地球内部结构是怎样的？

地震学（即研究地震及其有关现象的科学）建立之前，人们对地球内部的深度几乎一无所知。理查德·奥尔德罕姆（1858～1936）是这一新学科的先行者之一，他指出：“不同时期里提出过许多有关地球的理论，地球的中心被认为是火热的、流动的固态，又是气态的物质，最后，地质学家绝望之余绕过这一课题，转而把自己的注意力局限于地球的外壳，而把地心当作游戏场让数学家去玩弄。”

地震和爆炸从地球内发出冲击波——从某种意义来说，就像钟，因而发出声音来。冲击波也可以叫作声波，因为它们与声波类似，通常都称它们是地震波。地震波所经过的路径告诉我们一些有关岩石的信息，而岩石则是它们传播的媒介。事实上，如果说X射线让我们看清人体内部结构，那么地震波也揭示了地球内部的结构。

地震学的概念大约是1880年出现的，地点是东京。一批英国和日本科学家聚集到一起，成立了一座新建的大学的一个系。其中就有约翰·米尔恩（1850～1913），也就是著名的“地震学之父”。米尔恩和他的同事首先想到的是：地震信号有什么意义？他们意识到，记录下一定时间内的一系列地震波，并设计出一些仪器测量和记录地面晃动的强度是很有价值的。这门新学科的酝酿期很短，在20世纪前10年，地震学即成为一门新学科。这归功于作为测量和记录工具的高灵敏度的地震仪的不断发展和广泛应用。

早期曾有人做过观察，发现在地震源附近，地面晃动的时间一般只持续数秒，然而在远离震源的地震观察站，地动的强度虽然低些，但持续的时间却要更久。就像闪电会产生一阵时间长而声音低沉的隆隆雷声，地震波经过地球也会生成长时间的“波列”。米尔恩通过这一观察提出了自己的看法。他认为全地球一定都能“听见”地震。不久他与同事开始思考：这些波列中可能就包含有地球内部结构的信息。

如前所述，印度地质探测院的院长奥尔德罕姆是这一领域的先行者。他指出，震波图（某一特定地区震动的记录）由不同类型的叠加波列构成。地震波经过岩石，其速度取决于岩石的密度、硬度和压缩率。地震波有两种主要类型：体内波和表面波。体内波不但会从不同密度岩层之间的分界面反射出来，也会在通过分界面时折射，或改变方向。因而一个波经过地球的路径，既取决于所遇到的岩层的数量，又取决于岩石的密度。体内波有两大类型：P波和S波。P波源自拉丁文Prima（第一的），因为P波是第一个到达的；S波源自拉丁文Secunda（第二的），它们是第二个到达的。P波是压缩波，经过时使岩石压缩和膨胀。其作用就像会翻跟头下阶梯的玩具“机灵鬼”，当里面的几个压缩后的弹簧被放开，“机灵鬼”拉长，压缩波就沿着弹簧传送出去。S波是剪切波，经过岩石时，横向传递。P波的传播速度平均是S波的两倍，所以根据P波和S波到达特定点的时间的差异可以确定从该点到震中（震源点正上方表面上的点）的距离。米尔恩指出，通过三个观察站，就可以确定震中的位置。P波和S波另一个不同之处就在于P波既能在固体也能在液体中传播，而S波则不能在液体中传播。

1906年，奥尔德罕姆推导出存在一个半径为地球半径0.4倍的地核。8年后，贝诺·谷登堡（1899～1960）更精确地确定其深度是2900千米。与此同时，安德里加·莫霍洛维契奇发现了莫霍面（莫霍不连续面）。1915年，人们通过地震波揭示了地球的总结构：薄的外壳、中央的核和它们之间的地幔。地震学家也发现，不管是什么位置，只要两点距震中距离相等，P波到达地球表面这两点的时间相同。这一简单却很重要的观点说明地球是球形对称的，换言之，地层呈同心圆状分布，在一定深度没有大的横向变差。现在一些灵敏度高的仪器显示，该横向变差很小。

