板块构造学能教给我们什么?

我们星球上经常具有破坏性的力量能揭示它的内部运作吗?
2023年2月28日
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生产会刺痛

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了地球

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新闻充斥着这些地质过程的破坏性方面,但这些事件是否有一些方面可以帮助我们更多地了解地球的内部运作呢?

在这一集里

地球上的一条裂缝

01:05 -板块构造是如何运作的?

我们脚下的土地是如何移动并相互作用的?

板块构造是如何运作的?
詹姆斯·杰克逊,剑桥大学

也许首先要从一些表面的知识开始。更具体地说,我们脚下的土地是如何运作的?如果这只是表面知识,当然不需要专家来解释。我是说,能有多难呢?嗯,带着太多的自信和一系列奇怪的演示,我承担起了成为构造学老师的责任。他们说每天都是上学的日子。

阿米莉亚-你好,我叫阿米莉亚。我今年16岁。

嗯,板块构造学这个词对你来说意味着什么?

阿米莉亚-我知道有海洋的,也有大陆的,但仅此而已。我知道它们在地下,它们会移动一点。

Will - <笑>你已经比我们做得好了。比詹姆斯强多了,詹姆斯根本不知道什么是海洋地壳。但为了证明这一点,因为它们的规模难以想象,巨大的地球板块和海洋板块。詹姆斯,还有什么比这个更能证明这一点的呢?

詹姆斯:橘子?

威尔,我有一个橘子。你介意把这个橘子削皮吗?现在是听众在家。你肯定觉得我们疯了。

詹姆斯-
我们有纸巾吗?<笑>。其实有点恶心。

威尔-好吧,当他这么做的时候。我要揭露这个精彩演示的秘密原料,那是一锅果酱,詹姆斯,看起来很好吃。我要把你完美去皮的橙子涂上果酱,毁掉它。但这些很快就会讲得通。

詹姆斯-我没想到我们会把学校搞得这么乱。

Will - <笑> Amelia,我已经把橙子涂上果酱了。你现在对这些尖叫的板块构造感兴趣吗?

阿米莉亚-不。只是现在看起来有点没胃口。<笑>。

威尔-詹姆斯,你想剥下你最非洲形状的橘子皮吗?把它放回橘子上,放在果酱上面。然后我们有,我们叫它欧洲。如果你现在看到这里,我要把这两个盘子推到一起。我们可以看到两片橙子之间的果酱发生了什么变化?

阿米莉娅:果酱来了,弄得有点乱。但它是在分开的橙皮之间出现的。

威尔:这是否会给你一个概念,当两个陆地区域在地球顶部相互碰撞时会发生什么?

阿米莉亚-我想可能是地壳下的岩浆堵塞了。所以可能是火山爆发。不过我不太确定。

威尔,我想说这已经是一个巨大的成功了。火山爆发或山脉上其他类型的板块构造一起移动。如果我们用另一种方式来做,如果我们有两片橙皮,我们认为它们是一块陆地,像这样把它们分开,这样堵塞就会蔓延开来,你会想象会发生什么?

阿米莉亚-也许是海洋,但地上有个洞?

威尔:有意思。有趣。所以橙色可能不能很好地代表它。我希望能到达那里。陆地移动的想法,岩浆从中涌出,创造出新的陆地。理论上,这就是正在发生的事情。然而,它似乎不太顺利<笑>。

詹姆斯-很好。

好吧,公平点。这比看上去难多了。也许把它交给专家会更好。还有谁比剑桥大学的詹姆斯·杰克逊教授更适合继承这一衣钵呢?

地球的横截面看起来有点像洋葱。所以如果你把洋葱拆开,它有不同的物质层,地球就是这样。所以如果你现在看地球,你对你在地表上看到的东西很熟悉,你在地表上能认出的各种各样的岩石,它们只在英格兰地下30公里处。这并不是很多,因为地球到地心的距离是6300千米。到中间还有很长的路要走。最上面的30公里都是我们经常看到的岩石我们称之为地壳。当你往下看时,你会得到不同的东西。这些不同的东西在接下来的3000公里里都是差不多的。它看起来是绿色的,在书中总是被涂成绿色,因为它是绿色的。它是绿色的,因为它是由一种特殊的绿色矿物构成的,这种矿物叫做橄榄石,很常见。 And then there's a really big surprise because then in the center of the earth there's a ball. And that ball is about 3000 kilometers in radius. It's about the size of the planet Mars. And there it is, it sits inside the earth. And the big surprise is that the ball is liquid. It's made of molten iron and there's even another surprise inside that ball is another ball. And the ball inside that ball, which we call the core, is about the size of the moon. And that is where it goes solid again. So it's made of the same stuff, it's made of iron, but in the middle is a ball of solid iron. And outside it then is this ball of liquid iron, which is called the core, which is about the size of Mars. Then we have all this green stuff, which is a green and it's called the mantle. And right at the top is what we walk around on, which is called the crust, which is only about 30 kilometers thick.

