地球和空間科學(xué)是自然科學(xué)重要的分支領(lǐng)域。人們對于自然現(xiàn)象的觀察構(gòu)成了自然科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，地球和空間中產(chǎn)生的豐富的自然現(xiàn)象為自然科學(xué)提供了無盡的題材與靈感，現(xiàn)代自然科學(xué)即肇始于哥白尼、伽利略、牛頓等科學(xué)大師對于地球與行星運行的研究。地球和空間科學(xué)研究46 億年前至今乃至未來的太陽系這個廣闊時空中的自然現(xiàn)象，在資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防控等方面保障人類社會可持續(xù)發(fā)展，同時也在不斷探索開辟人類活動的新疆域。在教育部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會等國家部委的學(xué)科布局中，地球和空間科學(xué)都占據(jù)十分重要的地位。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在1958 年成立時就十分重視地球和空間科學(xué)，組建了應(yīng)用地球物理系、地球化學(xué)和稀有元素系。應(yīng)用地球物理系首任系主任趙九章是東方紅一號衛(wèi)星的總設(shè)計師，被追認(rèn)為“兩彈一星”元勛。1978 年成立了地球和空間科學(xué)系，并于2001 年升格為地球和空間科學(xué)學(xué)院。六十多年來，中國科大地球和空間科學(xué)學(xué)科培養(yǎng)了包括13名兩院院士在內(nèi)的大批高層次人才，在地球物理學(xué)和空間物理學(xué)、地球化學(xué)、大氣科學(xué)等方面取得了多項高水平研究成果，在國內(nèi)外享有盛譽。

習(xí)近平總書記指出，“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼”。黨的二十大對于教育、科技、人才一體化發(fā)展作出了戰(zhàn)略部署。為了推進(jìn)科學(xué)普及，幫助本科生和中學(xué)生了解地球和空間科學(xué)的概貌，也為了促進(jìn)地球和空間科學(xué)后備人才的培養(yǎng)，我們積極響應(yīng)學(xué)校號召，約請了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院十余名優(yōu)秀的中青年專家學(xué)者，共同編寫了《地球和空間科學(xué)第一課》。本書共分十一章，第一章為概論，其余十章分別聚焦地球和空間科學(xué)領(lǐng)域的一個重要問題展開論述，在介紹科學(xué)前沿的同時力求可讀易懂。

地球是人類賴以生存的家園，空間是人類深情向往的遠(yuǎn)方。在這一廣闊天地，有志于科學(xué)技術(shù)研究的年輕學(xué)子在新時代可以大有作為。希望本書能給予他們一些收獲和啟迪，助力他們在探索地球和空間奧秘的征程上揚帆起航，乘風(fēng)破浪。

倪懷瑋 陳伊翔

于中國科大地球和空間科學(xué)前沿研究中心

地球和空間科學(xué)第一課

倪懷瑋, 陳伊翔主編

北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 11

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科“十四五”規(guī)劃教材）

（科學(xué)第一課叢書 / 包信和, 常進(jìn)主編）

ISBN 978-7-03-083013-5

本書作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院的10 余位知名專家學(xué)者，他們都活躍在地球和空間科學(xué)學(xué)科的教學(xué)和科研一線。本書以通俗易懂的語言和豐富多彩的實例介紹了地球和空間科學(xué)重要領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、前沿進(jìn)展和發(fā)展態(tài)勢，內(nèi)容覆蓋了地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、行星科學(xué)、地球物理學(xué)、空間物理學(xué)、大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個分支領(lǐng)域，也包含了大數(shù)據(jù)與人工智能等新興方向。

本書適合各類在校大學(xué)生和高年級中學(xué)生閱讀，可幫助其初步了解地球和空間科學(xué)的主要內(nèi)容，培養(yǎng)其探究地球乃至太陽系形成演化奧秘的興趣。本書也可作為大學(xué)教師的教學(xué)研究參考書。本文節(jié)選第三章中“二、我們怎么知道地球內(nèi)部有什么”以饗讀者。

