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？

这个问题触及了我们日常生活中最直观的物理现象，也常常是很多人疑惑不解的地方。为什么我们扔一块石头到水里它会沉下去，但一座山却稳稳地立在那里，而不是像石头一样朝着地心坠落？答案的关键在于我们对“密度”和“引力”的理解，以及它们在不同尺度上的作用方式。

首先，我们来回顾一下为什么密度比水大的物体会沉到水底。这其实是浮力在起作用。当一个物体浸入水中时，水会对它产生一个向上的力，这个力就叫做浮力。根据阿基米德原理，浮力的大小等于物体排开水的重量。如果物体的密度比水的密度大，那么它单位体积的重量就比相同体积的水重。也就是说，它受到的重力大于它排开水产生的浮力，所以它会向下沉。反之，如果密度比水小，它就会浮在水面上。这是一个非常直观的现象，我们在日常生活中屡见不鲜。

现在，我们把目光转向地球和它上面的物体。你提出一个非常有意思的问题：为什么密度比土地大的物体（比如一栋房子、一座山，甚至我们自己）不会像石头一样沉入地心呢？

这里需要区分两种情况：

1. 在地球表面，我们感受到的“向下”是引力，而不是因为密度大就必然沉入地下。

想象一下我们扔进水里的石头。我们之所以说它“沉”到水底，是因为水是一种流体，它能够轻易地被石头占据的空间取代，并且在石头周围形成一个包裹。一旦石头接触到水底，它就停止了移动，因为它已经到达了它在水中能够达到的最深处。

但是，地球和水池完全是两个概念。地球是一个巨大的、坚实的球体，由岩石、金属等物质构成。我们生活在地球的表面，而“向下”的感觉，实际上是我们感受到的地球对我们的引力。地球的引力将所有在其表面或附近的一切物体都牢牢地吸引着，让我们能够站立、行走，而不会飘走。

我们说密度比水大的物体会沉到水底，是在一个相对小的尺度下，物体在流体中的运动。而我们谈论的物体在地表，例如一座山，它已经位于地球的整体结构之内了。它不是一个要被地球“吞噬”的外来者，而是地球本身构成的一部分。

举个例子，你不可能把一块石头扔到一块更大的石头里，然后期待它“沉”到这块大石头里面。石头已经和周围的石头构成了整体。地球也是如此，我们脚下的土地，包括组成山的岩石，都是地球整体的一部分。

2. 核心在于“密度”在地球尺度上的含义和“引力”的作用方式。

地球的密度确实很高，它是一个巨大的引力源。它吸引着地表的一切物体，也正是因为这个巨大的引力，我们才不会飞走。

我们常说的“密度比土地大”的物体，比如一块密度较大的岩石，当它被放置在地面上时，它受到的地球的引力会作用于它的整体，将它“拉向”地心。但是，我们脚下的土地，同样受到了来自地心的引力，并且由于它构成了一个连续的整体，这些力在宏观上保持了地球的形状和稳定。

如果我们将一个密度非常大的物体，比如一块密度极高的金属球，放在地球表面，它会受到地球的引力。然而，它不会因为密度更大就额外地“沉”入地球更深处，除非有外力的作用将它压下去。它只是在这个巨大的引力场中，成为地球整体结构的一部分。

你可以想象一下，如果你把一块非常重的石头放在沙地上，它会陷下去一点，这是因为沙子比较松软，会被重物压实。但如果放在坚硬的岩石地面上，它就不会再下沉。地球的表面在宏观上看，就如同那块坚硬的岩石地面。

真正的“沉降”在地质学上是指板块运动、地壳下沉等宏观地质过程，这与我们日常理解的物体在水中的沉浮是截然不同的概念。这些过程是极其缓慢的，涉及到数百万年的地质演变，是地球内部能量驱动的结果，而不是简单的“密度差导致下沉”。

