周義欽

（上海市北郊高級(jí)中學(xué), 上海 200081）

地震是照亮地球內(nèi)部的一盞明燈

周義欽

（上海市北郊高級(jí)中學(xué), 上海 200081）

地震作為地球內(nèi)部的一種震動(dòng)，發(fā)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列波動(dòng)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(nèi)部的波。對(duì)地震波的研究，不僅有利于人們理解地震的本質(zhì)并為抗震救災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，更是探測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段，也是最有效的手段。本文從地震波的特點(diǎn)切入，追尋科學(xué)家借助地震波探索地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的足跡，呈現(xiàn)了地震波在地球內(nèi)部圈層劃分過(guò)程中的具體作用，以及在現(xiàn)代地震勘探等方面的應(yīng)用，以深化人們對(duì)地震及地震波的辯證認(rèn)識(shí)。

一、地震波的類型與特點(diǎn)

地震發(fā)生時(shí)，震源區(qū)的介質(zhì)發(fā)生急速的破裂和運(yùn)動(dòng)，這種擾動(dòng)構(gòu)成一個(gè)波源。由于地球介質(zhì)的連續(xù)性，這種波動(dòng)就向地球內(nèi)部及表層各處傳播，形成了連續(xù)介質(zhì)中的彈性波。

地震波在地球內(nèi)部傳播的稱為體波，沿地面?zhèn)鞑サ姆Q為面波。從震源發(fā)出的體波有兩種成分: 一種代表介質(zhì)體積的脹縮，稱為推進(jìn)波，在地殼中傳播速度為5.5～7.0千米／秒，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致，所以又稱縱波（P波）；另一種代表介質(zhì)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(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向垂直，所以又稱橫波（S波）。隨著地震的發(fā)生，縱波范圍內(nèi)的巖石微粒的振動(dòng)平行于地震波傳播方向，而橫波范圍內(nèi)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(diǎn)所決定，在震中區(qū)人們先覺察到的是縱波帶來(lái)的上下跳動(dòng)，接著而來(lái)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(wú)限介質(zhì)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(shí)際上是由縱波與橫波在地表相遇后相互干擾所產(chǎn)生的混合波，使巖石粒子既上下運(yùn)動(dòng)又左右移動(dòng)。其波長(zhǎng)大、振幅強(qiáng)，是造成建筑物遭受強(qiáng)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(dòng)傳播：質(zhì)點(diǎn)沿著水平面和波的傳播方向相垂直的運(yùn)動(dòng)）和雷利波（縱向滾動(dòng)傳播：質(zhì)點(diǎn)在平行于震波傳播的垂直面上作橢圓形運(yùn)動(dòng)）兩種形式，它們只能沿著地表界面?zhèn)鞑?，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(jí)較小，則面波就不太發(fā)育。

地震波的傳播能力與速度取決于傳播介質(zhì)的性質(zhì)和內(nèi)在的彈性。縱波反映的是地球介質(zhì)的體應(yīng)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(zhì)的剪切應(yīng)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(zhǎng)而變化，這種現(xiàn)象叫做波的頻散。在完全彈性的平行層介質(zhì)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(nèi)部，由于介質(zhì)的不均勻性和非完全彈性，會(huì)導(dǎo)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(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，尤其是在通過(guò)不同介質(zhì)的界面時(shí)還會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，這為地球科學(xué)家構(gòu)建地球內(nèi)部模型提供了信息。

二、地震波與地球內(nèi)部圈層的劃分

地球內(nèi)部的圈層構(gòu)造及物質(zhì)狀態(tài)人們無(wú)法直接觀察，我們關(guān)于地球內(nèi)部的大部分知識(shí)都來(lái)源于對(duì)地震波的研究?？茖W(xué)家利用地震波探索地球內(nèi)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(gè)經(jīng)驗(yàn)，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?yàn)椴煌鞴险駝?dòng)時(shí)發(fā)出的音調(diào)和音色不同。科學(xué)家同樣通過(guò)記錄和“傾聽”來(lái)自地球內(nèi)部振動(dòng)的交響樂(lè)——地震波來(lái)判斷地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。早在十九世紀(jì)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(fā)現(xiàn)