地核

地核的密度差不多是其上层地幔的2倍，占地球质量的32%。1891年，德国物理学家埃米尔·韦切特（1861～1928）通过计算，推测存在一个高密度的大地核。从对陨石的研究推测，地球有一个类似铁陨石结构的地核，地核周围是一个近似岩石陨石的硅酸盐壳体，此外，其北磁极缓慢向西漂移。大约在200年前，观察者认为存在一个液态金属核。这一假设当然是在没有实际观察到地球内部的情况下得出的，所以这只能算是建立地震学的准备阶段。

1906年，奥尔德罕姆“发现”地核是建立在分析地震数据的基础上的。他发现，地震观察站所记录的与震中相对的地球一侧的P波到达的时间比预期的要迟，他推测这是因为地球中心存在一种低速的物质。他同时发现，从一特定的地点传出的信号取决于地震观察台站之间的相对位置。原来在距震中角距约为103°的台站里，P波和S波通过地幔的速度随深度逐步提高。但是，在103°～142°之间，都没有测到P波和S波，形成了“阴影区”。从142°～180°，延迟的P波出现了，但是S波没有来。这表明，一定存在一个不连续面，在不连续面中，P波速度急剧减慢，也不存在S波。之所以不存在S波有这样一种解释：因为地核呈熔融状，不过这种观点一直不为人所全部接受。

随着1936年发现固态内核，固态地幔下熔融地核图的画法发生了变化。这是由丹麦地震学家英奇·莱曼（1888～1993）发现的。莱曼研究了1929年新西兰发生的一次大地震的记录。她把注意力集中到阴影区的弱P波，意识到P波其实比它们该到的时间要快。P波必须在地核增大速度才有可能这样快到达，这表明存在一个把低速的外核与一个高速的内核隔开来的界面。莱曼活到104岁去世，她的研究工作非常出色，正如她所自称的，是“丹麦唯一的地震学家”。

有好几种证据表明，地核不仅是纯铁，而且也含有8%的镍。首先，总的来说，地核与铁陨石的成分相同。由于铁陨石是早期行星体核的残存物，甚至有人声称它们差不多就是地核的结构；其次，地幔岩石里的铁和镍的比例表明，地核中也存在镍；再次，地震波通过地核的速度与铁-镍成分是吻合的。

但是有个问题——地核的密度大约是10%，这样的密度太低了，不能只形成铁和镍，必然还存在其他一种或更多的轻元素。到底是什么轻元素尚无定论，但是普遍认为很可能是氧和硫。氧可能与大气中的铁在地核压力下化合成合金，是硅酸盐体的地球的主要组成部分。说到硫，虽然它是构成太阳系行星的主要成分，但地幔中的硫比人们预料的要少。硫存在于铁陨石中，也与铁和镍形成合金。还有可能存在其他元素，特别是碳、氢、硅和镁。当我们在实验室里，在地核温度和压力下做精确的实验，确定含有这些元素的铁熔化物的密度时，这个时候我们才谈得上考虑其可能性。

地核厚达2260千米，是地球内部最大的岩浆囊，不过与我们通常所认为的岩浆大相径庭。岩浆在不停地激烈对流，把热量从内核传到外核，外核的一些热量消失在上层地幔，表明地核在变凉，这时候内核可能随着上层岩浆固化而慢慢增大。也许早期地球的地核全部是熔融状的，后来内核由此而固化而来，不然的话，也可能是固态的内核始终存在，只是经过长时间变得大起来而已。

磁场

很久以前，人们就熟知天然磁石（磁性磁铁矿能吸小块铁，天然磁石的指向性能是中国人在公元1世纪时发现的。16世纪是航海业的黄金时代，罗盘的重要作用大大推动了人们去研究磁力。后来，威廉·吉尔伯特爵士（1544～1603）第一个撰写科学论文《磁铁》，专门论述了这一课题，并于1600年出版。吉尔伯特是伊丽莎白一世的医生，他指出，天然磁石的磁场与地球的磁场非常相似。他提出假设：地球本身就是一个大磁铁。他是第一个把磁力与地球联系起来的科学家。