我們怎么知道地球內(nèi)部有什么

地球和空間科學(xué)第一課

經(jīng)過多年的科技發(fā)展，地球科學(xué)家們認(rèn)識地球內(nèi)部的技術(shù)手段也不斷發(fā)展。現(xiàn)今地球科學(xué)家們認(rèn)識地球內(nèi)部主要通過以下方式：空間大地測量、高溫高壓實驗、地震波內(nèi)部成像、巖石樣品采樣分析以及地球動力學(xué)計算機(jī)模擬。

首先，使用人造衛(wèi)星進(jìn)行空間大地測量能夠準(zhǔn)確地告訴我們地表的重力場、電磁場以及板塊的運動速度等重要參量。地球表面的重力場和電磁場都是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接反映。當(dāng)內(nèi)部存在物質(zhì)異常時，如地下水的存儲和流動，會直接體現(xiàn)在地表重力場和電磁場的改變上。通過使用人造衛(wèi)星對這些狀態(tài)場進(jìn)行精密測量，可以有效地幫助人們揭示地球內(nèi)部的狀態(tài)和運行規(guī)律。較為有名的測量衛(wèi)星包括美國發(fā)射的GRACE 重力測量衛(wèi)星和中國發(fā)射的“張衡一號”電磁監(jiān)測衛(wèi)星等。有研究者曾基于GRACE 提供的數(shù)據(jù)，估算出2002 年8 月～2008 年10 月，印度三個邦地下水枯竭相當(dāng)于凈損失10? km3 的水，相當(dāng)于印度最大的地表水水庫容量的兩倍（Rodell et al., 2009）。衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄揭示了地下水在人類活動影響下的變化，在分析了2002 年4 月～2016 年12 月的GRACE 數(shù)據(jù)后，研究人員發(fā)現(xiàn)干旱和灌溉用水是導(dǎo)致華北多個流域地下水含量降低的主要原因（Liu et al., 2024）。衛(wèi)星測量的另一個重要參量是地表的板塊運動。板塊構(gòu)造理論告訴我們，地球的表面存在著持續(xù)不斷的板塊運動，與地球內(nèi)部的運行密切相關(guān)。使用全球定位系統(tǒng)（GPS）或者北斗等衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠為人們提供極為精確的地表運動過程。通過分析人造衛(wèi)星等數(shù)據(jù)，我們可以獲得地球各個板塊之間的相對運動速率與方向，如歐亞板塊相對于非洲板塊大約每年向南運動7～14 mm；也可以獲得洋中脊的擴(kuò)張速率，如東太平洋海隆擴(kuò)張速率為每年6～16 cm。這些監(jiān)測獲得的現(xiàn)今數(shù)據(jù)與通過地質(zhì)證據(jù)推測出的地質(zhì)時間尺度內(nèi)古板塊運動速率及洋中脊擴(kuò)張速率相當(dāng)（DeMets et al., 2010）。

