密度比水大的物体会沉到水底,为什么密度比土地大的物体不会沉到地心呢?

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看到几个回答说到“行星热分异”了,但觉得大家对这个概念的理解可能有一点误会,所以还是补充几句。@qfzklm@巴甫洛夫很忙 的回答为例,大致思想是:

从大尺度来看,岩质天体都是流体,密度大的往下沉,密度小的往上浮。
事实上,在地球演化初期,土地就是因为密度小才浮上来的,相对应的,铁镍等高密度金属因为密度大就沉下去了。
因为密度大,他们确实就沉到地心去了。。
地球内部结构可以粗糙地分成地核、地幔、地壳三层,密度自然就是从大到小的。。
地球的密度分层结构,从外到内密度越来越大


我想补充两点:

1. 行星热分异并不仅仅是一个“大尺度长时间就可以完成的过程”,而且是只有在行星形成早期特定的状态下才能完成的。

最重要的条件不是足够长的时间,而是天体内部有足够的热,这里说的“足够的热”,是足以热到熔融自身的那种程度的热,才能使内部物质按密度重新“分离”。这种程度的热只有在行星形成之初内部剧烈的放射性元素衰减早期整个太阳系内剧烈的大撞击(比如大撞击假说认为一个火星大小的天体撞击地球产生的热量使得地球部分熔融,一度形成过“岩浆海洋”)之下才能够提供,即使如此,也只有足够大的行星(直径大于1000km这个程度)才有热分异的能力,而更小的岩质天体(比如大部分小行星)大多还是依然保留着未分异或者部分分异的状态。

所以说关键的不是“大尺度上来看一切都是流体”,而是行星形成早期确实有过整个都是流体的状态

行星热分异的结果是,较重的元素(比如铁和镍)向中心“下沉”形成内核;相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层,最终形成从外到内密度逐渐增大的“壳幔核”分层结构,外层以硅酸盐成分为主、内核以铁镍合金为主。当然,实际的分层情况更加复杂,远不止简单的核幔壳三层。

这样的过程在行星逐渐冷却之后就几乎不可能再在大尺度上发生了(重的物质确实会沉降,但不可能再沉降到跟它的平均密度相匹配的那么深的地方了)。

行星热分异过程,这是只有在行星形成之初才可能发生的。制图:haibaraemily


2. 行星热分异下的密度分层说的是平均密度,而不是单种元素的密度。

实际上,具体元素的分异情况并不仅仅是根据它们的物理属性(密度)决定,还会根据它们和其他物质的“化学亲密性”而变化:例如,亲铁元素(siderophile elements)就会更倾向于随铁一同沉入地底,而一些亲铜元素(chalcophile elements)就更倾向于和和低密度的硅酸盐和氧化物“绑定”然后留在壳层(这部分这个回答说的更详细 九点:黄金为什么没有全部沉入地心而是形成金矿?)。所以, @gashero 的回答里说金属的丰度是因为密度也是不对的:

会,并直接导致了以金属单质存在的贵金属在不同地层中的丰度有很大区别,密度更大的金属单质容易下沉。
以铂(Pt)为例,大陆中的丰度是0.003 ppm,而大陆下则达到0.037ppm,差了12倍。金(Au)也是如此,只是差别没那么大,只有3倍。

例子中金和铂都是亲铁元素,它们的丰度和密度关系不大。

除了化学亲密性,还有不同元素的挥发性也在40多亿年前的行星熔融阶段起了一定作用。当然具体情况比较复杂,规律不是一定的。

有趣的是,这些不同元素在不同地层的丰度和行星分异前的原始状态的差异(一般通过和原始球粒陨石的对比来完成)又能为我们推测行星热分异时期的状态提供宝贵的线索。详情可以参考Nature封面:熔融?气化?大撞击?鬼知道地球经历了什么!