当我们讨论海洋板块和大陆板块时,什么是板块?

詹姆斯:盘子就像一个球形的盖子,它是一个弯曲的盖子,放在地球的顶部,它在周围滑动,整个地球都被这些东西的拼凑所覆盖。大约有12个主要的火山,它们都在周围滑动,相互移动,撞在一起,然后彼此分离。

有不同种类的盘子吗?

詹姆斯:这些板块都是一样的,它们大约有100公里厚,有些地方可能更厚一些,而且它们会四处移动。它们唯一的不同之处在于有些上面有乘客,有些没有。所以大陆不是这里真正重要的。大陆的边缘不是板块的边缘。大陆就像乘客或救生筏一样坐在板块上。只是随着上面的盘子移动。

这些乘客会影响每个盘子之间的相互作用吗?

詹姆斯:是的,他们有。因为当板块相遇时,通常会发生一个板块滑到另一个板块的下面。想象一下,你正在乘自动扶梯上楼。当自动扶梯到达顶部时,它就会滑入地下,然后再转一圈。这正是在地球表面发生的事情。但你会注意到,当你到达扶梯顶端时,你不会回到大楼里,你会在顶部被刮掉。这就是发生在非洲大陆上的事情。大陆就像坐在自动扶梯上,当它们到达边缘时,它们不会回到地球内部,因为它们太轻了。想象一个软木塞漂浮在一个更重的东西上面。大陆被刮开,它们相互碰撞。

这些板块之间的各种相互作用会导致什么呢?

詹姆斯:当板块相互移动时,它们必须相互滑动。当岩石相互滑动时,它们会破裂并在表面上移动,这被称为断层。所以把断层想象成地球上的一把刀,但是是一把非常大的刀。我的意思是这些岩石,它们向下可能有几十公里,它们可能有几百公里长,但是当岩石相互滑动时,它们会振动,这些振动就是地震。所以板块边缘的一个后果就是会发生大地震,也会有火山爆发因为当共享的物质回到地球内部或者当物质从地球出来时,就会得到熔岩,熔岩也会四处移动,到达地表。这些是火山。

威尔-板块下面是什么让它们移动的?

詹姆斯:在盘子下面的不是你经常在书上看到的图片。它不是液体。它是岩石,但它是热岩石。热岩石没有强度。想想热太妃糖或糖浆之类的东西因为没有强度而移动,对吧?在这种情况下,它没有强度,因为它很热。这就使得地球表面的冷岩石,更坚固,可以滑过它们的顶部尽管它们不是液体,而是非常柔软的固体。这一切发生的原因实际上是地球像这样散失热量。所以如果你有一杯咖啡或任何东西,或者你加热的一锅液体。速率,热量从底部到顶部的方式是通过液体的移动。 And that's what actually happens inside the earth is that hot material from the inside moves towards the surface. And as it moves, things have to get out of the way. And that's why these plates are sliding around, but it's not moving in the liquid state. It's moving as a very soft solid, but it works exactly the same way.

“蓝色大理石”是1972年12月7日阿波罗17号宇宙飞船上的宇航员在距离月球约29,000公里(18,000英里)的地方拍摄的一张著名的地球照片。它展示了非洲、南极洲和阿拉伯半岛。

09:57 -我们怎么知道地核是什么样子?

如果我们不能下去,我们怎么能确定地心是什么样子呢?

我们怎么知道地核是什么样子的?
詹姆斯·杰克逊,剑桥大学

我没有被我的演示吓倒,因为了解地球表面很重要,而且了解地球内部的情况也很重要。从一个显而易见的问题开始,我们怎样才能知道地球的中心是由什么组成的……

威尔——我面前有两个彩蛋,我想让詹姆斯也参与进来,因为我的演示给了他惊喜。他不知道这里发生了什么。你们俩之间,这两个人有什么能让你知道地球内部正在发生的变化吗?

