地震是照亮地球內部的一盞明燈

周義欽

（上海市北郊高級中學, 上海 200081）

地震是照亮地球內部的一盞明燈

周義欽

（上海市北郊高級中學, 上海 200081）

地震作為地球內部的一種震動，發生時會產生一系列波動即地震波，而地震波是目前我們所知道的唯一一種能夠穿透地球內部的波。對地震波的研究，不僅有利于人們理解地震的本質并為抗震救災提供科學依據，更是探測地球內部結構的主要手段，也是最有效的手段。本文從地震波的特點切入，追尋科學家借助地震波探索地球內部結構的足跡，呈現了地震波在地球內部圈層劃分過程中的具體作用，以及在現代地震勘探等方面的應用，以深化人們對地震及地震波的辯證認識。

一、地震波的類型與特點

地震發生時，震源區的介質發生急速的破裂和運動，這種擾動構成一個波源。由于地球介質的連續性，這種波動就向地球內部及表層各處傳播，形成了連續介質中的彈性波。

地震波在地球內部傳播的稱為體波，沿地面傳播的稱為面波。從震源發出的體波有兩種成分: 一種代表介質體積的脹縮，稱為推進波，在地殼中傳播速度為5.5～7.0千米／秒，其質點振動方向與傳播方向一致，所以又稱縱波（P波）；另一種代表介質的變形，稱為剪切波，在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，其質點振動方向與傳播方向垂直，所以又稱橫波（S波）。隨著地震的發生，縱波范圍內的巖石微粒的振動平行于地震波傳播方向，而橫波范圍內的巖石微粒隨波振方向成直角振顫，因而縱波較橫波更快地傳播到地面。由地震波的傳播特點所決定，在震中區人們先覺察到的是縱波帶來的上下跳動，接著而來的是橫波造成的左右、前后搖晃（如圖1所示）。

圖1 縱波、橫波傳播方向示意圖

圖2 地震波類型示意圖

在沒有邊界的均勻無限介質中，只有縱波和橫波存在，它們可以在三維空間中向任何方向傳播。但地球在空間上是有限的，是有邊界的。在地表附近，體波衍生出面波（L波）。面波實際上是由縱波與橫波在地表相遇后相互干擾所產生的混合波，使巖石粒子既上下運動又左右移動。其波長大、振幅強，是造成建筑物遭受強烈破壞的主要因素。面波也有幾種類型（如圖2所示），主要有勒夫波（橫向振動傳播：質點沿著水平面和波的傳播方向相垂直的運動）和雷利波（縱向滾動傳播：質點在平行于震波傳播的垂直面上作橢圓形運動）兩種形式，它們只能沿著地表界面傳播，離開界面即很快衰減。面波的傳播速度比體波慢，因此常比體波晚到。如果地震的震源較深，震級較小，則面波就不太發育。

地震波的傳播能力與速度取決于傳播介質的性質和內在的彈性。縱波反映的是地球介質的體應變，因而能在固體、液體或氣體中傳播；而橫波反映的是地球介質的剪切應變，因流體不承受剪切變形，所以橫波只能在固體中傳播。在傳播速度上，縱波最快，橫波次之，面波最慢。波速隨頻率或波長而變化，這種現象叫做波的頻散。在完全彈性的平行層介質中，由于各種類型的波的疊加，在地表觀察到的面波頻散是幾何原因造成的。在地球內部，由于介質的不均勻性和非完全彈性，會導致體波的頻散，這是物理原因造成的。由于頻散，地震波在傳播過程中會發生變化，尤其是在通過不同介質的界面時還會發生折射和反射現象，這為地球科學家構建地球內部模型提供了信息。

二、地震波與地球內部圈層的劃分

地球內部的圈層構造及物質狀態人們無法直接觀察，我們關于地球內部的大部分知識都來源于對地震波的研究。科學家利用地震波探索地球內部信息和人們挑選西瓜的原理很相似。人們挑選西瓜都有個經驗，用手拍打西瓜聽其聲音便可大體判斷西瓜的成熟程度，這是因為不同西瓜振動時發出的音調和音色不同。科學家同樣通過記錄和“傾聽”來自地球內部振動的交響樂——地震波來判斷地球內部的結構和狀態。早在十九世紀初，人們就已知道地震是一盞照亮地下的明燈。

1.莫霍面的發現

1906年，英國地震學家奧爾德姆首先試圖通過地震波穿過地球的時間來推斷整個地球內部構造。1909年，奧地利地震學家莫霍洛維奇在研究一次地震時發現，地震波在到達歐洲大陸地下35千米處時，傳播速度突然加快，縱波的速度從7.0千米/秒左右突然增加到8.1千米/秒左右；橫波的速度也從4.2千米/秒突然增至4.4千米/秒（如圖3所示）。這說明該深度處的上下物質在成分或狀態上有改變，這個深度就是上下兩種物質的分界面，即不連續面。根據分析，1910年莫霍洛維奇提出地球有內外層之分。他指的內外層就是我們所說的地幔和地殼，而地殼與地幔的分界面也就是后來所稱的“莫霍洛維奇不連續面”（莫霍面）。接下來的研究發現，這一現象具有全球性。莫霍面的深度在大陸之下平均33千米之處，在大洋之下平均為7千米，平均深度為17千米。

圖3 地震波在地球內部傳播示意圖

2.古登堡面的確定

從震源發出的地震波會通過地球介質向各個方向傳播，尤其是體波可以從比較小的角距離到比較大的角距離被連續地追蹤，從而可以在世界各地通過地震儀記錄到。但地震學家發現，大地震發生后，在距地震震中103°（約11400 km）～143°（約15800 km）的緯距范圍內記錄不到地震縱波，出現了一個“P波影區”（如圖4所示）。于是他們猜想，地球內部還具有分層結構。

