美國伊利諾伊大學(xué)和中國南京大學(xué)的一個聯(lián)合科研組近日發(fā)現(xiàn)，我們的地核并非僅僅由外核-內(nèi)核這樣一個雙層結(jié)構(gòu)組成。在內(nèi)核的盡里頭，其實(shí)還埋著一個更小的核心--這個最新成果發(fā)布在《自然》子刊《自然－地球科學(xué)》（Nature Geoscience）今年2月的新一期上。從此刻開始，你就可以大膽地說"最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，我們的地核其實(shí)是由三層構(gòu)成的，分別是外核，內(nèi)核和內(nèi)內(nèi)核"了。

地震波--射向地球深部的"目光"

可是，科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)地球最深處還有一個更小的"內(nèi)內(nèi)核"呢？人類顯然無法直接進(jìn)入地球深處去看個究竟，甚至，不光人類沒法進(jìn)去，在現(xiàn)有技術(shù)手段下想把儀器扔下去也是天方夜譚。人類至今為止打得最深的科學(xué)鉆探--科拉超深鉆（Kola Superdeep Borehole），也只能吸收12千米以下的鈣鎂鐵（取回了玄武質(zhì)的巖心--也就是說越過硅鋁質(zhì)上地殼，成功進(jìn)入硅鎂質(zhì)下地殼了），但這個深度吧，其實(shí)，連大陸殼的一半還沒穿過。至于進(jìn)入地幔、地核？更是想都別想了！地幔的厚度差不多是地殼的90倍！

雖然直接觀察是沒門兒了，但有一種東西卻可以輕易遁入地球最深處取回大量信息，然后再返回地表的觀測者。這種東西就是機(jī)械波。由于它傳遞的不是物質(zhì)本身，而是物質(zhì)振動的狀態(tài)，因此可以很隨意地在各種物質(zhì)中穿梭來回。大地的振動自然便是地震波（seismic wave）。鑒于自然地震具有不可預(yù)知性，人們只能通過在地表人工觸發(fā)地震的方式來主動制造"信使"。之后呢，之后在地表布設(shè)下地震波接收裝置，坐等它們從地下反射上來就行了。

地震波為什么能反映地下的結(jié)構(gòu)呢？道理很簡單，這就跟聲音在固體中傳播要比在空氣中傳播得更快是一個道理--物質(zhì)的密度不同，機(jī)械波在其中傳播的速度也不同。從最簡單的地殼、地幔和地核三層劃分，到稍微復(fù)雜一點(diǎn)的六層劃分，運(yùn)用的都是這么一個簡單的原理。人們從返回的地震波里發(fā)現(xiàn)，在某幾個特定深度處，波速發(fā)生了明顯的不連續(xù)驟變。從淺到深，第一個明顯的不連續(xù)面叫做莫霍洛維奇不連續(xù)面（莫霍面），在大陸下面平均深達(dá)35千米，而在大洋下面處則僅有5-10千米，此面代表地殼與地幔的分野；再向下，到670千米深度，又一個不連續(xù)面，這個面一般直接稱呼為670千米不連續(xù)面（670 km discontinuity），是上地幔與下地幔的邊界。再向下到約2880千米深處，地震波了發(fā)生一次最大的不連續(xù)--橫波在此徹底消失。由于橫波無法在液體里傳播，橫波的消失便意味著此處界面下部是一個液態(tài)圈層--根據(jù)這個被稱為"古登堡面"的界面，人們劃分出了地幔與地核的分野。向著地核更深處前進(jìn)，到約5000千米的地方，橫波又再次出現(xiàn)，表明物相又重新回到了固態(tài)，于是，該界面所反映的，自然也就是液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核的雙層劃分了。

新發(fā)現(xiàn)的圈層--地震波的新解釋

但是吧，上面這些，都是構(gòu)成你常識的陳年舊話了。在1992年到2012年這最近的二十年間，全球?qū)掝l地震臺陣（Global Broadband Seismic Arrays）積累起了最新一批的豐富數(shù)據(jù)。伊利諾伊-南京大學(xué)聯(lián)合科研組正是通過精細(xì)地解釋這浩繁的數(shù)據(jù)體，從而發(fā)現(xiàn)了深埋在地球最深處的新端倪。

我們自然無法想科學(xué)家那樣窺探深埋在數(shù)據(jù)之海中的每一個細(xì)節(jié)，但其中最本質(zhì)的邏輯卻是很直觀的：波速突變，代表介質(zhì)密度的突變，而密度的突變，則代表著物相的突變--是的，地球之所以具有不同圈層結(jié)構(gòu)的最終原因，其實(shí)便是不同密度的物質(zhì)在重力勢的主導(dǎo)下發(fā)生行星分異，從而沿重力勢排列成球狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

物相（Phase）是對"物理狀態(tài)均一性"的一種表述，它并不管到底你是不是同一種化學(xué)成分。舉個例子：水、冰和水蒸氣，雖然成分都是H2O，但顯然這三者屬于不同的相態(tài)--液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)。其實(shí)甚至這樣說都有點(diǎn)籠統(tǒng)了--再舉個例子，石墨和金剛石，兩者都是碳單質(zhì)，甚至都是固態(tài)，但顯然也屬于不同的物相--為什么兩種相同化學(xué)成分的固相反而不屬于同一物相呢？原因很簡單：它們的物理性質(zhì)之間有著截然不同的差異罷了。要說這種差異的本質(zhì)，其實(shí)歸根結(jié)底落到了晶體結(jié)構(gòu)上：狹義的固態(tài)便是晶體，而相同成分的固體相態(tài)區(qū)別，歸根結(jié)底，便是所謂的同質(zhì)多相--也就是不同晶體結(jié)構(gòu)之間的區(qū)別了。