可以设想地球磁场（地磁场）处于地球中心的一个磁棒周围。地球接近于是个偶极子，就像条形磁铁一样，它有南北两个磁极。我们可以把磁场看作是两条假想的力线。这两条力线受一个罗盘指针准线方向的制约，形成了从一根条形磁铁到另一根条形磁铁的封闭环。在磁场图中，这两条力线的紧密度就代表了任一位置的磁场强度。南北两极附近的地磁场最强，可以从这些地区磁力线的会聚看出这一事实。磁场穿过整个地球内部，延伸至太空，覆盖了我们这一行星，保护地球不受太阳辐射的损害，因而地磁场对我们这一行星处于适合居住的状态有很大贡献。

地磁场的偶极子这一特性是地球运转对液态外核流的影响的结果。外核流的模式促使两磁极几乎与地磁极相一致。北面的磁极在1996年是79.0° N，105.1° W，而南面的磁极是64.7° S，138.6° E，所以地磁轴相对于地球运转轴是倾斜的。但是地磁场并非是绝对的偶极子，因为地核的流动是复杂而变化着的。地核的流动引起磁极“漫游”，地磁场在任一位置的强度和方向慢慢发生变化。地球的总磁场是几个不同磁场之和。地磁场出现短暂的变化是因为磁层和电离层里的电流波动，而不同地方磁场有所不同是因为低层岩石的磁性不同。但是地核的活动性所起的作用超过地磁场的90%。

让我们详细看看地球外的磁场的情况。大气层之外，磁场与太阳风相互作用。太阳风是一种持续不断的高能流和带电粒子流（主要是质子和电子），带电粒子流来自太阳。太阳风使地磁场局限在一个叫作磁层的地区，使这个地区具有特别的形状。在地球朝太阳的一面，地磁场减慢太阳风，在大约6万～10万千米之外生成一个“弧形激波”，起着部分防卫有害的辐射作用（大气层防止了大部分其余的辐射）。在地球背向太阳的一面，太阳风使磁层变为长尾状。一些带电的粒子被地磁场阻止在被称为“范艾伦辐射带”的地区。太阳黑子活动引起太阳风的波动。太阳风的爆发改变了磁层形状，引发了“磁暴”。通常，这会引起“范艾伦辐射带”上的带电粒子穿过上层大气，在那里与大气里的分子相互作用，促成了极光显现。特别严重的磁暴会破坏通信。

吉尔伯特认为，磁场源自地球中心的一个永磁体。这个观点盛行一时，到了20世纪，人们认为这一观点的第一个缺陷是：热破坏磁性。当温度超过一个“居里点”（以比埃尔·居里的名字命名）的值时，带磁的物体就失去磁性。不同矿石的“居里点”各不相同。重要的矿石磁铁矿的“居里点”是580℃，在深达20～30千米的地方就可达到这个温度。由于地核的温度可能超过3000℃，可以肯定地说，地磁场不是个条形永磁体。

有关永磁体观点的第二个漏洞是地磁场在变化。世界各地的磁偏角（水平方向）、磁倾角（垂直方向）和强度是不同的。长时间的变化称为长期变化，这种变化是在我们能观察到、测量出的时间段内发生的。例如，伦敦的磁偏角从1580年的11°E变为1819年的24° W，240年中改变了差不多36°，即每年0.15。看起来这只是一种渐进式的变化，但是在研究固态地球的学者看来，这种变化速度却是很危险的。地磁场也在变，变得更加可怕：两极实际上不时在翻个儿——北磁极变成了南磁极，南磁极成了北磁极。在过去的500万年中，这种现象已出现过25次以上了。

