地球的内部

一颗烫心的石头

我们脚下踩着的这颗星球，从外面看是凉的。山顶有积雪，海里有冰，冬天会下雪，你穿衣服不是因为地球太热，而是因为太冷。但这份凉，只是表面薄薄一层。往下走，温度会越来越高——而且是越来越高得离谱。

先给一组数字。地球的半径大约是6371公里。最外层是地壳，大陆地壳平均厚35公里，海洋地壳薄一些，平均只有7公里。地壳下面是地幔，厚约2865公里，占地球总体积的84%。地幔再往下，是地核，分两层：外核厚约2260公里，内核半径约1220公里。温度怎么分布呢？地壳底部，大约500到1000度；地幔底部，约3500到4300度；外核大致是4000到5000度；而正中心的内核，温度估计在5400到6000度之间——跟太阳表面的5500度差不多。

是的，你没看错。你脚下大约六千公里的深处，有一团跟太阳表面一样烫的东西。它是一个固态的铁镍球，直径差不多2450公里，比月球还小一些。我们叫它'内核'。它外面那圈液态铁镍，叫'外核'。再往上那层半熔融、像烧软的玻璃一样能缓慢流动的，是地幔。地壳——我们住的地方——只不过是这团滚烫球体表面结的一层薄薄的硬皮。

这就有了一个绕不开的问题：这股热，从哪儿来？地球已经存在46亿年了，按理说该凉透了，为什么中心还这么烫？这个问题，困扰了地球物理学整整一个多世纪，答案到今天才算基本摸清楚。

两份热，一份老一份新

关于地核的热量来源，今天主流的认识是：它有两部分。

第一部分叫'原始热'（primordial heat）。这要追溯到地球诞生的时候。大约46亿年前，太阳系还是一团旋转的气体和尘埃云，叫太阳星云。这些物质在引力作用下慢慢聚拢、碰撞、坍缩，形成了地球。每一次碰撞都把动能转化成热能——就像你用锤子猛敲一块铁，铁会发烫一样，只不过规模是行星级的。这些热量在地球形成的头一亿年里特别剧烈，那时的地球表面可能是岩浆海，整个就是一锅滚烫的粥。后来重的元素（铁、镍）往中心沉，轻的元素（硅、氧、铝）往上浮，这个过程叫'分异'（differentiation），又释放出巨量的重力势能。这些原始热，至今还憋在地球深处没散完——因为岩石是很好的隔热材料，散热需要几十亿年。

第二部分叫'放射性热'（radiogenic heat）。地幔和地壳里含有微量的放射性同位素，主要是铀-238、铀-235、钍-232、钾-40。这些元素的原子核不稳定，会自发衰变，衰变时放出粒子和高能射线，这些辐射在周围岩石里被吸收，就转化成了热。这部分热不是一次性的，而是持续不断地在产生——只要放射性元素没衰变完，它就一直烧着。

那么这两部分各占多少？这正是过去几十年地球物理学最热闹的争论之一。粗略地说，地幔里的热量，大约有一半来自放射性衰变，另一半来自地球深部的冷却（原始热的散失）。地核的热则主要是原始热，因为地核里放射性元素含量极低。2011年，日本东北大学主导、利用神冈矿地下千米深处的中微子探测器KamLAND，做了一个堪称天才的实验：直接测量来自地下的'地中微子'（geo-neutrinos）——也就是地幔里放射性衰变时释放出的中微子。中微子几乎不跟任何东西反应，所以它能直接穿透整个地球跑出来。KamLAND团队据此估算，地球内部放射性衰变产生的热量大约是20太瓦（1太瓦等于1万亿瓦）。这个数字跟当时理论预测吻合，是人类第一次'直接称'出了地球内部放射性热的份量。

测量地球内部的麻烦

你可能会问：我们怎么知道地核是6000度？又没人去过。

没错。人类挖过最深的洞，是前苏联的科拉超深钻孔（Kola Superdeep Borehole）。这个项目1970年5月24日在苏联西北部的科拉半岛开工，目标是钻穿地壳、直接进入莫霍洛维奇不连续面（地壳和地幔的边界，简称'莫霍面'）。结果一钻就是二十多年，到1989年，深度达到12262米——这是人类在固体地球上挖出的最深的一个洞，纪录至今没被打破。但他们离莫霍面还差得远，而且遇到了大麻烦：在那个深度，温度已经不是原先预测的100度左右，而是高达180度，钻头被烤得变形，钻井液也失效了。1992年项目被迫停止，2008年正式关闭。科拉钻孔告诉我们一个残酷的事实：地壳的温度梯度比想象中陡得多，每往下100米大约升高2到3度——按这个梯度，再往下十几公里就够把任何钻头融化。

所以测量地球内部温度，靠的不是挖，而是'听'。地球每时每刻都在发生地震，大地震会向整个地球发出地震波。地震波分两种：纵波（P波）和横波（S波）。P波能在固体和液体里传播，S波只能在固体里传播，而且S波遇到液体会被挡住。1936年，丹麦女地震学家英厄·莱曼（Inge Lehmann）在研究地震波数据时，发现有些P波出现在本该是'阴影区'的地方——她据此推断，地核不是一整团液体，而是一个液态外核包着一个固态内核。这是20世纪地球物理学最伟大的发现之一，莱曼当时已经48岁，是个名不见经传的助理，发表那篇论文时甚至没几个同行认真听。直到几十年后，她的贡献才被普遍承认。

