十年前的5月12日，汶川8.0級地震造成重大人員傷亡。但在科學家眼裡，地震波還是地球的"心電圖"，通過它可以瞭解地球內部的秘密。
整理/記者 白竟楠 圖文編輯/陳永傑
【演講專家】
李娟
中國科學院地質與地球物理研究所研究員
地震，一個讓人望而生畏的詞。在自然災害面前，人類似乎總是無能為力。3月31日，SELF講壇第24期女性專場"HERO·她的故事"在北京海淀文化館小劇場舉辦，中科院地質與地球物理研究所的研究員李娟進行了題為《用地震波給地球做CT，是我破解地球深部之謎的法寶》的講座，為我們揭秘了地球內部的神秘構造，地震波的應用就在我們身邊。
以下為演講實錄：
如果去地球內部做一次特殊的旅行，你一定會對地球中心——地核處的壓力可以達到300萬個大氣壓有非常深刻的感受，因為還沒來得及感受就被壓癟了，而它的位置就在我們腳底垂直往下很深的地方。還記得動畫片《冰河世紀》中那隻守著松果的小松鼠嗎？它抱著松子就曾經到達過地核，在路上，它還經過了地殼、上地幔、下地幔、地球的外核。
▲動畫片《冰河世紀》中超級大裂縫的場景。（圖片來自網絡）
在現實生活中，像動畫片中的超級大裂縫是不存在的，科學家們又是如何來探知地球深處的秘密的？
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從天地鬼神到認識地震
我們能不能在地球上挖一個深深的洞呢？而事實上，人類也確實這樣做了，比如，最著名的例子是前蘇聯的科拉超深鑽孔。為了探究地球內部真正的樣子，在1989年，其鑽井深度達到了12262米。地球的半徑是多少？地球半徑的長度是六千三百七十千米，這代表科拉超深鑽鑽出的12千米連地球的皮毛都沒有穿透。
▲1970年，前蘇聯就啟動了一項"超深鑽孔"計劃，打算在科拉半島用鑽頭給地球開一個眼，用這種直接的暴力的方式來探索未知的地底。（圖片來自網絡）
"上天容易入地難"，人類對地球內部的認識和了解及其有限，那麼，人類如何才能認識地球內部真實面貌呢？它的結構又是如何構成的？靠打鑽是無法解決問題的，科學家只能去找另外的一種更有效的方法——利用地震波研究地球內部的構成。
地震是自古就有的一種自然現象，古人們對地震的理解大多基於神話或以宗教為基礎。比如中國陰陽論認為，陰陽的失衡導致了大地顫抖，而西方則認為因為人類行為不端，上帝特地派地震來懲罰人類。
一直到了1755年，大西洋沿岸的里斯本城市發生了一次超大地震，導致數萬人死亡，人們才開始靜下心來思考地震到底從哪裡來，最終得出了一個很樸素但又很正確的結論，那就是地震源自於地球內部。
1906年，舊金山發生了一次大地震，震後熊熊大火燃燒了三天三夜。有人發現，一個原本完整的柵欄在地震之後發生了六米位移，這引起了美國學者的注意，並據此提出了地震斷層說。斷層說指的是，地球內部的岩石處於受力狀態，當這些力積聚到一定程度時，會超過其承受的強度，因而發生一種脆性的破裂，類似於掰斷一根棍子的原理，地球內部就形成了斷層，積聚的能量就會以斷層滑動的方式最終被釋放出來，併產生了地震波。
地震波是地震時發出的一種波動。每每提到地震，人們總會覺得可怕，會聯想到唐山大地震、汶川大地震，不過，地震在科學家眼中還有另一層價值，即它能帶來更多地球內部的信息。如果把地震波繪製成圖會發現，它長得就像人的心電圖，但其實比心電圖要複雜得多，科學家的工作就是去閱讀這些複雜的地球"心電圖"，想辦法通過地震波去解析來自於地球內部和地震本身的信息。
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地震波中的"密碼"
那麼，如何才能把地震波的信號捕捉下來呢？你可能會聯想到中國古代張恆發明的地動儀，不過，這並不是現代科學意義上的地震儀，現代意義上的地震儀應該是能記錄儀器所在地點的震動情況隨時間的變化，因此有兩個要素：時間和地動強弱。
