实心还是空心：认识地球的深部结构

2024年2月上映的科幻影片《金刚大战哥斯拉2》，再次引发了人们对于怪兽大片的观影热潮。同时，该片也使得人们对“主角”金刚的出生地——地球内部产生了无限遐想。那么，地球内部到底是什么样子的呢？

空心地球

在科学界，对于地球内部是否存在一个真实而未知的空间争论已久。17世纪末，英国天文学家艾德蒙·哈雷根据地球磁场强度和位置的变化，认为地球是一个有着三层壳的球体，确切地说，是由多个空心球体套叠组成的，这些球体靠离心力和重力悬空，不会相撞。正因为这些悬空的内部球壳，才引发了地球磁场的变化。哈雷认为，在这些内部球壳上同样存在生命，整个地球结构就像多层建筑一样，不同“楼层”有不一样的生命。在每一个球体的空隙处都是同人类一样的生存环境，植被茂盛，气候宜人。在地球表面有一些连通着“地心世界”的神秘通道，只要找到这些通道，就能进入“地心世界”。此外，哈雷还认为，地球内部是会发光的，相当于地面上的阳光。哈雷提出这些观点距今已有三四百年了，虽说是基于科学观测，但更多的成分是“假想”。不过，在现代物理学建立之前，地球“空心论”的确收获了大批忠实粉丝。

在哈雷之后，瑞士数学家、物理学家莱昂哈德·欧拉认为，地球内部不是多个空心体，而是一个中空结构，其中心有一个直径600英里的小太阳，为地心内的生物照明和供暖。19世纪，美国人西蒙提出，地球的中空在1300千米以下，并且在两极有开口，内部没有小太阳。1906年，威廉·里德写了一本名为《极地幻影》的书，明确提出了“空心地球”的观点，但认为不存在内壳和地心小太阳。

如今，我们在地理课上获取的知识是：地球是由地核、地幔和地壳三个同心球层组成的。既然目前的技术尚不能让我们深入地心，科学家又是通过什么来研究地球的内部结构的呢？这就需要地震波的帮助。

地球圈层

地震波是地震发生时激发的一种向四周传播的弹性波。地震是由于岩层断裂、错位运动释放的能量，以波的形式向外传递。地震波在地球介质中传播，按传播方式分为纵波、横波和面波三种类型。纵波是推进波，在地壳中的传播速度为5.5～7千米/秒，最先到达震中，又被称为“P波”。它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，到达震中的传播速度仅次于纵波，名为“S波”。它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称“L波”，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地面传播，是对建筑物造成巨大破坏的主要因素。

科学家发现，通过观测地震波在地球内部的传导情况，可以推断地球的内部结构，因为地震波在地球内部的传播速度会随着介质性质的变化而改变。例如，纵波在固体、液体和气体中都可以传播，速度也较快；横波只能在固体中传播，速度比较慢。由于地球内部物质不均一，地震波在不同弹性、不同密度的介质中，传播速度和通过的状况也就不一样，因此，地震波在地球内部传播时的行为提供了关于地球内部结构的重要信息。

地震波在地球深处传播时，如果传播速度突然发生变化，那么这突然变化所在的面，就被称为“不连续面”。根据不连续面的存在，人们间接地知道地球内部具有圈层结构。比如，我们所熟知的地球三圈层结构——地壳、地幔和地核，就是通过这种特征推断的。那么，从这些圈层结构来看，有没有可能存在内部空洞呢？

地壳是指固体地球表层莫霍洛维奇地震不连续面（简称“莫霍界面”）以上的一圈岩石，平均厚度17千米。

地壳的结构基本上有陆壳和洋壳两种类型。陆壳具有双层结构，上部为硅铝层，下部为硅镁层。陆壳厚度各处不一，平均厚度为35千米。其中，高大山系地区的地壳较厚，如阿尔卑斯山的地壳厚达65千米，亚洲青藏高原某些地方超过70千米。洋壳主要为硅镁层，平均厚度为6千米。一般认为，地壳上层由较轻的硅铝物质组成，因而被称为“硅铝层”，下层由较重的硅镁物质组成。而大洋底部一般缺少硅铝层。

在地表，有70%的面积覆盖着沉积岩，但如果按地球表面到16千米深的整个岩石圈算，沉积岩只占5%。沉积岩主要包括石灰岩、砂岩、页岩等。沉积岩中所含有的矿产，占全部世界矿产蕴藏量的80%。

