一直留在熔融物中（就像星子形成的过程那样）；最终到富含铁的熔融物够沉了才会停下来，为地核贡献出最后的铁质残渣。保持凝固的岩石层绝大部分变成了地幔，而较轻的组分则上浮，最终浮到地表变成了早期很薄的地壳。岩浆洋在凝固时可能已经上下一分为二，较轻的熔融物留在靠近顶部的地方，较重的熔融物则在岩浆洋的底部被压缩至更高密度，下沉到地幔的基部。“基部岩浆洋”的证据至今犹存，表现为仍留在地幔底部、可以用地震学手段探测到的熔融物仓（pockets of melt）。
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岩浆洋要是存在过，它的凝固必定很迅速（至少没有下沉到地幔底部的那部分是这样），只花了几千万到一亿年，按地质学标准这就是很快了。也正是从这以后，才有了严格意义上的地质记录，保留在现存的岩石中。尽管太阳系的年龄是46亿年左右，这年份却是从陨石中得到证据，而非从地球上的岩石。地球上最古老的完整岩石只有40亿年左右的年龄，据推测它们是岩浆洋完全凝固之后留下来的。（地球上也有极小的矿石比这还早几亿年，叫作锆石，在少数几个地方可以见到，但嵌有锆石的岩石却没有这么老。）现存这样的岩石非常非常少，因为在岩浆洋阶段上浮的地壳会被继之而来的地质作用侵蚀并重新消化掉，或者也可能被一直持续到约40亿年前的更多小行星撞击给摧毁。于是，40亿年前一个叫作太古宙（Archean）的严格意义上的地质学纪元开始了，现存的岩石就产生于太古宙，它在地质学年代表中占据了极大的篇幅（在总共46亿年中大概占20亿年）。太古宙之前的纪元，也就是可能存在岩浆洋的年代叫作冥古宙（Hadean），以希腊神话的冥王哈得斯（Hades）命名。
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在岩浆洋凝固之后，地球继续演化，并在寒冷的宇宙真空中冷却，尽管冷却速度要慢得多了。从那时起到现在，地球的演化一直主要受地幔支配。地幔如此巨大，行动迟缓，它决定的不只是整个行星如何在太空中冷却，还有如何在地质上演化的方式。早期阶段的地幔仍然极为炽热（岩浆洋凝固之后），现在则除了少数几块很小但很重要的区域之外几乎全是固态了。地幔同时也被不稳定放射性元素衰变时释放的热量加热，这样的元素包括铀、钍，早期还有钾的一种不稳定同位素（这种同位素衰变很快，并伴随有热量爆发，它的衰变产物实际上就是氩，是地球今天大气层的一种重要组分，地球上的目前绝大部分的氩都来自这一衰变）。回想一下，更重的放射性元素（像是铀和钍）产生于红超巨星演化期间的中子捕获过程。这一过程在恒星内部进行得很慢，但到超新星爆发时就快得很了。无论如何，炽热地幔的热量散入太空，其中有一多半是从地球形成和岩浆洋状态留下来的，其余则出自放射性元素的加热。
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然而地幔并不是像炽热的大石头那样静静冷却，而实际上是在很缓慢地移动。地幔中接近较冷地表的岩石会变冷、变重于是下沉，而在地幔底部的岩石由于靠近炽热的地核，更热也更轻，于是会上浮。热物质上升、冷物质下降的过程叫作热对流（有时候也叫自由对流），在自然界随处可见，从地幔到海洋到行星和恒星的大气层，比比皆是，就连你茶杯里都有。对流驱动了飓风、雷暴、洋流，还使太阳上出现了太阳米粒组织。对流确实要求有流动性，来让热物质或冷物质能够在重力作用下移动（重力让热物质更轻而冷物质更重）。因此尽管地幔是固体而非液体，但在极长的时间尺度内还是会表现得像流体，好比固体的冰川也会缓慢地流动，除非它融化后涌动着分崩离析。
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固体表现得像流体，这听起来有点反直觉，但就像我在前言里说的，我不会把科学搞得很浮夸，所以与其高高在上地告诉你们“这个太复杂了”，我会试着用简化的物质模型给出解释。（还须注意，“流体”［fluid］一词往往被误用为“液体”的同义词。严格说来，物质的状态有固体、液体、气体乃至等离子体等等——只要真的加到够热；但“流体”指的是物质如何流动或变形，而不是物质所处的状态。其他的变形方式还表现为有弹性的、可塑的、脆质的等等。因此，冰川和地幔在变形时，就是固体可以表现得像流体；而气体和液体在传播声波时，就会表现为弹性物质。）
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想象一个罐子，1/4装了弹珠（你喜欢的话，想成球形滚珠也成）。要是弹珠全都待在罐子底部保持最低静止位置，就会规规矩矩地排列成行，妥帖紧密地挤在一起，通常每个弹珠都坐落在它下方几个弹珠之间的低位或者说窝子里。这种情形就可以比作固体，其中的弹珠就好像原子，布列有序，只要让它们各就各位，就基本上不会再移动；要是我们使劲儿地旋动这个罐子，让弹珠滚来滚去，那这时罐子里就会像液体一样：原子在四处游走，但彼此仍有联结；要是对罐子大晃特晃，弹珠就会开始在里边蹦来跳去，把罐子的整个空间都充满，这就像是气体了：原子四下乱飞，填满空间，从容器壁上弹开，两两之间则绝少碰撞。现在让我们回到静止的罐子，里边装的是“固体”一样排列成层的弹珠。要是我们稍微倾斜一下罐子，弹珠仍旧会好好待在小窝子里而不致移动，但继续慢慢倾斜的话，有的弹珠就会离开窝子，向下滚到紧邻的窝子里。就这样一步一个窝子的距离，最后我们实现了弹珠的缓慢移动，于是弹珠层渐渐地流动了，随着倾斜调整了自己的位置；但与此同时弹珠层在相当长的时间里仍然几乎像“固体”一样布列有序（这说的是弹珠们移动的间隙时间）。在真正的固体中，移动的原子离开位于其他原子之间的旧位置后，移到新的稳定位置。地幔中的岩石就是在应力（或拉或压）和重力影响下以这种方式流动的，轻者上升，重者下沉。只是地幔的流动异常缓慢，我们最恰当（或者说最流行）的类比是地幔的流动就跟你指甲的生长一样快，你可不想看着指甲长出来（除非你真的是太无聊了），但你知道指甲在生长。
