地球深处的故事

地表的岩浆海洋需要上千万年才能冷却。地表首先凝固，产生了一块块坚固的外壳，这就是最初的大陆，它们漂浮在岩浆上，随岩浆流动而流动。下层的岩浆也开始冷却凝固，形成了（大部分）固态的地幔岩石，而整个地幔仍在缓慢地流动。

岩浆的流动形成了如今的海陆分布，而直至今日，地幔依然通过板块构造驱动着大陆移动——这是太阳系中独一无二的陆地运动模式。软流层中上涌的地幔物质扩散开来，形成了地表的洋壳；之后，它们慢慢沉降，回落到更深处，下沉的物质反过来又驱动地幔对流。随着地表冷却，降雨开始了。雨水一部分来自地球内部的火山排气，另一部分则来自诸多富含冰的彗星造访，它们汇集成地球上最早的海洋。

构成未来我们能捡到的鹅卵石的原子，此刻就藏在这些地下岩流的某处。当时的岩流速度比现在更快（也许是现在的两倍），温度也更高。古老地球深处的温度更高，一方面是因为它的天然放射性更高，另一方面是因为忒伊亚星撞击产生的余热未消。我们可以从一些火山岩中找到这方面的证据：有一种熔岩叫科马提岩，它比如今的熔岩密度更大，铁和镁的含量也更丰富，这表明它形成时的温度更高。根据现存的最古老的地壳岩石残片可以判断，当时板块构造的基本运动模式与我们今天看到的模式大致相似。

鹅卵石原子当时大多在地下数百或数千千米深处，介于地壳表面和地核表面之间。它们在地幔岩石的矿物质中循环流动，等待大约30亿年后被释放出来。地幔大部分是固态的岩石，但它若是承受了足够大的持续压力，就会像今天的冰川中同样坚硬的冰晶一样缓慢流动。冰川受到的压力是重力，运动方向是向下的；地幔岩石受到的压力则首先来自放射性产生的热量，越深的地方热量越多，这些热量会让岩石的密度降低，使其向地表上升，尤其是在地幔与温度更高的地核接触的地方。而当缓慢喷涌的岩石上升到足够高的位置，冷却并变得更加致密时，重力就会起作用，岩石物质在自身重量的作用下开始向地核回落。这样一个上升和下降的循环需要数亿年的时间。早在恐龙统治地球时，现在靠近地壳的部分地幔就已经开始了其上升之旅。

在坚固的地球内部有一些捷径，好比岩石的“高速公路”，它们被称为地幔柱，是温度更高、速度更快的上涌岩石喷流，高达几百千米，直径有一两百千米。其中一处地幔柱约在6 000万年前首次到达地幔表面，目前仍在抬升冰岛下方的地壳（当然也包括冰岛本身），使其比原来高出约3千米。另一处地幔柱位于夏威夷冒纳罗亚火山下方，它提供的额外热量产生了熔岩，这些熔岩涌向地表，使冒纳罗亚火山在短短的几百万年里成为地球上最大的火山（以火山口顶到海底的山基的大小计，也是最大的山峰）。

自固态地球最初形成以来，未来形成鹅卵石的原子就已经在矿物中紧密结合在一起了：特定的矿物反映出原子排列的规律，这不仅符合各种元素的化学亲和性（例如，硅酸盐矿物中带正电荷的硅和铝与带负电荷的氧结合在一起），也适应地表以下数千千米深处的条件，包括高温（目前温度在1 000～4 000摄氏度，从前温度更高）、高压（相当于数千个大气压）等，这些都导致地幔矿物的原子紧密堆积。

如今，我们可以在实验室里短暂地模拟地下深处的条件，制造出极少量的类地幔矿物。为了做到这一点，地质学家将一撮地表矿物放在微小（但非常有力）的金刚石压砧上，将它加热到适当的温度，再用压砧用力挤压。我们可以用X射线照射它们，观察出现的图案，来见证在这样的温度与压强下矿物颗粒发生了什么改变。图案反映的不是这些颗粒的外部形状，而是内部的原子排列。为了使实验更加真实，这些颗粒必须与地幔的化学成分类似——富含铁和镁，而硅和铝含量较少。

当原子的框架被压缩得更紧密时，新的矿物就会出现，往往伴随着明显的“砰”的响声。在深约1 000千米的位置甚至更深处出现的矿物都有着陌生的名字，比如钙钛矿（更深处还有后钙钛矿）、林伍德石和铁方镁石等。偶尔也有我们熟悉的矿物，比如碳在高压状态下会形成笼状的框架结构，也就是备受追捧的钻石。

就这样，鹅卵石原子被束缚在这些高压框架结构中长达30亿年，仅以每年几厘米的速度缓慢移动。我们并不清楚地幔流的具体形式。毕竟，目前的科技水平无法让我们直接进入地幔，观察它可能的运动方式。我们的知识来源于从压砧实验中收集到的信息，来源于跟踪地震波在地球上的传播过程，来源于观察火山零星喷出的地幔岩块。地震波数据清楚地表明，如今的地幔主要由两个部分——下地幔和上地幔组成，它们密度不同。它们之间的边界可能代表着一种“相变”，将适应不同压力和温度环境的矿物分离。然而，还有一些问题存在争议，比方说，如今的岩流是否可以随意穿越这一边界？还是说有两个独立的岩流系统，只是两者之间存在互通之处？

图1　地球结构及其内部运动的岩流

如果在前寒武纪时期，地幔是这样运作的，那么这些鹅卵石原子在每隔几亿年的上升或者下降过程中，早就该重新调整自己，变成不同的矿物结构了；它们或许还会和相邻的矿物产生一系列连锁反应，从而产生足以撼动地球表面的强烈地震波。

在地幔的深度，温度约为几千摄氏度。这个温度如果放在地表，已经足以熔化所有这些矿物了；但在地幔中矿物大多保持固态，这是因为在这样的深度条件下，压力也是巨大的。在不断深入地球内部的过程中，压力将持续增加，这些矿物在整个地幔中基本保持固态，只有少数一些例外，我们稍后会讨论。直至地幔底部，也就是地幔与地核的边界处（温度约4 000摄氏度），巨大的变化发生了：这里突然变成了致密的液态（我们在地表也可以探测到这一点，因为它能阻挡某些类型的地震波），矿物成分是熔融状态的铁与镍；温度也在急剧上升。地幔中的硅酸盐岩就像一个巨大的保温瓶内胆，包围着这滚烫的金属地核。

地幔某些部分的温度之高也足以打破压力赋予矿物的稳定状态。原子快速振动，进而打破原子间的化学键，让固态矿物熔化了。也不是所有的矿物都会熔化，那些化学键较容易被打破，或者说熔点较低的矿物才会如此。地表之下，岩浆池形成了，它的密度往往会低于周围没有熔化的岩石，硅含量较高而铁、镁含量较低。所以，当这些岩浆能找到一条上升通路时，它们就会溢流到地表。