地核中的对流和地磁场的起源

如果说地球并不是条形永磁体，那么地磁场是从哪里来的？形成磁场的一个方法是用电流，发电厂里的发电机通过旋转磁场中用蒸汽或水带动的一个导电体来发电，地核里的情况也是如此。20世纪50年代出现一种理论认为，地核是一台“自励型发电机”，并产生自己的磁场。通过磁场线的熔融导电，外核的流动产生电流，形成一个磁场，因而产生更多的电流和更强的磁场。对流传热促使地核流动，外核的热量到了上层地幔而消失，于是，较冷而密度更大的区域下沉，而更热、密度较小的区域上升。此外，地球运转为对流循环增加了一个运动，这就是为什么转动极和磁极差不多相符的原因。地核的导电性和对流循环的速率及模式决定了地磁场的强度。这一模式的引人注目之处，就在于它解释了延续几世纪的种种不同的说法，这种种说法可理解成正是这些运动的反映。但是简单的自励型发电机不能解释两极倒转的原因。

我们怎么知道两极倒转了呢？火山岩和某些水下沉积物显示了这一过程，并保存了这些倒转的记录。当熔岩经过“居里点”而冷却时，获得残余的磁化，也可以说是岩石“记录了”磁化。这是因为岩石中的磁矿石颗粒（最常见的是磁铁矿）自动指向东，与地磁场方向平行。当磁性沉积物颗粒在海底集聚和在沉积堆中重组过程中自动指向东，水下沉积物便发生原生磁化。古磁学记录给予处于未成熟阶段的板块结构理论关键性的支持，因为磁化岩石的指向性经过一定时间可追踪到大陆漂移，因而也追踪洋底的演化情况。

到了20世纪60年代，磁体倒转的记录仍然是个谜，那时候地球化学家已经发明了钾-铔测年法。这一方法对测定较晚的火山岩（不到500万年）特别有用，而用其他方法就不太合适。由于地质学家测量了越来越多的岩石磁极性和年代，他们开始意识到，不管这些岩石处于什么位置，同一年代的岩石始终具有相同的磁极性。所以地质学家就有可能确定一个地磁极性的时标——正常和倒转期的短期记录。这一记录显示地磁场的极性变化没有规律，时间间隔可达3万～1000万年之久。通常，这种无规律的变化每数万年出现一次，方向倒转一次也许要花几千年。研究过的岩石差不多有一半是在与现代地磁场相反的方向上磁化的，这说明正常的和倒转的磁场同样都有可能。

这就明显产生几个问题，而且一定与地磁的起源有关：在磁场倒转时到底发生了什么？磁场是逐步消失后又在相反方向生成的吗？它是迅速移动和再生的吗？它从地球的一边到另一边是迂回曲折进行的吗？磁场看起来减弱，但并没有消失，在倒转过程中以不规则的方式摆动着。但是，这些活动进行得很快（以地质学的观点而言），由于在岩石中还没有找到其细节，倒转现象尚未为我们所彻底了解。

计算机模拟

在探讨上述问题时遇到的最主要困难是——或者说，在显示地球存在一个“自励电机”的问题上——不可能进行相应的实验室试验。地核的压力和温度不可能复制，这种条件下的潜在的地核材料性能不可能测得，用于制造“自励电机”所需的熔融材料量太大了，不可能做实际的试验。但是计算机“实验”对这些问题的研究已取得重大进展，显示了内核的对流作用能够产生类似的磁场的“自励电机”。

现在我们要转而谈谈地热，看看它是从哪里来的。从地球散发出的热量平均每平方米大约是87毫瓦。之所以有热量散出，是因为地球深处是热的，随着深度增加，变得越来越热。地球存在三个热源。第一个是“原始的”热，也就是冲积层和地核地层留下的热；第二个是历时长久的放射性同位素衰变产生的热。这两个热源影响程度到底有多大，不得而知，但是后者可能起着举足轻重的作用，大约占总热量的75%。第三个热源是月球的引力引起的潮汛摩擦作用。由于地球和月球互为轨道，两个星体朝着附近的相反一侧稍稍突出。这就产生常见的海洋涨潮现象，但是地球的固态部分里也有类似的、却难以觉察到的潮汐。这永不停歇的“呼吸”引起固态地球里的摩擦，所产生的热可能高达地球内部热量的10%。

