我们怎么知道地球内部有什么 | 地球和空间科学第一课- 大数跨境

科学出版社

2025-12-05

地球和空间科学是自然科学重要的分支领域。人们对于自然现象的观察构成了自然科学发展的关键基础，地球和空间中产生的丰富的自然现象为自然科学提供了无尽的题材与灵感，现代自然科学即肇始于哥白尼、伽利略、牛顿等科学大师对于地球与行星运行的研究。地球和空间科学研究46 亿年前至今乃至未来的太阳系这个广阔时空中的自然现象，在资源开发、环境保护、灾害防控等方面保障人类社会可持续发展，同时也在不断探索开辟人类活动的新疆域。在教育部、中国科学院、国家自然科学基金委员会等国家部委的学科布局中，地球和空间科学都占据十分重要的地位。

中国科学技术大学在1958 年成立时就十分重视地球和空间科学，组建了应用地球物理系、地球化学和稀有元素系。应用地球物理系首任系主任赵九章是东方红一号卫星的总设计师，被追认为“两弹一星”元勋。1978 年成立了地球和空间科学系，并于2001 年升格为地球和空间科学学院。六十多年来，中国科大地球和空间科学学科培养了包括13 名两院院士在内的大批高层次人才，在地球物理学和空间物理学、地球化学、大气科学等方面取得了多项高水平研究成果，在国内外享有盛誉。

习近平总书记指出，“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼”。党的二十大对于教育、科技、人才一体化发展作出了战略部署。为了推进科学普及，帮助本科生和中学生了解地球和空间科学的概貌，也为了促进地球和空间科学后备人才的培养，我们积极响应学校号召，约请了中国科学技术大学地球和空间科学学院十余名优秀的中青年专家学者，共同编写了《地球和空间科学第一课》。本书共分十一章，第一章为概论，其余十章分别聚焦地球和空间科学领域的一个重要问题展开论述，在介绍科学前沿的同时力求可读易懂。

地球是人类赖以生存的家园，空间是人类深情向往的远方。在这一广阔天地，有志于科学技术研究的年轻学子在新时代可以大有作为。希望本书能给予他们一些收获和启迪，助力他们在探索地球和空间奥秘的征程上扬帆起航，乘风破浪。

倪怀玮陈伊翔

于中国科大地球和空间科学前沿研究中心

地球和空间科学第一课

倪怀玮, 陈伊翔主编

北京 : 科学出版社, 2025. 11

（中国科学技术大学本科“十四五”规划教材）

（科学第一课丛书 / 包信和, 常进主编）

ISBN 978-7-03-083013-5

本书作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院的10 余位知名专家学者，他们都活跃在地球和空间科学学科的教学和科研一线。本书以通俗易懂的语言和丰富多彩的实例介绍了地球和空间科学重要领域的基础知识、前沿进展和发展态势，内容覆盖了地质学、地球化学、行星科学、地球物理学、空间物理学、大气科学、环境科学等多个分支领域，也包含了大数据与人工智能等新兴方向。

本书适合各类在校大学生和高年级中学生阅读，可帮助其初步了解地球和空间科学的主要内容，培养其探究地球乃至太阳系形成演化奥秘的兴趣。本书也可作为大学教师的教学研究参考书。本文节选第三章中“二、我们怎么知道地球内部有什么”以飨读者。

我们怎么知道地球内部有什么

地球和空间科学第一课

经过多年的科技发展，地球科学家们认识地球内部的技术手段也不断发展。现今地球科学家们认识地球内部主要通过以下方式：空间大地测量、高温高压实验、地震波内部成像、岩石样品采样分析以及地球动力学计算机模拟。

首先，使用人造卫星进行空间大地测量能够准确地告诉我们地表的重力场、电磁场以及板块的运动速度等重要参量。地球表面的重力场和电磁场都是其内部结构的直接反映。当内部存在物质异常时，如地下水的存储和流动，会直接体现在地表重力场和电磁场的改变上。通过使用人造卫星对这些状态场进行精密测量，可以有效地帮助人们揭示地球内部的状态和运行规律。较为有名的测量卫星包括美国发射的GRACE 重力测量卫星和中国发射的“张衡一号”电磁监测卫星等。有研究者曾基于GRACE 提供的数据，估算出2002 年8 月～2008 年10 月，印度三个邦地下水枯竭相当于净损失10⁹ km³ 的水，相当于印度最大的地表水水库容量的两倍（Rodell et al., 2009）。卫星数据记录揭示了地下水在人类活动影响下的变化，在分析了2002 年4 月～2016 年12 月的GRACE 数据后，研究人员发现干旱和灌溉用水是导致华北多个流域地下水含量降低的主要原因（Liu et al., 2024）。卫星测量的另一个重要参量是地表的板块运动。板块构造理论告诉我们，地球的表面存在着持续不断的板块运动，与地球内部的运行密切相关。使用全球定位系统（GPS）或者北斗等卫星系统，能够为人们提供极为精确的地表运动过程。通过分析人造卫星等数据，我们可以获得地球各个板块之间的相对运动速率与方向，如欧亚板块相对于非洲板块大约每年向南运动7～14 mm；也可以获得洋中脊的扩张速率，如东太平洋海隆扩张速率为每年6～16 cm。这些监测获得的现今数据与通过地质证据推测出的地质时间尺度内古板块运动速率及洋中脊扩张速率相当（DeMets et al., 2010）。