通常在地震儀中會放置三個分量的擺，分別是東西、南北和垂直分量，在地震發生時，由於慣性，擺會保持靜止，因此擺和地面之間就會產生相對位移，把這些位移數據通過電信號記錄下來，這就畫出了一張地球顫抖時的"心電圖"。全世界不同國家都有各自不同的地震監測儀，分佈在不同的地區，有海洋用陸地都有分佈，共同構成了一張無形的地震監測網，不同的國家和地區也可以根據自己不同的需求佈設地震儀。比如在我國的京津唐地區臺站的密度較高，因為這裡是經濟發達地區，而西部佈設的臺站就相對稀疏。
當地震發生之後，地震波傳播到人腳下會產生不同的感覺：如果你很敏感，首先感到上下跳動般的波動，這是P波，因為它傳播的速度比較快，因此最早到來。其後到來的是一個相對大振幅的S波，它的振動方向和傳播方向是垂直的，因此一般會感到大地前後或者左右晃動。如果繼續感受，將會感受到第三種波，叫做面波，面波以更慢的速度傳播到腳下，就像水面上傳播的水波那樣波浪滾動。通常來說，這種面波振幅最大，因此帶給人類的災害也是最大的。
▲縱波由震源向外傳播過程中，介質質點的振動方向與波的前進方向一致，如下圖所示。在地殼內，縱波傳播速度約為7~8km/s。（圖片來自網絡）
▲橫波由震源向外傳播過程中，介質質點的振動方向與波的前進方向垂直，如下圖所示。在地殼內，縱波傳播速度約為4~5km/s。（圖片來自網絡）
▲面波主要包括兩種形式，即瑞雷波（Rayleigh波，簡稱R波）和洛夫波（Love波，簡稱L波）。瑞雷波傳播時，質點在波的傳播方向和地面法線組成的平面內作橢圓運動，而與該平面垂直的水平方向沒有振動，質點在地面上呈滾動形式，如上圖所示。（圖片來自網絡）
▲洛夫波傳播時，質點只是在與波的傳播方向相垂直的水平方向運動，在地面上呈蛇形運動形式，如上圖所示。（圖片來自網絡）
地震波有走短路徑的，也有長路徑，有直達波、折射波、反射波等，總之這些波經過了地球內部的各個小角落，攜帶了地球內部的豐富的信息，因此科學家才能用地震波來研究地球的內部結構。
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從地震波開始瞭解地球
地震波能給科學家提供很多信息，比如地震時間信息、震級大小等。例如，如果把不同臺站記錄到的地震波到來時間點畫在圖上，就連成一根曲線，而曲線的斜率非常重要，斜率反映了地球內部的速度結構。譬如說，科學家怎麼知道地球由地核、地幔和地殼構成？
1909年克羅地亞地球物理學家莫霍洛維奇把當時有限的地震數據點在了一張圖上，他發現，地球某一個深度處速度發生了變化，這就是"莫霍面"，地震波在傳遞能量的過程中，在莫霍面之上速度稍微慢一些，莫霍面之下的速度忽然出現了大的變化。據此，把地球分成了地殼和地幔部分。
地核又是如何被推測出來的呢？其實，人們對地核的猜測已經由來已久。卡文迪許很早以前就告訴我們，地球的密度約為5.5克每立方厘米，可是隨便從地球上撿一塊小石頭回家稱重，它的密度大概在2.7克每立方厘米左右，與地球密度相差約兩倍，這兩倍的差異怎麼來解釋呢？常識告訴我們，越往地球的深部，壓力就會越大，物質越緻密，因此密度就會越大，但這隻可以解釋以上密度差異的一小部分。因此人們很早就猜測地球內部存在一個高密度的核，但是否存在，到底在什麼深度上，卻沒有任何證據。
科學家古登堡從地震圖上看出了一些端倪，他在追蹤S波和P波圖時發現，到某個大震中距處，S波突然間神奇的消失了，而P波也突然間減速了，這是為什麼呢？古登堡認為，在地球內部存在一個液態的核，且這個核深度存在於地下2900千米，這個數值，與現在所給出的地核距地表2890千米的數據只差十千米。
當人們欣喜地認為，人類終於知道了地球是由殼、幔、核組成的，這就已經很棒了。然而十幾年之後，丹麥女學者萊曼又發現了一個神奇的現象，在地震波P波的影區中，她發現了兩支"不該有"的P波，通過六年的思考和論證後，萊曼提出了一個很巧妙的模型：在核的內部存在一個一千二百千米的固態內核，這樣就可以完美的解釋她觀測到了所有現象。