总结一下：

水中的沉浮是物体在流体中受浮力和重力共同作用的结果，是相对小尺度的现象。物体之所以沉，是因为它排开水的重量（浮力）小于自身的重力。
地球上的物体则处于一个巨大的引力场中。我们感受到的“向下”就是来自地球的引力。物体之所以不会“沉入地心”，是因为它们已经是地球整体结构的一部分，或者在宏观尺度上被地球的坚固结构所支撑。我们脚下的土地本身就是地球的物质，它不会因为密度“比自己大”而沉入自己内部。

所以，密度比水大的物体沉入水底，是因为有浮力在起作用，且水的流动性允许其发生。而地球上的物体不会沉入地心，是因为它们在巨大的引力场中，并且是地球坚固整体的一部分，不存在一个能让它们“沉”下去的流体介质，同时我们所说的“向下”本质上就是地球引力的表现。这是一个尺度和作用机制上的根本区别。

网友意见

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。以 @qfzklm 和 @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和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！

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。参见X度百科：

https://baike.baidu.com/item/丰度/5383385?fr=aladdin

表格可见各种元素的丰度在大陆上中下的分布，以及海底的分布。

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。

所以，小行星采矿的意义就很清楚了。太阳还在核聚变中期，主要做氢聚变，还不能合成更重的元素，所以太阳系的金属元素全部来自于其他恒星晚期各种类型的爆炸。于是太阳系内各种行星、卫星、小行星等上的金属元素丰度都差不多。但只要直径没那么大，不至于拥有高温核心，那么就相对容易提取各种稀有的金属元素。

前面有那么多地质高手，岩石圈和宏观层面的问题请他们讲，我只从工程学角度聊聊土。

1 土层太薄了，全球平均才几米，除了少数地区外，土壤根本无法构成一个沉陷“池”。

中国农业大学《土壤学》考研重点

土壤圈：是指岩石圈最外面一层疏松的部分，其表面或里面有生物栖息。土壤圈是构成自然环境的五大圈最密切的一种环境要素。土壤圈的平均厚度为5米。

再往下就是密实的岩层，承载力和密度都明显高于土壤。

2 地表见到的大多数巨型物体是有“根”的，并不是“浮”在土壤上。比如澳大利亚那块乌鲁鲁巨岩，下面的“基础”深入地壳深处几公里，压在深层岩石上，和土壤的强度没啥关系。

3 大多数人工物体是空心的，密度没有看上去那么大。工程上有个概念是“补偿基础”，就是在建筑下面开挖空心的地下室，这个地下室的总重量明显少于被挖走的泥土，从而在土壤里形成“浮力”，支撑地上部分的重力。

至于基础有问题的那些建筑，的确会逐渐下沉，比萨斜塔就是下沉不均匀的结果。

4 下沉往往很缓慢，肉眼看不出来。比如说实心的金字塔建好了几千年，下沉速度远远比不上风沙侵蚀。后者才是金字塔高度降低的主要原因。地表很多岩石，往往在下沉之前就风化成砂砾了。如果你能找到不怕侵蚀的一大块高密度固体，观测几十万年，肯定能看到它逐渐下沉。

5 含水率较高的土壤如果受到突然的冲击，会出现“土壤液化”，即土壤在短时间内像水一样流动，丧失支撑力。这个时候你会看到密度比土壤大的物体迅速下沉，几分钟完成几百年的沉陷。据说牙买加有一座城市，17世纪遇到地震，土壤液化，几分钟内有三分之一建筑被土壤吞没。下面是日本住宅区下沉的例子：

台湾有一处地质剖面，显露了上层地质结构在土壤液化状态下沉陷的过程：

台灣地貌

台灣東部海岸山脈南端台東富崗漁港小野柳風景區所出露一套特殊的砂頁岩地層可能為夾於利吉層之泥岩中的一塊巨大的外來沉積岩塊。這個沉積岩塊具有典型由濁流造成的沉積構造，包括未固結前由液化所造成的沉積變形構造、水逸流脫水構造等，提供了極佳的土壤液化野外科學考察寫照場所。

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