詹姆斯-我猜它们都差不多是球形的,嗯,这个看起来像是它的内部是中空的,我很确定地球内部不是中空的。我可能错了。

威尔,我们面前有两个鸡蛋,我的问题是,你们能不能通过观察这两个鸡蛋的内部来告诉我这些鸡蛋的内部情况?

阿米莉亚-你什么都说不出来。

詹姆斯?

詹姆斯-嗯,是的。忽略其中一个盒子上的蛋的图片。<笑>,什么都没有。

新演讲者:如果我向你们两个提出挑战,你们如何在不打破鸡蛋的情况下找出里面的东西?你会怎么做?

阿米莉亚-也许摇一摇,看看里面是什么?

威尔-也许摇一摇?

詹姆斯-她很好。

威尔-她很好。所以如果你把这个蛋摇在这里…<沉默>。什么都没有。然而,如果你在这里摇这个蛋

阿米莉亚-
它不是空的。

威尔-这不是空的。因此,我们是否可以假设,通过振动这个“鸡蛋地球”,你可以找到中间不同密度的位置?你可以找出是什么构成了这个“蛋地球”的中心?

阿米莉亚-有可能。是的。

詹姆斯-是的。似乎是可信的。

威尔-貌似有理。你觉得我说对了吗?

詹姆斯-是的。谁能告诉我们更多?

Will -很高兴你问了<笑>。

我们称之为部分成功,但很明显,你只能用巧克力蛋来解释这么多。于是我又问了詹姆斯·杰克逊一个问题,我们怎么能对地球的中心知道这么多?

詹姆斯-我们怎么可能知道?因为你不能下去。我们是通过观察声音来知道的,声音是如何在地球上传播的。所以我们不能到达地心,但是声音可以,这是你们所熟悉的。你总能看到一些照片,母亲们去医院接受超声波扫描,检查腹中的婴儿。这是通过把声音传送到身体里然后声音被物体反射回来。它绕着物体运动,你观察它是如何穿过身体内部的,这样你就能准确地构造出身体内部的结构。这和我们用来观察地球内部的技术完全相同。事实上,地质学家很早以前就发现了这一点因为地质学家在1920年就发现了这一切,这比任何人想到用它来观察人体内部要早得多。但科学原理是完全一样的。

威尔:在整个地球和人类婴儿的大小之间有一个轻微的差异。所涉及的振动有多大?

詹姆斯:所以,如果你在观察人体内部,你处于一个很好的位置,因为你可以用麦克风完全覆盖身体。你可以有小声源,不停地响。你可以完全控制声源和接收器的位置。我们无法控制地球上的麦克风。我们使用的声源是地震,自然地震。因此,一场相当规模的地震会让地球上的所有地方都能感受到声音。你可以很容易地把它记录在另一边。当然,你的传感器,你的接收器是一种叫做地震仪的仪器,这是一种聪明的说法,它是一个麦克风,可以接收到地球上的振动。当然它们都在陆地上,因为那是我们生活的地方。它们在海底的数量很少。 And furthermore, the earthquakes are only in special places. The earthquakes are not everywhere, they're on the edges of these plates. And so we are much less in control of what's going on. We don't have earthquakes everywhere we would like them, and we don't have receivers everywhere we would like them. But we do have a lot of them and we do the best we can. But it means that we know some places in better detail than other places. That's all.

威尔-那这是怎么回事?振动会穿过地球吗?在人口密度不同的地区,他们会被耽搁吗?

詹姆斯:是的。它们运动的速度取决于物质的密度,所以这让你对发生了什么有了一些了解。但材料的密度也取决于它的温度。所以在温度高的地方,它们运动得慢,在温度低的地方,它们运动得快。因此,我们还可以使用其他技巧来准确地了解地球内部的变化。

当振动通过不同密度的区域时,这些不同材料之间的延迟有多大,你才能得出“啊,这是聚合物A还是物质B”?

詹姆斯:例如,声音从这里传到世界的另一边大约需要18分钟。所以如果英国发生地震,地震传到新西兰需要18分钟。你看到的平均延迟是正负的,比如说10秒。那种延迟。很容易发现,‘哦,它比它应该来的早一点,或者比它应该来的晚一点。这是因为它在路上经历了一些不同的事情。”这可能看起来不多,但实际上是很多。如果地球上有成千上万条不同的路径在不同的地震和不同的接收器之间,你就可以把它们放在一起,在三维空间里看到它在哪里,是什么导致了延迟或加速。

行星核心的示意图

16:10 -地核正在减速吗?