圖4 縱波在地球內部傳播示意圖

1914年，德國地震學家古登堡根據地震縱波的“影區”確認了地核的存在，并測定了地幔和地核之間的不連續面，即為后來所稱的“古登堡不連續面”（古登堡面），其深度約為2900千米。這個數值相當準確，直到現在也改進不多。在此不連續面處，橫波突然消失，縱波發生了折射，且速度明顯下降。根據地核不能傳播橫波的特性，當時地震學家又推斷出地核是液態的。

3.地核的分層及深入探索

1936年，丹麥女地震學家萊曼在研究深部震源的地震圖時，注意到縱波在通過地核內部時會再次發生折射，看起來好像被一些東西所彈開。萊曼進一步分析了這個問題，得出結論是這種類型的波動僅僅在地核存在雙層結構時才能產生，從而認為地核是由液態的外核和固態的內核所組成的。

萊曼在縱波的“陰影帶”中辨認出地球的固態內核，當時很多專家對此表示懷疑，但最后還是萊曼勝利了。她的“武器”不是別的，就是地震觀測資料。后來的科學家們在地核內部記錄到了由縱波衍射轉化而來的較微弱的橫波，更進一步證明了萊曼的發現。為紀念萊曼的貢獻，人們把古登堡界面至地心之間的地下約5100千米處的次級不連續面稱為“萊曼面”（又譯作“雷門面”），并依此將地核分為外核和內核。

當然，內外核也不是截然分開的。近期有學者研究認為，在內外核之間還存在一個“過渡層”，深度在地下4170千米～5155千米之間，且地球內核的轉動速度要比地殼和地幔的快。1996年，中國旅美學者宋曉東通過研究穿過地核的地震波，進一步推斷出內核旋轉速度要比外核快（如圖5所示），這個發現進一步加深了人類對地球內部構造的認識。

圖5 地球內核的旋轉示意圖

這樣，通過對地震波的研究，我們大體知曉了地球內部結構的圈層畫面(如表1所示)。地球的巖石圈，包括地殼和上地幔的頂部，主要由屬火成巖的花崗巖、玄武巖和橄欖巖組成；巖石圈的地殼部分由花崗巖或玄武巖組成，地幔部分由密度較大、粗顆粒的侵入巖石——橄欖巖組成。大部分半熔化的地幔部分，即軟流層，也被認為是由橄欖巖組成的。地球的下地幔部分是固態的，可能由含鐵、硅和鎂的簡單氧化物組成。對穿過地核的地震波以及對重力的研究表明，地球中心部分的密度很大，可能是由鐵和鎳的混合物組成的。

表1 地球內部圈層結構及各圈層的主要地球物理數據

三、地震波的多種應用

利用地震波的另外一個重要方面是現代地震勘探。由于地震勘探具有其它地球物理勘探方法所無法達到的精度和分辨率，所以在石油和其它礦產資源的勘探中，用地震波進行勘探是最主要和最有效的方法之一。各種礦產資源在構造上都會具有某種特征，如石油、天然氣只有在一定封閉的構造中才能形成和保存。地震波在穿過這些構造時會產生反射和折射，通過分析在地表接收到的信號，就可以對地下巖層的結構、深度、形態等作出推斷，從而可以為以后的鉆探工作提供準確的定位（如圖6所示）。我國的大油田，如大慶、勝利、遼河、塔里木油田等，都是利用這一方法發現的。本世紀初，我國在南海發現可燃冰，也是靠人工地震的辦法得出的。

圖6 利用地震波進行勘探示意圖

利用地震波還可以為國防建設服務。眾所周知，現在全球絕大部分國家都已正式簽署了全面禁止核試驗條約（CTBT），但所面臨的一個共同問題是，如何有效地監測全球地下核爆炸，而這正是地震學的用武之地。地下核爆炸和天然地震一樣也會產生地震波，會在各地地震臺的記錄上留下痕跡。由于地下核爆炸和天然地震的記錄波形是有一定差異的，因此根據其波形不僅可以將它與天然地震區分開來，還可以得出其發生時刻、位置、爆炸當量等信息。

其實，地震波的應用還遠不止以上這些。例如，目前用地震的方法預測火山噴發取得了很大的進步；對水庫誘發地震的研究可以為大型水庫提供安全保障，例如我國的三峽工程，對其庫區地震災害的研究就是工程可行性論證的重要內容之一；對礦山地震的監測是保護礦山安全的重要手段之一。因此，地震學這門古老的學科，不斷獲得活力，正在成為迅速發展的前沿學科之一。

地震本是自然災害，特別是強度高的大地震，會給人類造成重大災難。但同時地震也能帶來一些難得的好處，為我們了解地球內部的奧秘創造了條件。正如近代俄羅斯地震學家伽利津所說的：“可以把一次地震比作一盞燈，它點燃的時間很短，卻為我們照亮了地球的內部，使我們了解到在地球內部發生了些什么……”。地心雖不能至，但因有了地震波這個真正能到地心旅行的信使，終究使地球的內部結構逐漸清晰明亮起來。當然，地球內部的未解之謎仍然很多，還需要人類繼續探索。

參考資料：

[1] 探測地球內部的“雷達”——地震波[EB/OL].福建省泉州市地震局.http://www.qzdzj.gov.cn/showart. php?id=7496,2013-01-18.

[2] 陳颙,史培軍.自然災害[M].北京:北京師范大學出版社,2007.