石灰岩是地表分布最广泛的岩石，因其各部分含石灰质多少的不同导致被侵蚀的程度不同，逐渐形成互不相依、千姿百态的山峰和景观奇异的溶洞，最终形成了我们今天所见的溶洞和喀斯特地貌。这个过程需要很长时间，通常在地质历史时期内完成。从热带到寒带、由大陆到海岛，都有喀斯特地貌发育。较著名的区域有我国广西、云南和贵州等省（自治区），越南北部，南斯拉夫狄那里克阿尔卑斯山区、意大利和奥地利交界的阿尔卑斯山区，法国中央高原，俄罗斯乌拉尔山，澳大利亚南部，美国肯塔基和印第安纳州，古巴及牙买加等地。其中，我国喀斯特地貌分布较广、面积较大。

地幔介于地壳与地核之间，由地壳底部一直延伸到地核的外围，也就是莫霍面与古登堡面之间的部分，又被称为“中间层”。根据地震波速度变化的情况，地幔被分为上下两层，上部为“上地幔”，下部为“下地幔”。其体积占地球总体积的五分之四，质量占地球质量的三分之二。

从地壳最下层到100～120千米深处，被称为“上地幔”，这里除硅铝物质外，铁镁成分增加，类似橄榄岩，又称“橄榄岩带”。地震资料表明，在上地幔上部，地震波传播速度减弱，形成低速带，自地壳岩石圈之下直到150千米深处的地幔物质呈塑性，可以形成对流，称为“软流圈”，这里是岩浆的发源地。下地幔位于上地幔之下，下地幔的物质大多是铬的氧化物和铁镍的硫化物，虽是固态，但具有较大的可塑性。这使得下地幔能够在地球内部进行缓慢的物质循环和板块运动。转换带是上地幔和下地幔之间的分界线，位于地幔的深部。转换带是地球内部的一个重要界面，它对地球内部的热量和物质运动起着重要的调节作用。这样，地幔又可分为上地幔、转换带和下地幔三层。

科学家借助地震波探测等技术手段对地球地幔进行研究时，发现了一些异常区域。在这些区域地震波的传播速度变得异常，据此科学家推测地幔中可能存在空洞或空腔。这一现象在科学界引起了广泛的关注。

大西洋中的地壳空洞    2007年，科学家在大西洋中脊的一个海底洞穴中发现地壳神秘“消失”了，地幔直接暴露出来，形成一道巨大“裂缝”，真是令人匪夷所思！因为按照板块构造学说，板块移动后，地幔应该上升以填补裂缝并形成新地壳。对于这个“空洞”的成因，科学家们提出了两种猜想：一种是地幔上升时，带来的不是熔融的岩浆，而是固态的块体，所以不能对裂缝进行填补；另一种是地壳断裂，导致地幔上方形成一个空洞。

印度洋的地幔异常    印度洋部分区域的大地水准面，相对于周围地区明显下陷超过100米，这表明印度洋深层地幔存在大范围的物质缺失地带。这种异常可能是由于印度次大陆以下的地幔比预期的热得多，也可能是古老的海洋板块几百万年前下沉到印度板块之下的结果。

地幔空洞现象是地球科学研究中的一个重要课题。虽然目前对于这些现象的具体成因和范围还存在争议，但科学家们通过不同的研究手段正在逐步揭示其奥秘。

地核是指从古登堡面以下到地心的地球核心部分，其体积为固体地球总体积的16%。地核的高温可以达到7000℃，甚至要比太阳表面的温度高。地震波显示，地核内还存在两处不连续界面，因而可进一步划分为外核、过渡层和内核三部分。从外核不能传播横波且纵波波速降低明显的特征，可以推断出外核呈液态；由内核可传播横波的现象，可以推断出内核具有固态特征。因为地心引力在地核内制造的压力是地球表面压力的300万倍，所以地核为实心结构。地核内的铁流使物质产生巨大的磁场，有效地保护大气圈免遭太阳风的侵蚀，进而保护了我们。

由此可见，“地球空心说”中所指的地下空洞是真实存在的。目前已经探明的地下空间包括一些天然的山洞、未知的地道和大量的溶洞等。另外，火山口内也被证实拥有巨大的空间，比如冰岛的斯瑞努卡基古火山。再如溶洞，截至2023年9月，我国贵州省绥阳县的双河洞已探明连通长度达到了409.9千米，纵深达912米，成为世界第三长洞。

老子有言：“有无相生。”“地球空心说”与“地球实心说”看似水火不容，实则你中有我、我中有你，两者对立统一。它们都是在一定科学事实上的推断。看似实心的地球，其内部构造是分层的，每一个圈层的性质也是不同的，甚至存在许多空洞；说地球是空心的，它也不是空无一物。这种辩证思维，对于地质学家乃至科学家揭示地球内部的秘密具有十分重要的启示作用。如今，勘探技术、信息技术、人工智能与大数据技术正如火如荼地发展着，它们与地球科学研究融合在一起。相信在不久的将来，我们会把地球内部看得更深、更清晰，从而更好地认识地球，长久地与地球相伴。

致谢：感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054）、中国矿业大学教学研究项目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题项目（2021MXJG179）的支持。