放射性热大部分来自铀、钍和钾元素的衰变。这些元素高度集中在大陆壳体的花岗岩部分，因而花岗岩会产生比其他岩石更多的热量。确切地说，就重量计算，典型的花岗岩中每百万份（ppm）大约含4份铀、16ppm钍和3.3%的钾。这些元素放射性衰变每立方米岩石产生2.5毫瓦的热量。反之，地幔岩石大约含有0.02ppm的铀、0.06ppm的钍和0.005%的钾，每立方米只产生0.01毫瓦的热量。地核不可能含有数量可观的放射性元素，据推测，那里大多是原始热。

大陆壳体虽然有较高的放射性，但所产生的热量只占总地热的一小部分。原因很简单，那是因为它的质量只占地球的一小部分。更确切地说，大约80%的热量来自地幔和地核，而且这些热沿着中洋脊出现，由于地幔热对流上升作用传到了那里。我们已看到了地核里是如何进行热对流以及热对流的结果。地幔也对流，因为地幔内部比外部热，因而驱动了板块结构，影响深远。

地球内部的热量还有一个重要方面，那就是这些热量的运动方式。在地球深处，对流传导热量。这意味着热量之所以被传导是因为热的岩石移动，热对流的速率取决于岩石流动的速率。在很深的地幔里，岩石流动相对来说要快些，所以对流传导热量也快。结果如地热变化曲线所示，在大约100千米深处，热量变化曲线（温度随深度增加而提高）变化不大。

上层100千米的地方，即岩石圈，就是另一回事了。岩石圈比下面的地幔温度要低些，因而比下层的地幔坚硬得多，坚硬得不能起对流作用。如果岩浆上升所传来的热量忽略不计，那么热量就可以通过对流从岩石圈传导出去，在这个过程中物质自身不会移动。热在岩石中的传导速度非常缓慢，这就是通过岩石圈的热量变化曲线变化大的原因。覆盖地球表面的坚硬板块（如在板块结构中）构成了岩石圈，这些岩石圈板块在地球表面移动，从而带动大陆漂移。

地幔

地幔是地球的一个部分，存在于外核与地壳之间。有一种普遍性的误解（虽然地震学有不同的见解，此前，这种误解被认为是站得住脚的），认为大部分地幔呈熔融状态。地球板块毕竟有其表面，大陆为适应其上的负载（例如，冰层的熔化），起起伏伏，我们也观察到沿中洋脊和夏威夷等地熔岩的喷发情况。但是，地幔既传播P波，也传播S波，而S波只能穿过固体，可见地幔一定是固体。

地震学有证据表明地幔是固态，而我们又观察到地幔在流动，这里看似存在着明显的矛盾。但事实上固态岩石是会流动的，尤其是热的时候。只要假以时日，几乎所有的岩石都会流动，这被称作延展性。例如，自19世纪以来和此前的垂直窗玻璃，都是在底部附近比顶部稍厚些，这是因为它们在数百年间是流动的。这里需要指出，温度越高，岩石越脆，越容易流动。岩石圈下的地幔每年大约流动1厘米。地震波和其他观察所显示出的这一矛盾与不同过程的不同时间段长短有关。地震波几乎是瞬间穿过一个小质量的岩石，在这段时间里岩石又坚又硬，但是几百万年间都出现地幔对流，在这段时间里岩石是流动的。地震波提供地幔的图形是一系列同心的固态层，其界面反射并折射出地震波。这些层次包括了低层地幔、过渡区地幔和上层地幔。