全球板块分布、部分名称及板块边界类型

资料来源：Bird（2003）

认识地球内部的另一个重要方式是采用金刚石对顶砧技术模拟地球内部的高温高压环境，以了解地球内部各种矿物岩石的物理性质。当将两块金刚石的尖端对顶到一起并施以压力时，可以产生接近地球内部的高压环境。同时，辅助以激光加热技术，我们就可以在实验室中产生地球内部高达数十上百个吉帕（1 GPa=10⁹ Pa）的高压环境和数千度的高温环境，并获得在这种环境下，地球内部的矿物和岩石的物理性质和演化规律，而不用直接进入地球深部。使用这种技术，可以测量矿物和岩石在高温高压条件下的密度、黏度、热导率、声波速度等性质。比如，近年来研究者们为了测量铁在核幔边界深度（大于4000℃和100 万个大气压强）的热导率展开了系列金刚石对顶砧实验（Basu et al., 2020），这一物理量对于认识地核的热演化及地磁场的产生与发展至关重要。同时，通过金刚石对顶砧实验可约束矿物在哪些条件下会发生熔融、相变、脱水等变化。例如，有研究者使用金刚石对顶砧技术实现地幔底部高达四千多摄氏度的温度与122～166 GPa 的压强，在这一条件下研究橄榄石地幔物质的性质，发现存在布里奇曼石向后钙钛矿的相变。这一发现表明在核幔边界上普遍存在后钙钛矿（Murakami et al., 2004）。

利用地震波探测地球内部示意图

大地震产生的地震波会穿过整个地球被全球的地震台站记录到，并带来地球内部信息。资料来源：修改自https://www.iris.edu/hq/inclass/fact-sheet/exploring_earth_using_seismology

认识地球内部还可以通过地震波技术进行成像。大家体检时，医学CT 可以通过发射射线穿过人体的方式对人体结构进行成像。类似的，当地球内部发生地震时，会产生各种地震波信号，这些信号穿过整个地球内部，到达地表被设置好的地震台站所接收，地球科学家们可以通过分析这些地震波信号，对地球的内部结构进行高精度成像，可以说是“给地球做个CT”。1897 年，埃米尔·维歇特针对地震波进行理论计算并发现地球内部大部分由硅酸盐地幔组成，而中心是一个铁核。1906 年，理查德·奥尔德姆在地震仪上发现了纵波（P 波）、横波（S 波）和表面波分别到达，并首次发现了地球有核心的明确证据。1909 年，现代地震学的创始人之一安德里亚·莫霍洛维契奇发现并定义了莫霍洛维契奇界面，通常被称为莫霍面，它是地壳和地幔之间的边界。1926 年，哈罗德·杰弗里斯根据他对地震波的研究，第一个宣称地幔以下的地核是液态的。1937 年，英厄·莱曼确定，在地球液态的外核中有一个固体的内核。现今地震学的发展使得我们对地球内部的认识更加精细，可以根据地震数据分析的结果了解俯冲板片在地球内部的形态、地幔流场导致的各向异性等。

包含地幔橄榄岩捕虏体的玄武岩

资料来源：https://www.sandatlas.org/peridotite/

收集来自地球内部的岩石样品也是认识地球内部的重要方式。伴随地球内部的运动过程，来自地球深处的岩石可能被运移到接近地表的位置，进而通过火山喷发和构造运动等形式被带到地表。地球科学家们通过对这些岩石样品进行采样，并进行一系列分析特别是化学成分的定量分析，可以推测得到这些岩石样品在地球深部的完整演化过程。一些来自深部的物质可以较为完整地保留其在深部时的特征。比如，火山喷发有时会把地幔的小碎片作为捕虏体带到地表，由于捕虏体中的矿物质上升到地球表面的速度非常快，没有足够时间调整到地表的低压、低温条件。因此捕虏体虽然罕见，却提供了有关地幔成分的重要信息。另外，金刚石在地幔中形成时，会包裹一些非金刚石物质。由于金刚石具有高强度，并且几乎不与周围地幔及包裹物质发生反应，它得以作为一个容器，在从地幔上升到地表的变化条件下保持包裹物质的完整，因此可以通过分析金刚石包裹体的性质了解地球内部的情况。

此外，我们还可以通过计算机模拟的方式来研究地球内部的状态和运行规律。地球内部的运行必然遵循基本的物质守恒方程，如质量、动量和能量守恒方程等。通过在计算机中构建这些方程，再辅以地表得到的各种观测数据，地球科学家们能够使用超级计算机对地球自形成以来四十多亿年的演化给出完整的演化历史，甚至可以对地球将来的运行状态作出合理的预测。根据地质证据及古地磁证据，我们了解到大陆板块在地球表面会发生准周期性的会聚与分离旋回，这一过程被称为超大陆旋回。研究者们通过计算机模拟将这一现象与地球内部地幔流场的对流模式周期性变化联系起来，为超大陆旋回的动力来源提供了解释（Zhong et al., 2007）。另外，研究人员们通过计算预测出，继上一次超大陆，即大约在2 亿年前分裂的泛大陆之后，下一个被称为终极泛大陆的超大陆，预计将在大约2.5 亿年后形成（Davies et al., 2018）。计算机模拟还可以为地球深部物质的来源提供解释，如对于地震学观测到的位于非洲和太平洋下地幔底部的大型低剪切波速省，有研究者通过计算发现其可能来自形成月球的大撞击事件（Yuan et al., 2023）。