地球和空間科學是自然科學重要的分支領域。人們對于自然現(xiàn)象的觀察構成了自然科學發(fā)展的關鍵基礎，地球和空間中產生的豐富的自然現(xiàn)象為自然科學提供了無盡的題材與靈感，現(xiàn)代自然科學即肇始于哥白尼、伽利略、牛頓等科學大師對于地球與行星運行的研究。地球和空間科學研究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、災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、中國科學院、國家自然科學基金委員會等國家部委的學科布局中，地球和空間科學都占據(jù)十分重要的地位。

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

習近平總書記指出，“科技創(chuàng)新、科學普及是實現(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。為了推進科學普及，幫助本科生和中學生了解地球和空間科學的概貌，也為了促進地球和空間科學后備人才的培養(yǎng)，我們積極響應學校號召，約請了中國科學技術大學地球和空間科學學院十余名優(yōu)秀的中青年專家學者，共同編寫了《地球和空間科學第一課》。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領域的一個重要問題展開論述，在介紹科學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方。在這一廣闊天地，有志于科學技術研究的年輕學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，乘風破浪。

倪懷瑋 陳伊翔

于中國科大地球和空間科學前沿研究中心

地球和空間科學第一課

倪懷瑋, 陳伊翔主編

北京 : 科學出版社, 2025. 11

（中國科學技術大學本科“十四五”規(guī)劃教材）

（科學第一課叢書 / 包信和, 常進主編）

ISBN 978-7-03-083013-5

本書作者為中國科學技術大學地球和空間科學學院的10 余位知名專家學者，他們都活躍在地球和空間科學學科的教學和科研一線。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重要領域的基礎知識、前沿進展和發(fā)展態(tài)勢，內容覆蓋了地質學、地球化學、行星科學、地球物理學、空間物理學、大氣科學、環(huán)境科學等多個分支領域，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生和高年級中學生閱讀，可幫助其初步了解地球和空間科學的主要內容，培養(yǎng)其探究地球乃至太陽系形成演化奧秘的興趣。本書也可作為大學教師的教學研究參考書。本文節(jié)選第三章中“二、我們怎么知道地球內部有什么”以饗讀者。

我們怎么知道地球內部有什么

地球和空間科學第一課

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

首先，使用人造衛(wèi)星進行空間大地測量能夠準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部結構的直接反映。當內部存在物質異常時，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)場進行精密測量，可以有效地幫助人們揭示地球內部的狀態(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于凈損失10? km3 的水，相當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，與地球內部的運行密切相關。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張速率，如東太平洋海隆擴張速率為每年6～16 cm。這些監(jiān)測獲得的現(xiàn)今數(shù)據(jù)與通過地質證據(jù)推測出的地質時間尺度內古板塊運動速率及洋中脊擴張速率相當（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）

認識地球內部的另一個重要方式是采用金剛石對頂砧技術模擬地球內部的高溫高壓環(huán)境，以了解地球內部各種礦物巖石的物理性質。當將兩塊金剛石的尖端對頂?shù)揭黄鸩⑹┮詨毫r，可以產生接近地球內部的高壓環(huán)境。同時，輔助以激光加熱技術，我們就可以在實驗室中產生地球內部高達數(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，地球內部的礦物和巖石的物理性質和演化規(guī)律，而不用直接進入地球深部。使用這種技術，可以測量礦物和巖石在高溫高壓條件下的密度、黏度、熱導率、聲波速度等性質。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）的熱導率展開了系列金剛石對頂砧實驗（Basu et al., 2020），這一物理量對于認識地核的熱演化及地磁場的產生與發(fā)展至關重要。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實現(xiàn)地幔底部高達四千多攝氏度的溫度與122～166 GPa 的壓強，在這一條件下研究橄欖石地幔物質的性質，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部示意圖

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

認識地球內部還可以通過地震波技術進行成像。大家體檢時，醫(yī)學CT 可以通過發(fā)射射線穿過人體的方式對人體結構進行成像。類似的，當?shù)厍騼炔堪l(fā)生地震時，會產生各種地震波信號，這些信號穿過整個地球內部，到達地表被設置好的地震臺站所接收，地球科學家們可以通過分析這些地震波信號，對地球的內部結構進行高精度成像，可以說是“給地球做個CT”。1897 年，埃米爾·維歇特針對地震波進行理論計算并發(fā)現(xiàn)地球內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，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核?，F(xiàn)今地震學的發(fā)展使得我們對地球內部的認識更加精細，可以根據(jù)地震數(shù)據(jù)分析的結果了解俯沖板片在地球內部的形態(tài)、地幔流場導致的各向異性等。

包含地幔橄欖巖捕虜體的玄武巖

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

收集來自地球內部的巖石樣品也是認識地球內部的重要方式。伴隨地球內部的運動過程，來自地球深處的巖石可能被運移到接近地表的位置，進而通過火山噴發(fā)和構造運動等形式被帶到地表。地球科學家們通過對這些巖石樣品進行采樣，并進行一系列分析特別是化學成分的定量分析，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上升到地球表面的速度非?？欤瑳]有足夠時間調整到地表的低壓、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。由于金剛石具有高強度，并且?guī)缀醪慌c周圍地幔及包裹物質發(fā)生反應，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的完整，因此可以通過分析金剛石包裹體的性質了解地球內部的情況。

此外，我們還可以通過計算機模擬的方式來研究地球內部的狀態(tài)和運行規(guī)律。地球內部的運行必然遵循基本的物質守恒方程，如質量、動量和能量守恒方程等。通過在計算機中構建這些方程，再輔以地表得到的各種觀測數(shù)據(jù)，地球科學家們能夠使用超級計算機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，甚至可以對地球將來的運行狀態(tài)作出合理的預測。根據(jù)地質證據(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模擬將這一現(xiàn)象與地球內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，預計將在大約2.5 億年后形成（Davies et al., 2018）。計算機模擬還可以為地球深部物質的來源提供解釋，如對于地震學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《地球和空間科學第一課》（倪懷瑋, 陳伊翔主編. 北京 : 科學出版社, 2025. 11）一書 “前言”“第三章 地球內部揭秘：從地心到地表”，有刪減修改，標題為編者所加。

（中國科學技術大學本科“十四五”規(guī)劃教材）

（科學第一課叢書 / 包信和, 常進主編）

ISBN 978-7-03-083013-5

審圖號：GS(2025)5008 號

責任編輯：蔣 芳 沈 旭 李佳琴

本書作者為中國科學技術大學地球和空間科學學院的10 余位知名專家學者，他們都活躍在地球和空間科學學科的教學和科研一線。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重要領域的基礎知識、前沿進展和發(fā)展態(tài)勢，內容覆蓋了地質學、地球化學、行星科學、地球物理學、空間物理學、大氣科學、環(huán)境科學等多個分支領域，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生和高年級中學生閱讀，可幫助其初步了解地球和空間科學的主要內容，培養(yǎng)其探究地球乃至太陽系形成演化奧秘的興趣。本書也可作為大學教師的教學研究參考書。

（本文編輯：劉四旦）

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