讓我們再回到地核中。我們知道，整個地核都是由鐵這種均一的成分所組成的（好吧其實(shí)混有部分鎳和其他雜質(zhì)啦）。傳統(tǒng)內(nèi)-外核的劃分，反映的是液相和固相的分野。而科學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)內(nèi)核更內(nèi)部的不連續(xù)反應(yīng)--則是固態(tài)大前提之下的物性不連續(xù)。換句話說，和上面石墨金剛石的情況其實(shí)一樣，表明在固態(tài)鐵核的最深處，晶體結(jié)構(gòu)看樣子并非是均一不變的，在固態(tài)內(nèi)核之中，還坐落著一個在晶體結(jié)構(gòu)上與平常的鐵截然不同的內(nèi)內(nèi)核。

大地之核的極簡史

說了半天，地核究竟為什么會出現(xiàn)這種物態(tài)分層呢？這要從地球的誕生講起。科學(xué)家們普遍相信，地球，以及其他的行星、小行星，都大致形成于同一個時期--即46億年前太陽系剛剛從星云中誕生的太初之刻--冥古宙（Hadean Eon）。彼時，還沒有圍繞著太陽精密而規(guī)則地旋動著的行星，而是一圈由塵埃、碎屑、塊體組成的，充滿著瘋狂撞擊的原行星盤（protoplanetary disc）。行星的誕生，便是這些碎屑物質(zhì)--星子（planetestimal）之間劇烈碰撞，不斷吸積、增生的過程。每一次星子的碰撞，都是動能向內(nèi)能的巨大轉(zhuǎn)換。星子之間大量偶然的撞擊和融合，最終形成質(zhì)量大到足以自動吸引臨近物質(zhì)的聚集體，這邊是今日行星的最早期雛形--原行星（protoplanet）了。可想而知，原行星匯聚了無數(shù)"加盟天體"所帶來的可觀能量，導(dǎo)致其內(nèi)部的溫度高到完全可以維持一個全球熔融的巖漿之海。巖漿主要由六大元素--氧、硅、鋁、鐵、鈣、鎂所組成。正如一杯水靜置時比重大的物質(zhì)會率先沉入杯底似的，在宇宙中漂浮的這么一大團(tuán)液態(tài)巖漿里，重的物質(zhì)自然也會聚集到"杯底"。對于太空中的球體來說，"杯底"自然便是重力勢最低的部位--球心了。六種主量元素里，鐵的比重最大，于是，這團(tuán)巖漿球中的鐵便率先沉入巖漿最深處，沿著平行于球面的重力勢，形成了地球最早的結(jié)構(gòu)--地核。

地核倒是形成了，可它液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核的分層又是怎么來的呢？這與溫度-壓力的綜合作用有關(guān)。在五六千多米深的地方，溫度高到能夠輕易達(dá)到鐵的融點(diǎn)，在這種溫度條件下，足以使鐵維持長期的熔融狀態(tài)，可物質(zhì)的熔點(diǎn)并不是一個常數(shù)，在不同的壓力之下，熔點(diǎn)也有所不同。我們知道，壓力越高，物質(zhì)的熔沸點(diǎn)就越高（高壓鍋便是根據(jù)這原理為你煮飯的）。現(xiàn)在倒好，我們的那坨鐵被扔進(jìn)了全地球壓力最大的地方--它的"肩上"承受著的是整個地球的重量！在這種壓力下，鐵的熔點(diǎn)已經(jīng)高到連地球最深處的溫度都不足以融化它的地步了。自然，這個壓力所對應(yīng)的深度，便是固態(tài)內(nèi)核所位于的深度了。

而這兒科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)的"內(nèi)內(nèi)核"呢，同樣可能是壓力的杰作。在固態(tài)之間，物相的轉(zhuǎn)變同樣與壓力有著密切的關(guān)系。我們熟知，一文不值的碳只要使勁加壓便能夠變成十分土豪的碳。我們也知道，紅柱石加點(diǎn)兒壓力可以變成藍(lán)晶石甚至矽線石。鐵呢，不好意思，poorly understood（"了解尚不充分"，跟文獻(xiàn)打交道的同學(xué)一定不陌生這個詞組吧）--很明顯的，我們現(xiàn)在還沒有辦法在地球表面的實(shí)驗(yàn)室里維持一個跟整個地球重力相當(dāng)?shù)闹貕骸＿€好，地震波告訴了我們這一切，告訴了我們在地球的最深部有著新的未知結(jié)構(gòu)的可能性。"內(nèi)內(nèi)核"究竟是什么？說實(shí)話人們暫時還不知道。現(xiàn)階段人類對地球深部物質(zhì)－結(jié)構(gòu)的了解依然非常有限。

雖然人們至今依然尚不了解深埋在地球中心的鐵之結(jié)晶到底是怎樣一種我們前所未見的新物質(zhì)，雖然人們至今尚不了解這樣的鐵核分異到底在地球46億年演化史中扮演著怎樣的角色，但只要我們依然在關(guān)注，依然在不斷探索，我們與真相之間，便總會有一條不斷匯聚的漸近線。