地核似乎正在减速,甚至是逆转。我们应该担心吗?

地核是否在减速?
约翰·维达尔,南加州大学

利用振动来绘制地球内部地图的想法不仅有助于发现地球的结构,还有助于观察地球结构何时发生变化。最近的一则新闻中出现了一个令人震惊的说法,即地核,即由铁组成的部分,其磁场有助于保护我们免受太阳耀斑的影响,可能正在减速甚至逆转。那我们有危险吗?我采访了南加州大学的约翰·维达尔。

约翰-我们知道内核发生了变化。一般来说,它的运动和它上面的地幔不同,只是稍微不同。它的移动速度可能比上面的地幔快或慢10千米。它能移动是因为它周围的外核是液体,不能固定住它。但他们对它运动的模式有不同的看法。这篇最新的论文认为它以70年为周期振荡它之前比地球的其他部分运行得快一些,现在它改变了速度,它开始变得慢一些每70年振荡一次。

Will -一个巨大的铁水球怎么能相对于地球的其他部分慢下来呢?

约翰-地球?好吧,再一次,有几个想法。一种是外核拖着它。下面有很强的磁性。外核是液态铁,内核大部分是固态铁。所以磁力线连接着内外核。

威尔-因此,最大的问题是,我们应该担心吗?

约翰-是的,没有理由担心,除非我们不了解下面的过程,我们想在完全放松之前知道它们是什么。但我没有听到任何让我失眠的解释。

威尔:这对我们每天注意到的东西有影响吗?

约翰-我想说绝大多数的可能性是否定的。我的意思是,可以想象,下面的东西可能是某种不稳定的迹象,但这是不太可能的。如果内核每年加速1度或减慢速度,在这里就不可能注意到。我们可以测量的一件事是它会影响一天的长度。人们认为,内核移动的一个迹象是,随着时间的推移,一天的长度会变短,变长十分之一毫秒。但它太小了,很难注意到,除非是最好的时钟。

威尔-是的。所以这对原子钟来说是个问题,但对我们其他人来说可能不是。

约翰-没错。

我敢肯定,作为一名地震学家,你已经对电影中对地震的错误描述感到恶心死了,比如一个主角被地震追到了街上。但也有电影里,地核的中心停止了,我们必须挖到地核里,用核武器重新开始。你是说这不是个问题,而且我们根本不可能下去吗?

约翰:是啊,首先,要深入地下几英里是很难的。另一方面,如果这个过程停止了,就必须有什么东西让它停止。这已经超出了我们的能力范围。谁知道如果性交停止,在磁场中外核会发生什么。所以,是的,这是完全难以置信的,但它很有趣。我想我们看的很多电影都有现实生活中永远不会发生的事情,所以我们能做的就是笑。

那么这种情况发生的频率是多少呢?

约翰:嗯,这可能会一直发生,这只是一个渐进的练习。我喜欢的一个想法是,它每6年振荡一次,而不是每70年。我们研究了几种证据,有些指向一个方向,有些指向另一个方向。还有另一种理论认为它在2001年左右移动了大约半度,除此之外,它已经固定在了某个地方。那一年外核的底部发生了一些戏剧性的事情,但其他时间都很平静。所以我们不太了解这个模式。这是我们目前正在讨论的,但这篇最新的论文非常好。70年振荡的论点确实有很多数据支持。

威尔:我们怎么知道这个变慢的核心反转正在发生?

事实上,这个月论文的作者早在1996年就写过一篇论文,他们可以看到信号的变化。他们每隔几年发生一次地震,而这两次地震的信号是不同的。从那以后,我们一直在争论是什么变化模式解释了这一点。地震波以十分之一秒或十分之二秒的速度传入,与几年前不同。

威尔:所以我们用地震的震动来测量地心是由什么组成的。

约翰-没错。地震,我也用了成对的核试验。核试验是非常强大的信号,可以照亮原本很难看到的东西。

威尔:有没有什么实验可以让公众在不靠近地震或核目的地的情况下尝试和理解这个过程?