全球板塊分布、部分名稱及板塊邊界類型

資料來源：Bird（2003）

認(rèn)識地球內(nèi)部的另一個重要方式是采用金剛石對頂砧技術(shù)模擬地球內(nèi)部的高溫高壓環(huán)境，以了解地球內(nèi)部各種礦物巖石的物理性質(zhì)。當(dāng)將兩塊金剛石的尖端對頂?shù)揭黄鸩⑹┮詨毫r，可以產(chǎn)生接近地球內(nèi)部的高壓環(huán)境。同時，輔助以激光加熱技術(shù)，我們就可以在實驗室中產(chǎn)生地球內(nèi)部高達(dá)數(shù)十上百個吉帕（1 GPa=10? Pa）的高壓環(huán)境和數(shù)千度的高溫環(huán)境，并獲得在這種環(huán)境下，地球內(nèi)部的礦物和巖石的物理性質(zhì)和演化規(guī)律，而不用直接進(jìn)入地球深部。使用這種技術(shù)，可以測量礦物和巖石在高溫高壓條件下的密度、黏度、熱導(dǎo)率、聲波速度等性質(zhì)。比如，近年來研究者們?yōu)榱藴y量鐵在核幔邊界深度（大于4000℃和100 萬個大氣壓強(qiáng)）的熱導(dǎo)率展開了系列金剛石對頂砧實驗（Basu et al., 2020），這一物理量對于認(rèn)識地核的熱演化及地磁場的產(chǎn)生與發(fā)展至關(guān)重要。同時，通過金剛石對頂砧實驗可約束礦物在哪些條件下會發(fā)生熔融、相變、脫水等變化。例如，有研究者使用金剛石對頂砧技術(shù)實現(xiàn)地幔底部高達(dá)四千多攝氏度的溫度與122～166 GPa 的壓強(qiáng)，在這一條件下研究橄欖石地幔物質(zhì)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)存在布里奇曼石向后鈣鈦礦的相變。這一發(fā)現(xiàn)表明在核幔邊界上普遍存在后鈣鈦礦（Murakami et al., 2004）。

利用地震波探測地球內(nèi)部示意圖

大地震產(chǎn)生的地震波會穿過整個地球被全球的地震臺站記錄到，并帶來地球內(nèi)部信息。資料來源：修改自https://www.iris.edu/hq/inclass/fact-sheet/exploring_earth_using_seismology

認(rèn)識地球內(nèi)部還可以通過地震波技術(shù)進(jìn)行成像。大家體檢時，醫(yī)學(xué)CT 可以通過發(fā)射射線穿過人體的方式對人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。類似的，當(dāng)?shù)厍騼?nèi)部發(fā)生地震時，會產(chǎn)生各種地震波信號，這些信號穿過整個地球內(nèi)部，到達(dá)地表被設(shè)置好的地震臺站所接收，地球科學(xué)家們可以通過分析這些地震波信號，對地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度成像，可以說是“給地球做個CT”。1897 年，埃米爾·維歇特針對地震波進(jìn)行理論計算并發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部大部分由硅酸鹽地幔組成，而中心是一個鐵核。1906 年，理查德·奧爾德姆在地震儀上發(fā)現(xiàn)了縱波（P 波）、橫波（S 波）和表面波分別到達(dá)，并首次發(fā)現(xiàn)了地球有核心的明確證據(jù)。1909 年，現(xiàn)代地震學(xué)的創(chuàng)始人之一安德里亞·莫霍洛維契奇發(fā)現(xiàn)并定義了莫霍洛維契奇界面，通常被稱為莫霍面，它是地殼和地幔之間的邊界。1926 年，哈羅德·杰弗里斯根據(jù)他對地震波的研究，第一個宣稱地幔以下的地核是液態(tài)的。1937 年，英厄·萊曼確定，在地球液態(tài)的外核中有一個固體的內(nèi)核?，F(xiàn)今地震學(xué)的發(fā)展使得我們對地球內(nèi)部的認(rèn)識更加精細(xì)，可以根據(jù)地震數(shù)據(jù)分析的結(jié)果了解俯沖板片在地球內(nèi)部的形態(tài)、地幔流場導(dǎo)致的各向異性等。

