地心歷險記有可能實現嗎

孫維維 魏勇 王譽棋

(1.中國科學院大學 101408；2.中國科學院南京土壤研究所 210018；3.中國科學院地質與地球物理研究所 100029)

《地心歷險記》是一部科幻電影，根據凡爾納的小說《地心游記》改編，顧名思義，其講述的是人類探索地心世界的故事。在影片中，主角特雷弗是一名地質學家，他與侄子肖恩、向導漢娜在探險的過程中意外掉入了神秘的地心世界。在地心世界中，不僅隨處可見鮮艷的紅寶石、翡翠以及鉆石，而且還生活著各種各樣的地心生物。由于地心的特殊環境，他們得以見到許多地面上沒有的奇幻景象。他們在漂浮的磁石上行走、與大型食肉植物搏斗，甚至乘坐恐龍頭骨在地心河流中漂流。后來這只頭骨“船”卡在火山噴發的通道中，為了逃出生天，他們點燃了巖壁上的鎂粉引發爆炸，大量的水從破碎的巖壁中涌入高溫的火山熔巖，最終，爆發的高壓水蒸氣將他們帶回了地面。

圖1 《地心歷險記》電影海報

人類的天性就是探索未知的世界，我們對于地心的興趣遠不止于科幻作家的想象，科學家也在計劃前往地心的旅程。然而，地心歷險記有可能實現嗎？答案就位于我們腳下繽紛多彩的多圈層世界。

1.世界第一超深井

為了探索太陽系，人類發射航天器飛向太空，而為了探索地下世界的奧秘，人類向地下進行鉆探。在鉆井人的不懈努力下，世界最深的鉆井——科拉超深井誕生了，深達12262米，位于俄羅斯最靠近北極的摩爾曼斯克市的扎波利亞爾內礦區?？评@井從1965 年開始設計，1970 年開始鉆井，于1998年達到12262米深。正是由于這次鉆探，人們對地球這顆行星有了更深的了解?？评@井的主要目的是研究地殼構造、地層參數和礦藏資料。此次發現地層7公里以下全是花崗巖；首次在1000米以下深度發現了金礦；在10千米以下巖層發現含有金、鎳等金屬，向地殼深部，磁黃鐵礦和鎳黃鐵礦中鎳的含量增加，而黃銅礦中的鐵、鎳、銅的變化增大；發現地下12 千米處溫度高達230 ℃，當井深小于3000 m時，地溫梯度ΔT=1 ℃/100 m，當井深大于3000 m 時，ΔT=1.8～2 ℃/100 m；在地下6 千米左右處發現了36 億年前的植物化石，因此推斷36 億年前有生命存在。

科拉鉆井的底部是目前人類能達到的與地心最近的距離，這個深度對于地殼來說只是一顆不起眼的小孔，相當于雞蛋殼上的一個小凹槽，連蛋殼都沒有打穿。即使這樣，超深井的鉆探對人類來說依然是一項重大的挑戰，鉆探得越深，難度越大，需要克服高溫高壓的條件，這對于一個國家的鉆井技術乃至工業實力都是一項巨大的考驗。

2.從地表到地心

根據行星撞擊學說，在太陽系形成過程中，發生了劇烈的碰撞而產生大量熱量，巖石和鐵組成的固體混合物被加熱到很高的溫度時，鐵會分離出來，由于鐵比較重，會因重力沉到地心，形成了地核，這種融化巖石和金屬的分離導致了內核與外層的不同。

在《地心歷險記》中，主角一行三人通過隧道掉入地心深處，在現實中，情況會有什么不同呢？

圖2 地球隧道示意圖

實際上，由于地球的自轉，當物體在地球隧道內運動時，會受到科里奧利力(又稱地轉偏向力)的作用，速度方向不再指向圓心，從而物體會撞上隧道的內壁，產生動能損耗而停下來。假如通過技術手段克服地轉偏向力的作用，從地表到地心還要面對溫度的升高和壓力的增大。在高壓下，堅硬的巖石都會變得有彈性，科學家推測地心的壓力為地表壓力的300 萬倍，溫度會超過4000 ℃，和太陽表面一樣熱。因此，在目前看來，到達地心難以實現。

地心活動引發的地震等現象會帶來巨大的經濟損失與人員傷亡。中國有23個強震活動帶，研究地心活動對研究地震成因乃至減輕其危害具有重大意義。如果通過高分辨率探測地球深部結構，獲取地殼上地幔三維精細結構及物性成像，可為地震預測和大陸動力學研究提供支持。

科學家希望通過分析地震波的傳播速度，獲得地球內心的圖像。地震波在地下傳播的速度取決于它們所經過的物質，地震波在穿過非固體的巖漿時，速度會變得很慢。1910 年，前南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇發現地震波在傳到地下50 千米處有折射現象。這個發生折射的地帶，就是地殼和地殼下面不同物質的分界面。1914年，德國地震學家古登堡發現地下2900 千米深處存在著另一個不同物質的分界面。后來，人們將兩個面分別命名為“莫霍面”和“古登堡面”并根據這兩個面把地球分為地殼、地幔和地核三個圈層。

圖3 地震波速度與地球內部圈層

地球外核的直徑相當于火星。當地震波穿過地幔到達外地核時，速度變慢了許多，那里如一片巨大而炙熱的熔融態金屬海洋。一般認為鐵鎳合金是內核的成分，內核的直徑相當于月球。為了研究內核的物理性質，日本科學家廣瀨慧將鐵鎳合金樣本置于兩顆鉆石的尖端，通過實驗儀器模擬地心的極高溫度和壓力條件，觀察此條件下鐵鎳合金的結構變化。結果發現，鐵鎳晶體的大小在10分鐘內膨脹了上千倍，這表明地球的固體內核表面也許就存在巨大的晶體結構。

