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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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地球物理学家（比如在下）认为俯冲不只是地幔对流的表现，同时也是板块运动的主要驱动力。板块因冷而下沉的部分叫作俯冲块，它通过对流使地幔冷却的同时，也会拉动板块上位于它后面的部分。支持上述理论的主要观测证据就是，边缘有明显俯冲带的板块同时也是运动最快的板块；而大量几乎没有俯冲带的板块，速度就要慢得多，很可能只是在被那些下沉板块挤来挤去。太平洋板块，再说一次，这是最大的板块，它的边缘富集了地球上大部分的俯冲带，运动也非常快，1年接近10厘米。
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俯冲带也是最剧烈、最有破坏性的地震和火山爆发的地方。地震也发生在洋中脊，但力度很小。地球上几乎全部熔岩都在洋中脊生成，但这里的熔岩很稀软，容易流动。在板块既不分离扩张也不碰撞而只是相互滑动的地方，比如圣安德烈斯断层和安那托利亚断层，地震堪称大型但谈不上剧烈，火山活动也极少见，因为这种运动并不会把炽热的地幔岩石带到地表。而在俯冲带，俯冲板块抠住了上冲板块（overriding plate）的边缘往下拉，让它像弓一样弯了起来。到板块间的摩擦力不再能抗衡“弯弓”中巨大的张力时，上冲板块就会像一触即发的弓那样“啪”一声弹回去，释放出剧烈的地震，并常常伴有海啸。
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尽管俯冲带是板块因冷而下沉的地方，这里倒有很剧烈的火山爆发，那是什么促使熔化的岩石在此上涌、形成火山的呢？要想了解绝大部分大陆地壳从何而来，这里的火山产物也是关键。实际上就我们所知，别的行星全都没有板块构造，也没有像我们地球这样的大陆地壳。
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俯冲带的岩石熔化比洋中脊处的熔化或是像夏威夷那样的热点区域的熔化，要复杂一点。不过，在任何情况下，熔化都不是因为岩石变得更热了（熔化冰或者蜡时你通常会想到的那种加热方式）。在洋中脊和热点区域，地幔岩石的熔化是由于所受压力变小，因此熔化变得更容易了；而在俯冲带，熔化是由于水的存在而更容易。进入俯冲带的地质板块通常之前已经在水下淹了数千万年甚至上亿年，当洋中脊的熔岩喷出来时，就会与水反应变成含水矿物（就是化学组成里有水或者说氢的岩石），例如角闪石和蛇纹石。从大陆上冲刷下来的沉积物（诚然这时候沉积物还没有成形）沉淀到海洋底部，同样也会得到水的成分（以及碳，我们稍后再来说它）。等到板块到达俯冲带，大量的薄地壳中都有含水矿物，其中很多都被俯冲带连同板块别的部分吞了下去（尽管也有许多沉积物被刮掉了，留在身后的地表上渐渐堆积）。一旦含水矿物在地幔中积累到一定的厚度（100千米左右），它的温度和压力就会变得太大，无法继续保持含水状态，而会将水释放出来——实际上就是里面的水被烧出来了。这些水接着渗漏到俯冲板块顶部，再渗入紧邻着的更热的地幔岩石，于是地幔岩石就也变成水合物了。水合地幔岩石比不含水的岩石更容易熔化（氢弱化了矿物内部的黏合力），所以就算它旁边冷而下沉的板块温度“有限”，对变湿了的地幔来说也足够热到熔化了。因此这虽然不是特别热的地幔熔化，但仍然会向地表上升。这样的熔融物本身跟稀软的玄武岩质岩浆很像，只是比夏威夷熔岩冷一些。这样当它撞到地表附近的地壳时，就会把地壳上最容易熔化的地方熔掉（也就是能被“又冷又湿”的熔融物熔化掉的地方）。这种易于熔化的岩石往往富含硅（硅—氧分子也就是硅酸盐），熔化后就与地壳的余下部分分离开来。硅含量最高的岩石是花岗岩，也是这种“冷”熔化的典型产物。