包含地幔橄欖巖捕虜體的玄武巖

資料來源：https://www.sandatlas.org/peridotite/

收集來自地球內(nèi)部的巖石樣品也是認(rèn)識地球內(nèi)部的重要方式。伴隨地球內(nèi)部的運動過程，來自地球深處的巖石可能被運移到接近地表的位置，進(jìn)而通過火山噴發(fā)和構(gòu)造運動等形式被帶到地表。地球科學(xué)家們通過對這些巖石樣品進(jìn)行采樣，并進(jìn)行一系列分析特別是化學(xué)成分的定量分析，可以推測得到這些巖石樣品在地球深部的完整演化過程。一些來自深部的物質(zhì)可以較為完整地保留其在深部時的特征。比如，火山噴發(fā)有時會把地幔的小碎片作為捕虜體帶到地表，由于捕虜體中的礦物質(zhì)上升到地球表面的速度非?？?，沒有足夠時間調(diào)整到地表的低壓、低溫條件。因此捕虜體雖然罕見，卻提供了有關(guān)地幔成分的重要信息。另外，金剛石在地幔中形成時，會包裹一些非金剛石物質(zhì)。由于金剛石具有高強(qiáng)度，并且?guī)缀醪慌c周圍地幔及包裹物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，它得以作為一個容器，在從地幔上升到地表的變化條件下保持包裹物質(zhì)的完整，因此可以通過分析金剛石包裹體的性質(zhì)了解地球內(nèi)部的情況。

此外，我們還可以通過計算機(jī)模擬的方式來研究地球內(nèi)部的狀態(tài)和運行規(guī)律。地球內(nèi)部的運行必然遵循基本的物質(zhì)守恒方程，如質(zhì)量、動量和能量守恒方程等。通過在計算機(jī)中構(gòu)建這些方程，再輔以地表得到的各種觀測數(shù)據(jù)，地球科學(xué)家們能夠使用超級計算機(jī)對地球自形成以來四十多億年的演化給出完整的演化歷史，甚至可以對地球?qū)淼倪\行狀態(tài)作出合理的預(yù)測。根據(jù)地質(zhì)證據(jù)及古地磁證據(jù)，我們了解到大陸板塊在地球表面會發(fā)生準(zhǔn)周期性的會聚與分離旋回，這一過程被稱為超大陸旋回。研究者們通過計算機(jī)模擬將這一現(xiàn)象與地球內(nèi)部地幔流場的對流模式周期性變化聯(lián)系起來，為超大陸旋回的動力來源提供了解釋（Zhong et al., 2007）。另外，研究人員們通過計算預(yù)測出，繼上一次超大陸，即大約在2 億年前分裂的泛大陸之后，下一個被稱為終極泛大陸的超大陸，預(yù)計將在大約2.5 億年后形成（Davies et al., 2018）。計算機(jī)模擬還可以為地球深部物質(zhì)的來源提供解釋，如對于地震學(xué)觀測到的位于非洲和太平洋下地幔底部的大型低剪切波速省，有研究者通過計算發(fā)現(xiàn)其可能來自形成月球的大撞擊事件（Yuan et al., 2023）。

本文摘編自《地球和空間科學(xué)第一課》（倪懷瑋, 陳伊翔主編. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 11）一書 “前言”“第三章 地球內(nèi)部揭秘：從地心到地表”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科“十四五”規(guī)劃教材）

（科學(xué)第一課叢書 / 包信和, 常進(jìn)主編）

ISBN 978-7-03-083013-5

審圖號：GS(2025)5008 號

責(zé)任編輯：蔣 芳 沈 旭 李佳琴

本書作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院的10 余位知名專家學(xué)者，他們都活躍在地球和空間科學(xué)學(xué)科的教學(xué)和科研一線。本書以通俗易懂的語言和豐富多彩的實例介紹了地球和空間科學(xué)重要領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、前沿進(jìn)展和發(fā)展態(tài)勢，內(nèi)容覆蓋了地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、行星科學(xué)、地球物理學(xué)、空間物理學(xué)、大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個分支領(lǐng)域，也包含了大數(shù)據(jù)與人工智能等新興方向。

本書適合各類在校大學(xué)生和高年級中學(xué)生閱讀，可幫助其初步了解地球和空間科學(xué)的主要內(nèi)容，培養(yǎng)其探究地球乃至太陽系形成演化奧秘的興趣。本書也可作為大學(xué)教師的教學(xué)研究參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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