一个重要而基本的问题是： 地幔是由什么构成的？由火山爆发而得到的标本最深的来自大约180千米的地方，还有2700千米的地幔的标本难以获得。最上层的地幔大多是橄榄岩，这种岩石含有橄榄石、少量的辉石和含铝的矿石，其性质取决于压力。75～100千米深处，这种含铝的矿石是尖晶石，更深处便是石榴石。地幔的其他成分到底是什么只能凭猜想了。关键是有必要确定地震波速度在不同深度有所变化，纯粹由上层地幔因压力变化而变异引起的，还是由石块成分变化引起的。

随着压力的增加，矿石为取得较小的空间，结构变得更密集。例如，在相应的深度约为400千米时的压力下，橄榄石变成完全不同的、密度更大的结构——β-尖晶石。这一转变使得密度增加，因而在与过渡区顶部相应深度的地震速度提高。在相当于650千米的深度的压力下，β-尖晶石分解成不同的矿石，这些矿石的密度都大得多。这种变化是由于随着深度增加，地震速度急剧而明显提高引起的，因而成了低层和高层地幔的分界面的标志。但是，这种密度的变化还不为人所确知，我们只能排除这样的可能性：即石块结构可能在“650千米不连续面”也发生变化。简言之，对地震速度的观察结果和在实验室里对矿石因压力导致的变化所做的实验表明，整个地幔的结构可能是相同的，或者低层地幔的结构可能与上层地幔的结构略有不同。

我们务必明白，所谓“同一结构”指的是在数千千米的范围内同质，而不是指小规模的同质。取自中洋脊玄武岩的结构中的微量元素与像夏威夷这些海岛发现的大多数玄武岩的结构明显不同，所以作为标本区域地幔的玄武岩是异质的。此外，含有丰富硅-铝大陆壳体与中洋脊玄武岩所在的地幔浅层分开之时，这一浅层地幔在一定的地质时间内慢慢发生了变化，与此同时，一部分地幔在20亿年的时间内，仍保持其化学特点。传统的地质化学认为，上层地幔的结构与下层的结构不同。另一种观点认为，结构的多样性只存在于小范围内（数千千米），而上下地幔大体相似。于是现在我们又回到地幔对流这一问题上来了。如果“650千米不连续面”是把地幔的两个不同区域分隔开来，那么它们对流的结果一定是使它们仍然分隔开来。但是，如果上、下地幔没有区别，那么整个地幔只能是在一个对流系统内对流循环。

地幔中的对流

有必要再说一句：热量对流就是热的、密度较低物质的上升，温度较低、密度更高的物质下沉。结果使固态岩石流缓慢而有序地循环，把热量从地球温度较高的深处传到温度较低的外部。上文我们已经谈到，对流驱动了板块结构，也谈到了大多数地球内部的热量来自放射性衰变。如果地球像火星一样，放射性非常低或规模非常小，那么就不可能有对流和板块结构。板块结构在地球表面环境长期保持稳定性方面起着重要的作用。没有板块结构，我们这颗行星现在就不会有生命，当然也没有我们人类。所以，虽然我们的存在取决于诸多因素，但也不能忽视热对流这一重要原因之一。

亚瑟·霍尔姆斯是地幔对流理论的倡导者之一。一方面是由于不能对地幔作直接的观察；另一方面是因为20世纪30年代，霍尔姆斯提出这一想法的时候，大陆漂移理论还没有普遍为人所接受（这一理论是在板块结构观点之前出现的），地幔对流的观点最初被认为是奇谈怪论。现在这一观点已为人们所普遍接受了。为什么？一是因为地幔对流提供了板块构造必要的驱动力；二是地球实质上是球形的。作为一个整体来看，地球没有一个地方特别高，也没有一个地方特别低。山区看来很高（至少从人类的标准来看），但都是在地幔上“漂着”的大陆壳体之下。这就要求固态地幔能流动（不要忘记，上文已提到，岩石有延展性）；三是因为地幔对流解释了地球独特的地热变化曲线；四是热对流解释了我们刚了解到的地幔密度横向变化现象。最后，物理学理论说，地幔必须处于缓慢的对流状态，以便摆脱地幔中的热量。