1906年，英國(guó)地震學(xué)家奧爾德姆首先試圖通過(guò)地震波穿過(guò)地球的時(shí)間來(lái)推斷整個(gè)地球內(nèi)部構(gòu)造。1909年，奧地利地震學(xué)家莫霍洛維奇在研究一次地震時(shí)發(fā)現(xiàn)，地震波在到達(dá)歐洲大陸地下35千米處時(shí)，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(shuō)明該深度處的上下物質(zhì)在成分或狀態(tài)上有改變，這個(gè)深度就是上下兩種物質(zhì)的分界面，即不連續(xù)面。根據(jù)分析，1910年莫霍洛維奇提出地球有內(nèi)外層之分。他指的內(nèi)外層就是我們所說(shuō)的地幔和地殼，而地殼與地幔的分界面也就是后來(lái)所稱的“莫霍洛維奇不連續(xù)面”（莫霍面）。接下來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)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(nèi)部傳播示意圖

2.古登堡面的確定

從震源發(fā)出的地震波會(huì)通過(guò)地球介質(zhì)向各個(gè)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(xù)地追蹤，從而可以在世界各地通過(guò)地震儀記錄到。但地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大地震發(fā)生后，在距地震震中103°（約11400 km）～143°（約15800 km）的緯距范圍內(nèi)記錄不到地震縱波，出現(xiàn)了一個(gè)“P波影區(qū)”（如圖4所示）。于是他們猜想，地球內(nèi)部還具有分層結(jié)構(gòu)。

圖4 縱波在地球內(nèi)部傳播示意圖

1914年，德國(guó)地震學(xué)家古登堡根據(jù)地震縱波的“影區(qū)”確認(rèn)了地核的存在，并測(cè)定了地幔和地核之間的不連續(xù)面，即為后來(lái)所稱的“古登堡不連續(xù)面”（古登堡面），其深度約為2900千米。這個(gè)數(shù)值相當(dāng)準(zhǔn)確，直到現(xiàn)在也改進(jìn)不多。在此不連續(xù)面處，橫波突然消失，縱波發(fā)生了折射，且速度明顯下降。根據(jù)地核不能傳播橫波的特性，當(dāng)時(shí)地震學(xué)家又推斷出地核是液態(tài)的。

3.地核的分層及深入探索

1936年，丹麥女地震學(xué)家萊曼在研究深部震源的地震圖時(shí)，注意到縱波在通過(guò)地核內(nèi)部時(shí)會(huì)再次發(fā)生折射，看起來(lái)好像被一些東西所彈開。萊曼進(jìn)一步分析了這個(gè)問(wèn)題，得出結(jié)論是這種類型的波動(dòng)僅僅在地核存在雙層結(jié)構(gòu)時(shí)才能產(chǎn)生，從而認(rèn)為地核是由液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核所組成的。

萊曼在縱波的“陰影帶”中辨認(rèn)出地球的固態(tài)內(nèi)核，當(dāng)時(shí)很多專家對(duì)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(cè)資料。后來(lái)的科學(xué)家們?cè)诘睾藘?nèi)部記錄到了由縱波衍射轉(zhuǎn)化而來(lái)的較微弱的橫波，更進(jìn)一步證明了萊曼的發(fā)現(xiàn)。為紀(jì)念萊曼的貢獻(xiàn)，人們把古登堡界面至地心之間的地下約5100千米處的次級(jí)不連續(xù)面稱為“萊曼面”（又譯作“雷門面”），并依此將地核分為外核和內(nèi)核。

當(dāng)然，內(nèi)外核也不是截然分開的。近期有學(xué)者研究認(rèn)為，在內(nèi)外核之間還存在一個(gè)“過(guò)渡層”，深度在地下4170千米～5155千米之間，且地球內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)速度要比地殼和地幔的快。1996年，中國(guó)旅美學(xué)者宋曉東通過(guò)研究穿過(guò)地核的地震波，進(jìn)一步推斷出內(nèi)核旋轉(zhuǎn)速度要比外核快（如圖5所示），這個(gè)發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步加深了人類對(duì)地球內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)識(shí)。

