如何利用地震了解地球深处的秘密?

地球底下既不是像《西游记》所写阴森恐怖的阎罗地府,也不是美国人西姆斯所说的空心球,可以从南北极的入口进去。中学地理教材告诉我们,地球像一个巨大的鸡蛋,地壳部分相当于蛋壳,地幔部分相当于蛋清,地核部分相当于蛋黄。地球的半径6300千米,地壳只是很薄的一层,地幔占了约2900千米,那么,人类通过什么方法来了解地球深处的秘密呢?

地球的内部构成。(来源于网络)

帮助我们真正了解地球深处秘密的“功臣”之一,居然是谈之色变的地震!

地震之时,地震中心会发出地震波。地震波是一种向四面八方传播的弹性波。因为地下的岩石、矿体不同,有些地方是黏稠的液体,地震波碰到这些不同的物质,就有不同的反射和折射。仪器把它“旅行”的状况记录下来,科学家们根据这些记录,可以探测出地球内部岩石密度约10%以内的变化。

根据传播方式不同,地震波主要分为纵波(P波)和横波(S波)。纵波传播速度比较快,可达5—7千米/秒,可穿过固体和液体;横波传播速度相对较慢,一般为3—4千米/秒,只能穿过固体。

从上世纪初开始,科学家们根据地震波传播图分析,纵波和横波沿多种曲折路线传播,在有些地方还发生突然变化。由此科学家们不但得出地球内部物质具有不均一性的特点,还推测出地球内部的结构组成。

地震波在地球内部的传播路径图。(来源于网络)

地球的一端发生地震时,地球的另一端监测不到横波信号,因为它们在地幔边缘遇上了液态物质。根据对横波传播路径图分析发现:在地下2900千米处,岩石变液态,此处便是地幔与地核的分界面(即古登堡不连续面)。

但是,地球的一端发生地震时,地球的另一端对应偏离位置可以监测到纵波信号。通过地震仪数据分析,纵波顺利穿过地下2900千米处熔化的地核后,在地下约5000千米处发生偏斜。由此推断,地下约5000千米处是地核内层(又称内核)与地核外层(又称外核)的分界层,内核是固态,外核是液态。

地震波传播示意图。(来源于网络)

虽然地震可以告诉我们地球深处的秘密,但由于地震的预知性差,不可控等原因,科学家们研究地球内部构造时便用其它方法来代替地震。比如人工地震、核试验等。所谓人工地震,是指人为在局部区域进行爆破,爆炸形成的波如同地震波一样,可以向人们报告地下的状况。以此为基础,科学界诞生了一门研究天然地震和某些人为造成(如地下爆炸、岩浆冲击、岩洞塌陷等)震动的学科——地震学。

【参考资料】

1、《地球内部的构成》,洪水平编,大象出版社。

2、论文《地球内部结构和物质性质的研究》,魏源强、周元泽等著,《地震学报》2003。

3、论文《地球的构造》,《家教世界·创新阅读》2016。