现在我们回头来探讨一个与分层地幔对流完全相对立的问题。前者认为，地幔流从地核-地幔的分界面蔓延至陆壳的底部，也就是说整个地幔。按这种观点，向下的流动有助于把侵入的海洋壳体带到下层地幔，而上升的流把地柱（从地幔隆起的一段熔化物）从下层地幔往上带。文中提到的中洋脊被认为差不多是发生在上层地幔的二级上升，以适应陆壳破裂的区域。分层地幔对流需要存在密度差别小所区隔的层面，即使热量一层层传导，它们也能多多少少独立对流。就分层地幔而言，向下的流把侵入的海洋壳体往下带，但深度不超过“650千米不连续面”，而从这不连续面自下而上的流形成了中洋脊。

两大最新成就使我们得以更好理解地幔的动态活动。一是地震层面X线照相术的出现。地震层面X线照相术与内科医生使用的用来观察人体内脏的技术CAT扫描相仿。地质物理学家的CAT扫描利用地震波而不是X射线做探针，就能反映出地球内部形象。地震波传播的时间提供地幔里的热的（密度较小的）和凉的（密度较大的）物质分布信息，因为正如上文所说的，地震波经过密度较小的岩石时，比经过密度较大的岩石所需要的时间稍长些。把数以万计交叉往来的波的路径传播的时间结合起来，地质物理学家就制作出了一些三维形象，显示出地幔密度的变化。

凭借地震层面X线照相术得来的图像看出，地球从地幔底部到顶部，始终在激烈翻腾着，以摆脱自身的热量。橙色团块表示比一般区域更热的区域，并在上升；蓝色团块则表示较凉的并下沉的区域。这些图像显示几个引人注目的特点：无疑，从地幔表面到地核-地幔分界面正上方有一圈凉的岩石。这一圈岩石位于太平洋边界下，在“火山岛弧”下方（火山系和断层区的环太平洋带），明显反映出一些侵入区。地图也显示了中洋脊下平坦的温暖团块，这与对火山活动的观察结果相符。这些热的地块看来没有深入地幔之中，但是冷的侵入区深深延伸入地幔。反之，上升的深区处于下层地幔深处，在非洲板块和南太平洋之下。所以，虽然地震层面X线照相术确定了地幔对流，但也表明，地球表面板块的运动与地幔中的对流并不完全相同。地震层面X线照相也显示侵入的厚板块在深达400～1000千米之间的水平层上累积起来。地幔的成像就可解决与层面对流矛盾的问题。

另一大成就是计算机逼真地模拟了地幔对流，这与用来探测地核对流模拟技术相似。这些成果也用在解决地幔特性的问题上。模拟技术大大扩大了我们的视野。例如，这些成果就用于测试有关黏度（即对地幔流动的阻力）如何随着地幔深度增加而发生变化的假设。模拟假设一个与深度无关的变黏度产生了一些上升和下降的局部地区，而这上升和下降的速度比由板块结构显示出的地幔流动快得多，与板块形状显示出的流动模式不同，表明黏度与深度是不变的。但是黏度随深度增加而增加的模式（低层地幔坚实，而上层地幔薄弱）产生的运动模式和速率与板块运动的模式和速率非常相似。

认为黏度随深度增加而增加的观点是非理性的，意思是说，我们预计物体的黏度随地球更深处的温度增加而降低。一些科学家在思考这一问题时意识到，如果下层地幔含少量的水的话，下层地幔的黏度比上层地幔的黏度要低。这是可以理解的，因为侵入地幔的壳体含水，因而随着被掩埋必然要释放水。用了这种方法，计算机模型就显示出对地幔性能的限制，否则就令人费解了，同时也阐明了早已表达过的观点——高级的计算机模式现在可用来测试我们有关地球本质的假设。