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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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然而，关于地球发电机还有诸多细节都在热议中。比如说，地球发电机的动力来源就还没完全了解清楚。动力来源也许是简单的热对流，位于外核顶部附近（地核—地幔交界处）的液态铁变冷变重于是下沉。但是，铁也是热量的良导体，那就意味着热量的冷热对流很容易就会给散发或者说抹除掉，所以地核的热对流可能会很没力度，无法成为主要的动力来源。
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或者，地核对流也可能是由液体中的成分差异或者说化学差异来驱动的。具体而言，人们推测液态的外核是一种混合物，绝大部分是铁，还含有一些镍及少量更轻的元素比如硫。当这一团混合熔融物凝固到内核的边界上时，更轻的元素倾向于留在液体中（这是因为这些元素更容易溶解在液体中），于是液体变得更加易浮，会从底部快速上浮到外核的顶部，由此产生的对流运动就为地球发电机提供了动力。金星没有自己的磁场，可能就是因为它的表面温度要高得多，导致地幔和地核温度也都更高，内核就无法凝固起来；这种解释支持了地球发电机是由与内核结晶化相关的化学对流来驱动的观点。但地球发电机的能量来源仍然有其他可能性，到底哪一种来源占了主导地位，仍属于活跃的调查研究领域。
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但还是让我们回到地球表面，回到我们原先的地壳和大陆起源问题。任何行星的地壳通常都是由最轻的熔融物来到地表并凝固而形成。在岩浆洋时期，有些最轻的物质涌到表面，形成一层很薄的地壳，但很可能还有少量遗留了下来。从地幔（或是岩浆洋）直接上浮到地表的熔融物，多半看起来就像一摊又薄又稀的熔岩（叫作玄武岩），夏威夷熔岩或许最能代表。实际上，夏威夷是今天玄武岩如何形成的很好例子。夏威夷群岛产生于地幔上一个异常炎热的区域（并仍在成形），这样的区域叫作“热点”，应该是由上涌穿过地幔的热对流或称热柱产生，可能始于靠近炽热铁核的地幔底部。在地幔深处，上涌的物质起先是固态、未熔化的，但到靠近地表时就部分熔化了（熔化了一两成或者更多），这是因为物质在较低的压力下更容易熔化（压力的消减使其中的原子更容易运动起来），熔化了的物质抵达地表就成了玄武岩。夏威夷的热柱就带来了大量玄武岩，多到足以形成巨大的盾形火山群岛（盾形火山就是底部宽、坡度缓的大型火山）。别的类地行星看上去也有玄武岩地壳，很可能是以类似的方式形成，例如火星上的奥林匹斯山这种大型火山，看起来也像是盾形火山。
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然而地球不只是在火山生产玄武岩地壳，就像在夏威夷那样沿着海底山脉的狭长地带（叫作洋中脊，基本上像棒球的缝线那样包了地球一圈）也有大量产出。然而地球的缝线只能称得上粗制滥造，因为洋底在这些缝线地带上是撕裂的，于是玄武岩质岩浆从地幔涌出填补缺口，凝固下来就变成了大洋地壳。这个过程叫作海底扩张，是引致革命性的板块构造学说的最早观测。
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在20世纪60年代早期，美国地球物理学家哈里·赫斯（Harry Hess）就提出了海底扩张的理论，并很快为剑桥大学地球物理学家弗里德里克·瓦因（Frederick Vine）和德拉蒙德·马修斯（Drummond Matthews）的发现所认实，加拿大人劳伦斯·莫利（Lawrence Morley）也独立得到了同样的发现。海底扩张的证据在洋中脊的玄武岩质岩浆中显而易见，因为那里有岩浆凝固冷却而成的磁性矿，而这些磁性矿记录了地磁场的方向（就像放在纸上的铁屑可以显示出纸下磁棒的磁感线一样）。前面提过，由于地磁场会周期性逆转，这些逆转在海底向外扩张时就记录在了玄武岩里，就像收报机的纸带或是磁带一样（现在很少有人记得磁带了，但是U盘可没法胜任这个比喻，CD也不行）。因此，平行于洋中脊的一条条清晰可见的磁条显示着地磁场何时指南何时指北，这也就意味着海底在记录这些重大事件时正在向外运动（而且实际上还可以把这些重大事件当成时间标记，用来算出海底运动得究竟有多快）。
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绝大多数地球科学家都将海底扩张的发现视为革命性的板块构造学说的先声。从20世纪二三十年代以来，“地球的表面可以移动”这一观念已历经风霜，与之伴随的是大陆漂移假说，尽管这一假说和板块构造学说差别相当大。德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）提出的大陆漂移说声称，大陆像冰山一样四处移动，费力穿过大洋地壳（后来被证明没有可能）；而板块构造学说则宣称，整个地球表面分为多块巨大的拼图，彼此相对运动，嵌在各块拼图上的大陆也随之一起加入了旅程。这些拼图就被叫作地壳构造的板块，主要的有12块，比如最大的太平洋板块，以及大把小板块。无数科学家为充实板块构造学说的现代理论做出了自己的贡献，但最早彼此独立地提出板块运动的数学模型的人，是剑桥大学的丹·麦肯齐（Dan Mckenzie）以及普林斯顿大学的杰森·摩根（Jason Morgan）。即便如此，地球为什么会有板块构造（而别的类地行星就我们所知并没有），板块构造又是如何形成的，都仍然是最大的谜题，需要更多深入研究。
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全球板块构造图地质构造板块像拼图一样拆分了地球表层的岩石层，每一板块都在相对其他板块运动。主要板块的名称已如上图所示，部分较大板块上标注的箭头则显示了它的运动方向。板块间的相对运动展示出了板块边界的不同类型，包括张裂型（可参考欧亚板块和北美洲板块之间正在扩张的洋中脊）、聚合型（例如印度板块和欧亚板块之间的碰撞，形成了喜马拉雅山脉）以及错动型（例如位于美国西海岸的圣安德烈斯断层，位于太平洋板块和北美洲板块之间）。在板块聚合的“俯冲带”，更老、更冷的板块沉入下方的地幔并使地幔变凉，这是地幔对流的形式之一。（图片由Paul Wessel授权使用。）
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地质构造板块就像是大片大片较冷的岩石，最厚可达100千米，但边缘并不牢固，而且在不停滑动（这是从地质学时间尺度来看；就人类时间尺度而言，这样的滑动导致了地震），板块之间于是有了相对运动。就像刚才说的，在某些地方这些板块互相分离，于是那里的海底就扩张了。板块在某处分离的另一面就是，在另一处就必得相互聚拢。事实也的确如此，这样的区域就叫作俯冲带（或消减带）。具体来说，板块在它的某条边缘与别的板块分开，通常就会在对边将自己推向第三板块并潜入其下方。像这样一板块下潜沉入另一板块下方的过程就叫作俯冲。大洋深处的海沟非常充分地展现了俯冲带，比如超级深的马里亚纳海沟，那里的海底就正被下沉的重量往下拉。这整个运动都并非随机，被认为是地幔对流在地表的体现。具体解释就是，板块俯冲是因为随着移动，它的构成物质离开了创造地——炽热的扩张中心——从而冷却了，最终变得又冷又重，于是能沉入缓慢流动的地幔，并使地幔也变冷。因此，俯冲就相当于对流中一股又冷又重的沉降流。
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