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好吧，可能所有这些都跟指甲生长一样无聊，但它们是重要的，因为地球固体地幔的缓慢对流决定了整个地球如何运转。稍后我们将看到，所有这些对流运动都是板块运动的起因，地震、火山喷发、造山运动等等也都由此而来。地幔对流同样决定了整个行星在太空中冷却的缓慢节奏，因为地球无法以比地幔冷却更快的速度散发热量。对流是流体处理掉热量的一种方式，具体就是吸收接近地表的冷物质，将其纳入温度更高的内部（就像把冰块丢进热茶一样），同时把热物质从深处直接带到寒冷而可以更快散热的地表。地幔以这种方式冷却，虽说是比一大块静止的岩石散热要快，但由于地幔运动实在太慢，所以整个冷却过程仍然是跬步而行。这意味着地幔会在数十亿年里持续翻腾并驱动板块运动；很可能我们也需要这样的板块运动来维持地球上长时间的气候稳定，从而孕育生命，不过我们还是晚一点再来说它吧。
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地幔的缓慢冷却也确保了地核不会太快变冷，显而易见的就是地核到今天仍然基本都还是熔融态。前面说到，地震学家利用大地震的能量来给地球内部做超声波扫描，他们了解到地核基本都是液态，尽管其中还有一个固态的内核，很可能正是在这里地核慢慢地冷却和固化了。由于包围着凝固部分的外核是液态，很容易流动，而地核又是由铁构成的，所以具有导电性，于是可以承载电流。外核的流动由对流（地核冷却导致）和地球自转共同驱动。地核这个电导体是在一个微弱的外来磁场（来自太阳的磁场）中运动，于是就产生了电流，类似发电机那样（在磁性封套里旋转的一束线圈会在导线中产生电流）。地核中的电流接着又会产生出自己的磁场。所有的磁场概莫能外都由运动的电荷产生，要么像自由电子流过电线一类的电导体，要么像受束缚的电子绕着原子中的原子核旋转。后一种情形可以产生永磁体，就跟你的冰箱磁力贴是一样的性质。等到电流以及地核中的相关磁场变得够强够有序之后，就能为地球的整个磁场提供动力了。
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实际上，就地球的体积来说，它的磁场强度实在大得非比寻常，远远超过其他类地行星。大体上可以视作磁偶极子（dipole magnet）的地磁场有严整的结构，就像标着“南”和“北”的磁棒一样。金星，地球公认的孪生星球，没有任何可探测到的自身磁场。月球和火星在各自地壳中有一些小区域是磁性岩石，很可能在地质史早期有过它们自己的磁场，但现在是没有了。水星有一个很大的铁核，也确实像支撑起了一个类似地球的偶极磁场，但这个磁场的强度明显小得多。身在外太阳系的巨型气态、液态行星倒是都有相当显著的磁场，其中最强的要属木星（想不到吧）。
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地磁场向外延展超出了我们大气层的外层，甚至能影响到月球（拜太阳风所赐，地磁场被吹成了鲸鱼的形状，带一条长长的尾巴）。这个磁场也保护着我们和我们的大气层不受太阳风和太阳风暴中的高能带电粒子的影响（下一章会再次提及）。没错，地磁场在远高于大气层的空中就捕获了这些粒子，这个空中区域叫作范艾伦带（Van Allen belts），四下包围着地球。范艾伦带表现得就像磁瓶一样，一旦太阳耀斑爆发或磁暴之后，带电粒子在瓶子里装得太满，就会泼洒到南极和北极附近的大气层高处，形成北极光和南极光。我们的磁场并不会像有些好莱坞电影里表现的那样，保护我们免受不带电粒子和辐射（例如微波）的伤害。
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地磁场产生于流体地核，这个判断主要是由于人们观测到磁场源自地球内部（在19世纪早期就由德国数学家高斯［Carl Friedrich Gauss］发现了），但磁场也在运动，而且比地幔驱动的地质过程（也比你指甲的生长速度）要快得多。虽然地磁场某种意义上看起来就像一根普通的磁棒（用磁铁矿制成，在自身晶体结构中有严整高效的磁性），但是它并非由永磁体构成，这是因为地幔和地核的温度太高，不允许磁性冻结到矿物质和铁中。甚至在人类时间的尺度上，地磁场也有显著的漂移，这一现象在17世纪晚期由因彗星而成名的爱德蒙·哈雷（Edmond Halley）首次注意到。地磁场经年累月地漂移，甚至每隔几十万年还会突然来一次地磁逆转，也就是地磁北极迅速翻转到南极那边去了。所以，地磁场一定是由地球内部某种大型的、自由流动的、导电的物质驱动的（哈雷也这么推测），而液态铁质外核差不多是唯一可能的备选项。不过一直到最近20年，地核对流从而为磁场提供动力的这一机制（人们称之为“地球发电机”［geodynamo］），才在计算机模拟中证明是可行的。
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