地震波的速度跟它穿过的岩石密度、温度、成分有关。科学家用全球几千个地震台站记录的地震波数据，反演出地球内部的分层结构和温度分布——这叫'地震层析成像'（seismic tomography），原理跟医院里的CT扫描差不多，只不过给地球做CT用的不是X射线，而是地震波。今天我们对地核、地幔温度的估计，绝大部分都来自这套方法。

地幔对流：地球的传送带

知道了地核很烫，下一个问题就来了：这股热是怎么传到地表的？

答案是一个词——对流。你烧一锅水，锅底的水被加热变轻，往上浮，到了表面变凉变重，又往下沉，形成一个循环。地幔做的事情跟这一模一样，只不过地幔是固态的岩石，不是液态的水。它流得极慢，速度大概每年几厘米——跟指甲生长的速度差不多。但把时间拉到几千万、几亿年的尺度上，这种缓慢的流动塑造了整个地球的面貌。

地幔对流是板块构造的根本动力。地核的热量加热地幔底部，热的地幔物质上升，到地表附近水平流动，带动上面的地壳板块一起移动，到某个地方冷却下沉，回到地幔深处——这就是一个完整的对流环。地球上的大陆漂移、海底扩张、山脉隆起、火山喷发、地震，追根溯源，能量全都来自这套地幔对流，而地幔对流的能量又来自地核那6000度的热。

这就是为什么火山这本书，必须从地核的温度讲起。火山不是地表的事情，它是一根从地核一直接到地表的传热链条的末端。地核的热让地幔流动，地幔的流动让板块移动，板块的移动和地幔的上升让岩浆形成，岩浆冲破地壳就是火山。整条链条，一头连着6000度的铁镍核心，一头连着山顶上冒烟的火山口。

案例：冰岛人拿地核的热洗澡

理论听起来抽象，但有一个地方，把'地核的热'用到了极致——冰岛。

冰岛人口只有大约39万，却拥有世界上最高的人均地热能源使用量。冰岛全国99.98%的供暖来自地热，首都雷克雅未克家家户户的暖气、热水，都是从地下抽上来的地热水。一拧开水龙头，流出来的是冒着蒸汽、带点硫磺味的天然热水，温度大概80度。这份热量的源头，正是地幔——冰岛骑在大西洋中脊上，下面有一个异常热的地幔柱，岩浆距离地表特别近，地温梯度极陡，往下打一两千米就能抽到上百度的热水。

冰岛人甚至用这股热来发电、种香蕉（在北极圈附近的大棚里种热带水果）、烤面包（把面团埋在滚烫的地热泉边）。一个国家，靠着'蹭地核的热'，过上了几乎没有化石燃料供暖的日子。这是地核温度最贴近生活的一个出口。而冰岛首都雷克雅未克的名字本身，意思就是'冒烟的湾'——据说当年第一批北欧移民远远看到岸上温泉冒出的水汽，以为是炊烟，起了这个名字。地热，是这个国家从立国第一天起就在用的资源。

除了冰岛，世界上还有几个国家把地热用得炉火纯青。新西兰的怀拉基地热电站1958年建成，是世界上最早的大型地热电站之一。美国加州的'间歇泉'（The Geysers）地热田，装机容量约1500兆瓦，是世界上最大的地热发电集群。肯尼亚的东非大裂谷沿线，地热发电已经占到全国电力的近一半。这些地方的共同点，都是板块边界或地幔热点——也就是地核的热量离地表最近的地方。

但冰岛的地热不是白蹭的——它的代价是火山。同样是那股靠近地表的热，让冰岛拥有30多座活火山。2010年4月，冰岛的埃亚菲亚德拉冰盖火山一次不算大的喷发，喷出的火山灰飘到欧洲上空，让半个欧洲的机场关了将近一周，10万多趟航班取消——那是后话了，本书第8章会专门讲。地核的热，能让你洗澡，也能让飞机停飞。同一条因果链的两端而已。

地核还在慢慢凉

最后说一个有点冷、但其实很重要的事实：地球的热量，是在一点点流失的。

地球每秒钟大约向太空散失大约47太瓦的热量，而内部放射性衰变补充大约20太瓦——入不敷出。也就是说，地球整体上在缓慢冷却。内核每年以大约1毫米的速度在生长，液态外核的铁一点点在内核表面凝固，放出潜热。这意味着什么？意味着大约20到30亿年后（具体数字争议很大），地核会冷到不足以驱动现在的地幔对流，板块构造会停止，火山会熄灭，地球会变成像火星那样一块冷透的、内部死寂的石头。

不过，这个时间尺度对人类来说近乎永恒——人类整个文明史才几千年。在你我有生之年，地核的热量供应稳如泰山，地幔的对流一刻不停，火山该喷还会喷。我们要做的，不是担心地球冷却，而是搞清楚这股热现在是怎么工作的、在哪些地方会以火山的形式爆发出来。这正是接下来几章要讲的事。

本章小结

地球内部是一颗烫心的石头：地核温度约6000度，与太阳表面相当。这股热的来源是两部分——地球诞生时攒下的原始热，和地幔里放射性元素持续衰变放出的热，2011年日本的KamLAND实验第一次直接测量了后者。前苏联的科拉超深钻孔挖到12262米就被180度的高温逼停，说明我们靠挖掘根本够不到地核。地核的热通过地幔对流传到地表，这是火山、地震、板块运动的根本动力。冰岛人用这股热洗澡发电，也正因为这股热而活在火山脚下。地球正在缓慢冷却，但这个时间尺度对人类而言近乎无限。理解地核的温度，是理解一切火山的起点。