地球的全身扫描

关于地球的内部结构，最明确的线索来自地震学。地震通过星体发出地震冲击波。就像光线被透镜折射或被镜子反射那样，地震波穿行于地球，并在其不同的地层中反射。随着岩石的温度或软度不同，地震波的行进速度也有差异。岩石温度越高就越软，冲击波行进的速度也就越慢。地震波主要有两种，初至波（P波）速度更快，因而会率先抵达测震仪；另一种是续至波（S波）。P波是进行推拉运动的压力波；S波是剪切波，无法在液体中行进。正是通过对S波的研究，人类首次揭示了地球的熔融外核。在单一的仪器上探测这些地震波并不会显示多少信息，但如今全球各地散布着由数以千计灵敏的测震仪组成的网络。每天都有很多小型地震发出信号。结果有点像医院里的全身扫描仪，患者被X射线源和传感器环绕，计算机利用结果来构建患者内部器官的三维影像。医院的探测装置被称作计算机辅助断层扫描，而地球的相应版本则被称作地震层析成像。

测震仪的全球网络最适于在全球范围内观测事物。它会揭示地幔的整体分层，以及每隔数百公里，地震波速因温度高低而发生的变化。世界上还部署着间隔更小的矩阵，起初设置它们的目的是探测地下核子试爆，它们连同地球物理学家部署在感兴趣的地质区域的新型矩阵一起，有望观测到数公里之深的地幔结构。并且，似乎每一个尺度上都有自己的构造。在这些地球全身扫描中，最清楚的莫过于地层了。在2890公里——我们这个星球液态外核的厚度——之下S波无法通过。但是地幔有几个显著的特征。比如前文中提到的，地壳基部有莫氏不连续面，另一个则位于坚硬的岩石层的基部。岩石层下的软流层比较软，因而地震波速较慢。410公里以下和660公里以下分别是界限清晰的地层，而520公里深处左右则是一个不甚清晰的地层。在地幔基部还有另一个被称作核幔边界（D″分界层）的地层，它很可能是不连续的，厚度范围从0公里到大约250公里不等。

地震层析成像同样揭示了一些更加微妙的特征。本质上，较为冰冷的岩石也会更硬，因而相对于较热较软的岩石，地震波在其间行进的速度也更快。在古老而冰冷的洋壳插到大陆之下或者插进海沟的位置，下沉板块的反射显示出其通向下方地幔的通道。在那里，地球炙热的核心烘烤着地幔的底面，将其软化并抬升成一个巨大的地柱。

地幔充满了未解之谜，它们乍看上去像是彼此矛盾的。它是固态的，却可以流动。它由硅酸盐岩石组成，硅酸盐岩石本是一种优良的隔热体，但不知为何，却有大约44太瓦特26的热量穿过地幔涌向地表。很难弄清热流是如何仅靠传导完成的，然而如果确实存在对流，地幔就应该是混合物，那么它又如何能显示出分层构造？此外，除非地幔中存在未混合的区域或地层，海洋火山喷发出的岩浆中所含的示踪同位素混合物，为何全然不同于据信存在于地幔主体内的混合物？这些谜题是近年来地球物理学的主要研究领域之一。