地球深處的故事

地表的巖漿海洋需要上千萬年才能冷卻。地表首先凝固，產生了一塊塊堅固的外殼，這就是最初的大陸，它們漂浮在巖漿上，隨巖漿流動而流動。下層的巖漿也開始冷卻凝固，形成了（大部分）固態的地幔巖石，而整個地幔仍在緩慢地流動。

巖漿的流動形成了如今的海陸分布，而直至今日，地幔依然通過板塊構造驅動著大陸移動——這是太陽系中獨一無二的陸地運動模式。軟流層中上涌的地幔物質擴散開來，形成了地表的洋殼；之后，它們慢慢沉降，回落到更深處，下沉的物質反過來又驅動地幔對流。隨著地表冷卻，降雨開始了。雨水一部分來自地球內部的火山排氣，另一部分則來自諸多富含冰的彗星造訪，它們匯集成地球上最早的海洋。

構成未來我們能撿到的鵝卵石的原子，此刻就藏在這些地下巖流的某處。當時的巖流速度比現在更快（也許是現在的兩倍），溫度也更高。古老地球深處的溫度更高，一方面是因為它的天然放射性更高，另一方面是因為忒伊亞星撞擊產生的余熱未消。我們可以從一些火山巖中找到這方面的證據：有一種熔巖叫科馬提巖，它比如今的熔巖密度更大，鐵和鎂的含量也更豐富，這表明它形成時的溫度更高。根據現存的最古老的地殼巖石殘片可以判斷，當時板塊構造的基本運動模式與我們今天看到的模式大致相似。

鵝卵石原子當時大多在地下數百或數千千米深處，介于地殼表面和地核表面之間。它們在地幔巖石的礦物質中循環流動，等待大約30億年后被釋放出來。地幔大部分是固態的巖石，但它若是承受了足夠大的持續壓力，就會像今天的冰川中同樣堅硬的冰晶一樣緩慢流動。冰川受到的壓力是重力，運動方向是向下的；地幔巖石受到的壓力則首先來自放射性產生的熱量，越深的地方熱量越多，這些熱量會讓巖石的密度降低，使其向地表上升，尤其是在地幔與溫度更高的地核接觸的地方。而當緩慢噴涌的巖石上升到足夠高的位置，冷卻并變得更加致密時，重力就會起作用，巖石物質在自身重量的作用下開始向地核回落。這樣一個上升和下降的循環需要數億年的時間。早在恐龍統治地球時，現在靠近地殼的部分地幔就已經開始了其上升之旅。

在堅固的地球內部有一些捷徑，好比巖石的“高速公路”，它們被稱為地幔柱，是溫度更高、速度更快的上涌巖石噴流，高達幾百千米，直徑有一兩百千米。其中一處地幔柱約在6 000萬年前首次到達地幔表面，目前仍在抬升冰島下方的地殼（當然也包括冰島本身），使其比原來高出約3千米。另一處地幔柱位于夏威夷冒納羅亞火山下方，它提供的額外熱量產生了熔巖，這些熔巖涌向地表，使冒納羅亞火山在短短的幾百萬年里成為地球上最大的火山（以火山口頂到海底的山基的大小計，也是最大的山峰）。

自固態地球最初形成以來，未來形成鵝卵石的原子就已經在礦物中緊密結合在一起了：特定的礦物反映出原子排列的規律，這不僅符合各種元素的化學親和性（例如，硅酸鹽礦物中帶正電荷的硅和鋁與帶負電荷的氧結合在一起），也適應地表以下數千千米深處的條件，包括高溫（目前溫度在1 000～4 000攝氏度，從前溫度更高）、高壓（相當于數千個大氣壓）等，這些都導致地幔礦物的原子緊密堆積。

如今，我們可以在實驗室里短暫地模擬地下深處的條件，制造出極少量的類地幔礦物。為了做到這一點，地質學家將一撮地表礦物放在微小（但非常有力）的金剛石壓砧上，將它加熱到適當的溫度，再用壓砧用力擠壓。我們可以用X射線照射它們，觀察出現的圖案，來見證在這樣的溫度與壓強下礦物顆粒發生了什么改變。圖案反映的不是這些顆粒的外部形狀，而是內部的原子排列。為了使實驗更加真實，這些顆粒必須與地幔的化學成分類似——富含鐵和鎂，而硅和鋁含量較少。

當原子的框架被壓縮得更緊密時，新的礦物就會出現，往往伴隨著明顯的“砰”的響聲。在深約1 000千米的位置甚至更深處出現的礦物都有著陌生的名字，比如鈣鈦礦（更深處還有后鈣鈦礦）、林伍德石和鐵方鎂石等。偶爾也有我們熟悉的礦物，比如碳在高壓狀態下會形成籠狀的框架結構，也就是備受追捧的鉆石。

就這樣，鵝卵石原子被束縛在這些高壓框架結構中長達30億年，僅以每年幾厘米的速度緩慢移動。我們并不清楚地幔流的具體形式。畢竟，目前的科技水平無法讓我們直接進入地幔，觀察它可能的運動方式。我們的知識來源于從壓砧實驗中收集到的信息，來源于跟蹤地震波在地球上的傳播過程，來源于觀察火山零星噴出的地幔巖塊。地震波數據清楚地表明，如今的地幔主要由兩個部分——下地幔和上地幔組成，它們密度不同。它們之間的邊界可能代表著一種“相變”，將適應不同壓力和溫度環境的礦物分離。然而，還有一些問題存在爭議，比方說，如今的巖流是否可以隨意穿越這一邊界？還是說有兩個獨立的巖流系統，只是兩者之間存在互通之處？

如果在前寒武紀時期，地幔是這樣運作的，那么這些鵝卵石原子在每隔幾億年的上升或者下降過程中，早就該重新調整自己，變成不同的礦物結構了；它們或許還會和相鄰的礦物產生一系列連鎖反應，從而產生足以撼動地球表面的強烈地震波。

在地幔的深度，溫度約為幾千攝氏度。這個溫度如果放在地表，已經足以熔化所有這些礦物了；但在地幔中礦物大多保持固態，這是因為在這樣的深度條件下，壓力也是巨大的。在不斷深入地球內部的過程中，壓力將持續增加，這些礦物在整個地幔中基本保持固態，只有少數一些例外，我們稍后會討論。直至地幔底部，也就是地幔與地核的邊界處（溫度約4 000攝氏度），巨大的變化發生了：這里突然變成了致密的液態（我們在地表也可以探測到這一點，因為它能阻擋某些類型的地震波），礦物成分是熔融狀態的鐵與鎳；溫度也在急劇上升。地幔中的硅酸鹽巖就像一個巨大的保溫瓶內膽，包圍著這滾燙的金屬地核。

地幔某些部分的溫度之高也足以打破壓力賦予礦物的穩定狀態。原子快速振動，進而打破原子間的化學鍵，讓固態礦物熔化了。也不是所有的礦物都會熔化，那些化學鍵較容易被打破，或者說熔點較低的礦物才會如此。地表之下，巖漿池形成了，它的密度往往會低于周圍沒有熔化的巖石，硅含量較高而鐵、鎂含量較低。所以，當這些巖漿能找到一條上升通路時，它們就會溢流到地表。