约翰:不,这需要非常非常精确的时间和罕见的情况。我们在很多研究中都关注5级地震,它们只在地球上的几个地方重复。最好的仪器是仪器阵列。所以如果公众要这么做的话,将需要用20或50台仪器进行数十年的实验。这不是一个有趣的爱好。

一个锆石

21:39 -矿物揭示了年轻地球的化学成分

一种被称为“锆石”的矿物可以揭示地球上最初形成生命的条件

矿物揭示了年轻地球的化学成分
达斯汀·崔瑞,罗切斯特大学

移动我们脚下的土地所涉及的力量是巨大的,往往是非常具有破坏性的。构造力对地球的破坏会带来不同寻常的问题。如果你想回顾几十亿年前的历史去发现生命诞生之初地球的化学条件,你该怎么做呢,因为很有可能你想研究的土地已经被破坏了。这就是Dustin Trail和他在纽约罗切斯特大学的团队所面临的挑战,直到他们发现了一种非常特殊、非常耐久的矿物,叫做“锆石”。

达斯汀-我们不知道地球上的生命是如何开始的,尽管我们的星球基本上就在我们的脚下。这个问题之所以如此棘手,部分原因是我们生活在这个充满活力的星球上。所以岩石是在板块构造边界形成和毁灭的。你可以想象,如果你想象一颗已经活跃了45亿年的行星,那么可用的资源,无论是岩石还是矿物,都会变得越来越有限,我们越往回走。所以我们必须想办法把自己送回数十亿年前。这是这项工作的主要目标之一。早在19世纪70年代早期,查尔斯·达尔文就在给同时代的约瑟夫·胡克的一封信中提到,一个温暖的小池塘里可能出现了一些类似生命的东西。因此,在某些方面,这是我们作为这项工作的一部分正在研究的。那个温暖的小池塘是什么样子的?

威尔:听起来很不幸,大地构造学阻碍了这项研究。

达斯汀:没错。构造运动既创造又破坏岩石。所以我们首先需要的是一种非常耐用的矿物质。事实证明我们有这样一种矿物质。锆石,是一种硅酸锆。它是一种物理上和化学上都很耐用的矿物。所以它经得起时间的考验。它还有一些其他的关键属性。它的结构中含有放射性铀。因此,当锆石从高温流体或岩浆中结晶时,它含有铀,铀会衰变为铅。 And so by measuring uranium and lead within the crystal, we can obtain an absolute age, and that's an important component if we want to connect the age with chemistry. And so the zircons that we were interested in studying as part of this study approach 4 billion years old.

是什么让锆石如此耐用,能存活这么久?

达斯汀:有两种方法来考虑这个问题。所以锆石是一种非常坚硬的矿物,这使得它在物理上很耐用。因此,它能够被风和水运输而不会发生物理破坏。第二部分是它的化学耐久性。一旦锆石形成并从形成之时就锁定了它的化学成分,任何后来的变质事件,或者在某些情况下,岩浆与锆石相互作用,在大多数情况下都不会改变它原来的化学成分。

当这些锆石形成时,它们是否创造了地球化学的某种快照?

达斯汀:完全正确。重要的是要记住,仅仅是矿物本身的存在并不能诊断出特定的岩石类型或构造环境。锆石结构中的化学成分和微量成分为我们提供了线索,让我们知道它的形成环境可能是什么样的。所以这有点像破译化学,用化学来讲述40亿年前我们星球的物理和化学状况。

威尔-所以它之于化学家就像琥珀之于生物学家一样?

达斯汀:完全正确。这是一种非凡的矿物,从形成之初就保存着化学成分。

威尔-那么这么久以前的化石告诉了你什么关于地球化学的信息?

达斯汀-它们告诉了我们很多关于地球最初5亿年的事情。例如,他们告诉我们,早在43亿年前,地球上就可能存在水岩相互作用,包括改变先前存在的岩石形成沉积物。他们还告诉我们,当时从地球喷出的火山排放物主要是二氧化碳、水和氮,实际上与今天非常相似,而不是甲烷或氨。所以它们已经为我们提供了当时地球表面是什么样子的线索。

威尔:那么你觉得生命开始形成的可能性有多大呢?

达斯汀:嗯,我当然是个乐观主义者。例如,我们知道输出是什么。我们知道生命起源于我们的星球。我们在纠结输入是什么。我们不知道十亿年前地球的环境是怎样的。所以这就是我们研究的目的我们能否更好地限制输入从而产生惊人的输出,地球上的生命?

如果这些锆石能帮助我们了解地球上生命起源的化学途径,那么它是否也能帮助我们在其他星球上找到生命呢?

达斯汀:我认为我们正处于一个神奇的时刻,人类正在寻找其他星球上的生命,但我们仍然不知道生命是如何或何时在我们自己的星球上开始的。我认为这项工作将在寻找地外生命的过程中发挥重要作用。

威尔-那真是个了不起的时间胶囊。

达斯汀:没错。

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