自從16世紀(jì)麥哲倫的環(huán)球航行首次證明我們腳下的大地是一個(gè)球體，“地球”的概念逐漸被大眾接受。數(shù)百年來，科學(xué)家一直希望搞清楚地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，探索一個(gè)半徑6371千米的球體對(duì)人類而言是個(gè)無比巨大的挑戰(zhàn)。

如今我們已經(jīng)知道，地球內(nèi)部分為地殼，地幔和地核三部分。但在無法切開地球或者鉆穿地球的情況下，科學(xué)家們是如何得知地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？

這種對(duì)封閉系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行無侵害的探測(cè)很容易讓人聯(lián)想到醫(yī)院里的CT檢查。CT機(jī)器利用X線束對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行掃描，再由探測(cè)器接收透過人體的X線，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體內(nèi)部的成像。對(duì)地球的探測(cè)和CT檢查有一定的相似處，但x線束無法穿透巨無霸的地球，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)移到了地震上。

提到地震，人們首先想到的天崩地裂的恐怖景象。即使距離地震中心很遙遠(yuǎn)的地方依然可以感到地動(dòng)山搖。這是因?yàn)榈卣鹂梢约ぐl(fā)的一種機(jī)械波，即地震波，地震波可以傳播很遠(yuǎn)甚至波及全球。當(dāng)一個(gè)地震發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在地球表層傳播的地震面波和在地球內(nèi)部傳播的地震體波。大地震激發(fā)的體波可以穿透地球。

在地震波遠(yuǎn)距離傳播之后其能量會(huì)變得十分微弱，對(duì)這種十分微小的波動(dòng)的捕捉可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的監(jiān)測(cè)。歷史上，中國地震災(zāi)害頻發(fā)。早在東漢時(shí)期，張衡就發(fā)明了候風(fēng)地動(dòng)儀來監(jiān)測(cè)地震的發(fā)生，然而，這種儀器只能大致上感知地面振動(dòng)。

現(xiàn)代真正意義上的地震計(jì)最早出現(xiàn)在19世紀(jì)，可以記錄地面的真實(shí)震動(dòng)與精確時(shí)間。地震計(jì)基本原理是我們熟知的慣性定律。簡單來說，地震儀的基本構(gòu)造由重物塊、紀(jì)錄單元和彈簧三者組成 。重物塊通過彈簧懸掛在支架上。記錄設(shè)備最開始是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的滾紙，固定在地震儀的支架上。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_(dá)時(shí)，地面震動(dòng)引起支架和滾紙一起震動(dòng)。重物塊在自身巨大慣性作用下加之彈簧的伸縮緩沖，可以基本保持靜止。于是重物塊上的鉛筆可以記錄下兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這就是地震記錄。

隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家基于慣性原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，目前的地震儀將記錄設(shè)備更換為了電磁感應(yīng)線圈，線圈和重物塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)切割磁感線會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流。這樣就實(shí)現(xiàn)了將地震波的機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為了電信號(hào)，最后在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)地震記錄。

蘊(yùn)含有巨大能量的地震產(chǎn)生了可以穿透地球的地震體波，人類智慧又創(chuàng)造了可以記錄地震波的儀器。至此，探索地球內(nèi)部的目標(biāo)不再遙不可及。

如何從地震波中提取地球介質(zhì)的信息則是下一步的關(guān)鍵，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了地震波的一個(gè)重要參數(shù)，即地震波的速度。地震波速度主要受介質(zhì)的密度、溫度、壓力、孔隙度等多種因素影響。簡單來說，地震波速可以用來反映地球內(nèi)部的介質(zhì)信息。

事實(shí)上，地震體波有兩種類型，一種是壓縮波，通常簡稱為P波，其質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)方向和波傳播方向一致。另一種則是剪切波，簡稱為S波，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直。由于振動(dòng)機(jī)制的差異，P波在固體和液體中都可以傳播，而S波只能在固體中傳播。相同介質(zhì)中，P波波速顯著大于S波波速。因此，P波會(huì)先于S波到達(dá)某處，該處會(huì)先產(chǎn)生上下的震動(dòng)，之后是左右的搖晃。在地震記錄中，可以清楚地看到P波出現(xiàn)在S波之前。通過震源和地震儀的位置，我們可以推算出地震波的傳播路徑，從地震記錄中又分別可以獲取P波和S波的旅行時(shí)，最終，P波和S波的波速都可以被計(jì)算出來。

憑借大量的地震記錄，科學(xué)家計(jì)算出來了P波和S波在地球各個(gè)深度的波速。于是，我們發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部不是一個(gè)均一球體，不同深度的波速有著明顯差異。在深度約30千米處，P波和S波波速突然增大，科學(xué)家據(jù)此將該深度上下劃分為地殼和地幔。深度到達(dá)3000千米深度處，P波波速大幅降低，S波波速則降至0，由于S波在液態(tài)介質(zhì)中無法傳播，這一現(xiàn)象表明地核存在一個(gè)液態(tài)的外核。而在大于5000千米的深度，P波波速陡增，S波重新出現(xiàn)，表明地心為固態(tài)的內(nèi)核。

地球內(nèi)部的不均一性和地震波的傳播特性造就了許多的神奇現(xiàn)象。在本系列的下一期中我們會(huì)繼續(xù)探索地心之秘，敬請(qǐng)期待。

作者：趙順

來源：震知卓見