圖5 地球內(nèi)核的旋轉(zhuǎn)示意圖

這樣，通過(guò)對(duì)地震波的研究，我們大體知曉了地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(rèn)為是由橄欖巖組成的。地球的下地幔部分是固態(tài)的，可能由含鐵、硅和鎂的簡(jiǎn)單氧化物組成。對(duì)穿過(guò)地核的地震波以及對(duì)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(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)及各圈層的主要地球物理數(shù)據(jù)

三、地震波的多種應(yīng)用

利用地震波的另外一個(gè)重要方面是現(xiàn)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(wú)法達(dá)到的精度和分辨率，所以在石油和其它礦產(chǎn)資源的勘探中，用地震波進(jìn)行勘探是最主要和最有效的方法之一。各種礦產(chǎn)資源在構(gòu)造上都會(huì)具有某種特征，如石油、天然氣只有在一定封閉的構(gòu)造中才能形成和保存。地震波在穿過(guò)這些構(gòu)造時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射，通過(guò)分析在地表接收到的信號(hào)，就可以對(duì)地下巖層的結(jié)構(gòu)、深度、形態(tài)等作出推斷，從而可以為以后的鉆探工作提供準(zhǔn)確的定位（如圖6所示）。我國(guó)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(fā)現(xiàn)的。本世紀(jì)初，我國(guó)在南海發(fā)現(xiàn)可燃冰，也是靠人工地震的辦法得出的。

圖6 利用地震波進(jìn)行勘探示意圖

利用地震波還可以為國(guó)防建設(shè)服務(wù)。眾所周知，現(xiàn)在全球絕大部分國(guó)家都已正式簽署了全面禁止核試驗(yàn)條約（CTBT），但所面臨的一個(gè)共同問(wèn)題是，如何有效地監(jiān)測(cè)全球地下核爆炸，而這正是地震學(xué)的用武之地。地下核爆炸和天然地震一樣也會(huì)產(chǎn)生地震波，會(huì)在各地地震臺(tái)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(jù)其波形不僅可以將它與天然地震區(qū)分開來(lái)，還可以得出其發(fā)生時(shí)刻、位置、爆炸當(dāng)量等信息。

其實(shí)，地震波的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止以上這些。例如，目前用地震的方法預(yù)測(cè)火山噴發(fā)取得了很大的進(jìn)步；對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的研究可以為大型水庫(kù)提供安全保障，例如我國(guó)的三峽工程，對(duì)其庫(kù)區(qū)地震災(zāi)害的研究就是工程可行性論證的重要內(nèi)容之一；對(duì)礦山地震的監(jiān)測(cè)是保護(hù)礦山安全的重要手段之一。因此，地震學(xué)這門古老的學(xué)科，不斷獲得活力，正在成為迅速發(fā)展的前沿學(xué)科之一。

地震本是自然災(zāi)害，特別是強(qiáng)度高的大地震，會(huì)給人類造成重大災(zāi)難。但同時(shí)地震也能帶來(lái)一些難得的好處，為我們了解地球內(nèi)部的奧秘創(chuàng)造了條件。正如近代俄羅斯地震學(xué)家伽利津所說(shuō)的：“可以把一次地震比作一盞燈，它點(diǎn)燃的時(shí)間很短，卻為我們照亮了地球的內(nèi)部，使我們了解到在地球內(nèi)部發(fā)生了些什么……”。地心雖不能至，但因有了地震波這個(gè)真正能到地心旅行的信使，終究使地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸清晰明亮起來(lái)。當(dāng)然，地球內(nèi)部的未解之謎仍然很多，還需要人類繼續(xù)探索。

參考資料：

[1] 探測(cè)地球內(nèi)部的“雷達(dá)”——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(zāi)害[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2007.