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发生在早期地球上最初的俯冲带熔化，可能从当时还很薄的大洋地壳中只造出了极少量的花岗岩。就算今天，大洋地壳中的这种熔化也造不出很多花岗岩（或是接近花岗岩的岩石），倒是在海沟附近形成的岛弧火山（像是在加勒比海群岛和阿留申群岛那样）会有大量原始的玄武岩质岩浆从地幔中泄漏。（用“弧”[arc]这个术语，是因为俯冲带的形状就像圆的一段。）但是，更多花岗岩在由地壳持续的熔化、再熔化源源不断地制造出来，同时由于花岗岩很轻，不会沉入地幔，所以会在俯冲带附近积累起来，就像浴缸排水口上的漂浮玩具一样。这样一来，花岗岩会在地壳上逐渐堆积得越来越厚，最后就变成了大陆地壳。此外，大陆下面的俯冲活动还在向大陆地壳输送含水的地幔熔融物，使更多富硅岩石熔化和分离，继续产生更多花岗岩。虽然这些富硅岩浆更容易熔化，但同时也非常厚，像块面糊（尽管没那么浓），所以很难移动。富硅岩浆也保留了自己的气泡（基本都由一开始导致地幔熔化的水形成），这些气泡是在岩浆上升、压力变小时从岩浆中析出的（就像你打开汽水瓶盖时会发生的情形一样）。因此，由这种岩浆形成的火山（典型的陆弧火山），通常都更高更陡峭（既然更厚、更像面糊的岩浆在铺开前可以堆积更多），同时在爆发前也积聚了更多气体压力，所以最后的火山爆发也就剧烈得多。但是，不论有没有火山爆发，地球上的陆地都是俯冲带的“湿熔”（wet-melting）过程造就的。
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经由地幔慢慢地、一再地熔化和分离出硅以及花岗岩矿物，地球上堆积出了陆地，这整个过程用了20亿年左右。但是，就算大陆有时已经积聚成了厚实的地壳巨轮（变成了超级大陆），也还是会被板块运动周期性地碎裂，拆成正常陆地规模的碎片，然后过好几亿年，又会慢慢回来再聚首。超级大陆的这个堆积—碎裂循环，叫作威尔逊旋回（以加拿大地质学家威尔逊［J. Tuzo Wilson］命名）。最近的超级大陆叫盘古大陆，大约在2亿年前开始碎裂，人们认为主要是由于这一碎裂，才沿着大西洋洋中脊（扩张中心之一）开启了大西洋，这也解释了为什么美洲东岸看上去跟欧洲及非洲的西岸互补。
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要造就我们的陆地得有两个条件：板块构造和液态水——要有大量的水来浸泡海底矿物并形成水合物。这两个特点都是地球独有的，而且很可能两个条件互相依赖。在接下来的两章中我们会看到，板块构造和液态水两者很可能是地球气候在长时间里（地质时间尺度上）保持稳定的必要条件，气候稳定又反过来保证了地球表面温度足够温和，能允许大量液态水存在。同样的，板块构造很可能需要有水或至少是较为凉爽的气候才能持续。因此，板块构造、液态水以及温度适中的气候三者很可能都彼此需要，相互依赖。
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板块构造为何需要有水或是凉爽气候，这仍然是富有争议的活跃话题。例如，滑溜溜的沉积物和水合物在俯冲带熔化，这可能润滑了俯冲过程并使之持续；而地球较凉爽的温度也可能有助于使地质板块边缘保持薄弱、受损、溜滑的状态。实际上，要靠水一路穿过厚实的板块来润滑全部板块边界恐怕极为困难，有的板块厚达100千米左右，要把水加压到能挤进这样的深度还挺难的。因此，超过这种深度就必得有别的什么来让板块边缘保持薄弱。在这种深度、靠近“快速”变形的板块边界上自然裸露出来的岩石，通常都有些不同寻常的特点，比如岩石会由尺寸极小的矿石或者说颗粒组成，这样的岩石就叫糜棱岩。这些极细小的颗粒可能有助于岩石变软、保持板块边界润滑；反过来，颗粒也因为滑动的板块边界上岩石的研磨和缓慢受损而变得更为细小。这些效应共同导致了自软化反馈进程（self-softening feedback），使板块边界得以生长和存续。然而，要是只考虑矿石颗粒本身，它也会缓慢增长（跟泡沫里气泡的增长有点像），于是岩石会趋向于弥合，变得坚固结实。这种弥合在高温下发生得更快。所以，地球表面的凉爽温度可能不只是足够保证液态海洋的存在，同时还得能阻止深处磨损的板块边界弥合。比如金星，它的表面温度比地球高得多，岩石的弥合可能更快，磨损更弱，因此板块边界难以存续，这可能解释了为什么我们的姊妹行星看上去没有板块结构。不过，以言无不尽的名义我得告诉大家，这个关于板块构造起源的“磨损—弥合”假说，是我自己在科研上的浅见。
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要是板块构造、液态海洋（以及温和气候）相互依赖，就会将我们引入恼火的“鸡生蛋蛋生鸡”问题：到底哪个先出现？在地球科学领域，这是一个价值数十亿美元的问题（这是个大问题，所以耗资甚巨，不过还没有大爆炸那么极尽奢华，那可花了几万亿美元）。要得出答案，我们恐怕得先知道板块构造和液态海洋都是何时（或如何）出现的。目前已有些眉目，但其实离确定性的线索都还差得远呢。