圖4 地球內核表面晶體想象圖

3.地心與生命

有人將地心與地獄聯系在一起，認為那里是一番惡劣的景象。但在影片《地心歷險記》中，地心世界生活著各式各樣的神奇生物，引起人們對于地心的美好想象。在現實世界中，以我們目前對地心的了解，可能無法想象生命能在地心世界高溫高壓的條件下存活，但我們確定的是在地下一定深度處存在微生物。這些微生物新陳代謝緩慢，主要從地下水中吸收氧氣或者進行無氧呼吸，并且能夠適應地下獨特的溫度、壓力、酸堿度等環境參數。1989年，在南卡羅萊納州的一項調查在地下550米處發現了一個全新的生態系統，其中包括3000多種微生物組織。

地球之所以能孕育生命，很大程度上得益于地球磁場，地磁場使地球免受來自太陽風的高能粒子的轟擊，為地球上的生命提供了天然的保護屏障。地磁學將地球磁場分為內源場和外源場，內源場占地球磁場的百分之九十多，是由地球內部的某種電流產生的，另外的百分之幾，是由大氣電離層、磁層電流產生的外源場。因此對內源磁場的研究是揭示地磁成因乃至生命起源的關鍵。

圖5 地球磁場抵御太陽風高能粒子

當地核的熔融態金屬熱量流入較冷的地幔時，會產生對流現象。這種運動通過電磁感應產生內源磁場。由于這種流動非常復雜，磁場也會不斷變化，而且不是簡單的南北極分布。因此，我們可以通過記錄和分析磁場的變化來研究地心活動?？茖W家通過實驗模擬地核的熔融態金屬運動，以研究地球磁場的特性。研究結果表明，模擬的地核與地球大氣層非常相似，其中存在巨大的湍流，到處是復雜的旋渦和洋流，它們相互作用，并驅動電流產生地球的主要磁場。大量的渦流還導致磁場不斷變化。值得一提的是，地球深部的運動速率比淺部的板塊運動和地幔對流速率高得多。

運動的液態金屬能牽引、拉伸、并扭曲磁場，如果地球外核熔融態金屬中的風暴形成足夠大的合力，地球磁場將到達臨界點，然后反轉，此時的南北極方向將改變，有證據表明地球的磁場在地球歷史中改變過數百次。

地心活動產生的地球磁場與來自太陽的高能帶電粒子流的作用使高層大氣分子或原子激發(或電離)產生極光，極光現象常常出現于緯度靠近地磁極地區上空，形狀有時穩定有時作連續性變化。極光不只在地球上出現，太陽系內的其他一些具有磁場和大氣的行星上也有極光現象?？梢酝ㄟ^太陽風暴與極光現象來研究行星磁場乃至行星內部的物質活動。

圖6 地球極光現象

圖7 木星的極光現象

圖8 土星的極光現象

4.從地球到行星

在漫漫的現代社會進程中，人類從未停止對太空的遐想，我們渴望沖出大氣層，甚至沖出太陽系，去探索宇宙的奧秘，去找尋地外生命的蹤跡。我們去過很遠的太空，然而對于我們生活的地球，這個目前已知的太陽系內唯一存在生命的天體的核心，我們卻還沒能完全了解。

人類文明誕生于這顆星球表面。我們將地球表面可生長植物的疏松表層稱為土壤，所有我們所熟知的植物、動物以及我們自身都依賴于這個薄層生活，我們所有的食物與住所都以它為基礎。在這顆星球上，我們觀測記錄星體的運動，荷蘭人于1608 年發明了望遠鏡，伽利略于1609 年改進望遠鏡并對準了星空，人類開始了新的觀星時代。1947年人類利用火箭升空，從距離地球100 多千米的高度拍攝了地球的照片，我們開始對地球是行星有了最初的認識。那么我們對行星的認識有多少呢？

自蘇聯于1957 年成功發射人類的第一顆人造地球衛星以來，人類已經發射了上百顆行星探測器，建立了許許多多的天文觀測站，我們對太陽系、銀河系、乃至宇宙都有了新的認識。

如今我們熟知，我們生活的地球是位于太陽系內的一顆行星。太陽系內共有八大行星，其中距離太陽較近的水星、金星、地球、火星都有固體表面，是類地行星。研究類地行星的內部結構需要通過各種物理、化學、地質學等手段建立模型，對其內部構造進行估算，這得益于我們研究地球構造的經驗。研究地球的內部結構不僅有助于我們了解類地行星乃至太陽系的形成與演化，而且會大大推動構造地質學、遙感地質學和地球物理學等基礎學科的發展。

5.總結

科幻小說集文學性和科學性于一體，如地心這種科幻空間的建構對現實生活和科技發展有著極大的啟發和促進作用，具有獨特的社會功能?？茖W家通過實驗描繪出地球深處的真實畫面，將進一步激發科幻作品的想象空間。

科學發展與創新是一個國家強盛的核心。作為當時的社會主義強國，前蘇聯創造了上天(加加林遨游太空)入地(科拉超深井)的人類紀錄，蘇聯的繁榮以及后來的解體都給我們帶來許多探索自然的經驗與思考。繼我國“蛟龍”號潛水艇創造了同類作業型潛水器的最大下潛深度記錄、建成世界最大的射電望遠鏡(FAST)、發射中國空間站天和核心艙之后，相信在我國向第二個百年奮斗目標奮進的歷史新征程中，將創造更多偉大的科學成果。

隨著人類深空探測技術的發展，我們將迎來更多針對行星的研究需求。對于地心的研究不僅會增進我們對地球的了解，使我們能更好地生活在地球上，也有助于我們對其他行星的研究，探尋行星、太陽系、宇宙、乃至生命起源的奧秘。