萊曼是一位富有傳奇性的女科學家，她創造了兩個學者之最。第一，她的論文題目是最短的，只有一個字母：P'。這是什麼意思呢？這就是穿透內核的地震波的縮寫形式。第二，她也是我所認知的壽命最長的學者，1888年出生，1993年去世，活了105歲。
▲萊曼曼算出整個地球的速度。（圖片來自網絡）
至此，人類對地球的認識就從最簡單的球狀，發展到得知地球由內核、外核、下地幔、上地幔，以及地殼的分層模型。但是人類還不滿足，還想得知地球內部的速度、密度隨深度變化的曲線。例如科學家又發現了位於上地幔的"地幔轉換帶"。科學的發掘是無止境的，如果地球能像水晶球一樣透明該有多好啊！
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地震波能讓人類更好地認識、利用和關愛地球
在醫院裡檢查身體時，只需要照一個CT就能知道器官內部的健康狀況，那能不能給地球也照一個CT呢？用什麼照呢？那就是分佈不均勻的地震所發出的地震波。因為射線源來自於地震，完全是不可控、不均勻的分佈；而接收點也並非隨意密集佈設；射線路徑也不是簡單的直線，而是有長有短、有曲有直，有反射有折射，再加上地震本身的定位還存在一定的誤差。因此，對地球做全方位的CT比給人體做CT要複雜、困難得多。
比如通過地震波成像結果可以看出地震波速的變化，各種不同的顏色代表波速大小，由於地震波傳播速度與地球內部的溫度是相關的，高速就預示著地球內部的那個地方溫度比較低，而低速就表明那個地方的溫度比較高。大家都知道冰島是火山區，通過地震波成像後的圖件就可以清楚地看到，滋養冰島的熱物質上湧的源泉其實來自於很深的核幔邊界處。
那麼，地球的大尺度結構已經知曉了，地震波在當代科學家的眼中，還有什麼用處呢？
1864年凡爾納的出版了小說《地心遊記》，2008年被拍成電影，小說中提出設想，地球內部有一片汪洋大海，那麼如果這片"海洋"真的存在，學者們現在認為最大的可能是會分佈在地球內部410到660公里之間的地幔轉換帶。那麼，真相是不是這樣？這又要求助於地震波了。
▲《地心遊記》裡，地球內部有一片汪洋大海。（圖片來自網絡）
我所做的事情就是找到一些對那個深度速度結構比較敏感的波，把它們按震中距排列起來，之後會發現形成了一條很漂亮的燕尾形狀，這些"燕尾"的樣子長短、胖瘦不一，這又跟什麼有關呢？這跟地球內部的結構息息相關。通過對波形特點的精細解譯，科學家就可以去獲得地球內部的結構並進而推斷出背後的可能原因。
例如，科學家就可以進一步告訴人們，在東北亞地區下方的地幔轉換帶是含水的，但是含水的量沒有那麼多，這個水可不是我們想象中的那片汪洋大海，它是以結構水的形式存在於礦物中的。
那麼，研究這些到底有什麼意義？除了受好奇心驅動的想對自己的地球家園做更進一步的瞭解之外，研究地震波可以幫助我們去尋找油、氣、礦、水等自然資源。而且我們現在看到的，存在於地表的山川河流、平湖盆地等現象，其實都是受地球內部的過程所控制的。
再舉一個很簡單的例子，人人都知道地磁場的存在，但又從未留意過它，它就起源於地球的液態外核，不論你相信或者不相信，它無時無刻的都在保護著我們不受太陽風、太陽粒子的輻射。如果有朝一日地磁場減弱、發生反向甚至不存在了，人類將會怎樣？
因此，揭示地球內部的結構，認識內部發生的動力學過程，才會對自己的家園有更加全方位的瞭解，幫助我們更加有效地利用地球上的資源，並關愛由無數個偶然"精心"創造出的人類宜居家園。
（文字來自3月31日，SELF講壇第24期女性專場"HERO·她的故事"，經過李娟研究員審核授權）
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