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要怎么知道地球的内部构造?何不问问神奇地震波!——帮地球照一张X 光(1)

  • 文/洪瑞骏|对地球科学充满好奇与想像的南部仔,因为2006 屏东双主震摇起对地震学的热诚,目前在地震源与构造实验室当个快乐的研究助理,梦想是当科学家(烟)。

地球构造图。source:wikipedia

现在只要在google 上搜寻地球构造,立刻就有上百张地球内部构造的图片,这些图片描述着地球有着地壳,包覆着厚厚的地函,然后中间有颗炽热的地核,如下图。乍看之下,地球就像是一颗鸡蛋:薄薄的外壳、蛋白地函、以及圆润的蛋黄地核。然而,真实的地球半径大概是6,400 公里,即便是那「薄薄的壳」都有10~30 公里厚。这是如何知道的呢?

source:里约奥运直播截图

有些人会说为何不直接钻一口井直达地心就好?眼见为凭是最直接的方式!虽然2016 年里约奥运闭幕影片上,安倍首相借着哆啦A梦的道具从日本钻井穿越地球到巴西,但以现实来说,钻井遇到的极端压力及超高温度,要直达地心仍是不可能(目前最好的钻井技术大概只能刚好穿破地壳而已)。因此,也只有仰赖非侵入式的探勘了!

又不是带地球看医生,怎用「非侵入式探勘」?

当我们照一张X光时,部分的X光波会穿越身体并显影出来,然而,如果X光碰到骨骼等硬物时便会反射,在影像上便无法呈现而留下空白(这也就是为什么照X光时,医护人员都会提醒项链要拿掉,你应该不希望项链乱凑一脚吧?),虽然我们无法直接拿医疗用的X光穿透地心,但却可以运用同样的原理探勘地球内部。如果我们能制造出穿过地心的波动,地球构造也可以像拍X光一样来得到才对,答案很接近了!所以,我们缺乏的关键就是:要如何制造巨大的波动源?最好还要传得够远、能穿进地球深处。

地球的内部构造以及现今广为接受的地球内部震波速度。图/作者提供

故事要先回到1889 年4 月17 日,德国天文学家瑞布尔帕西维兹(Ernst von Rebeur-Paschwitz)一如往常地走到他在波茨坦电报山(Telegraph Hill)的重力观测站查看天文引力(因为天体造成引力的变化)留下的重力纪录。那天,不同于往常圆滑的波动,一个短暂而剧烈震荡的讯号被记录下,如下图,起初他十分困惑,不知道该如何解释这个古怪的讯号。

不久,有消息表示,日本遭受了一场大地震,时间正是它观测到这个讯号前的几个小时,他立刻意识到原来这是远自日本的地震波纪录!这是世界上第一张远震纪录,地震波穿越了1/4 个地球,摇晃了将近9,000 公里外的仪器。至此,我们理解了地震发生时,震波其实是可以扰动整个地球的。完美的波动源找到了—地震!人体虽感受不到来自远方的振动,但灵敏的仪器却有办法接受到。

最早的远震波形。证明地震波并非仅在震央附近传递,而是可以抵达很远的距离(于波茨坦重力仪量到之日本地震波,1889)。图/作者提供

侦测细微震波的最佳利器:地震仪

前面提到,天然地震提供了强大的震源能量,最好的接收器莫过于地震仪。

世界上第一台地震仪是1755 年由义大利人所发明; 19 世纪起,高精度的地震仪开始量产,其中包括、威赫式地震仪、米尔恩-格雷地震仪等。这些仪器被安置在世界各地(但还不普及),开始了地震的科学观测。1906 年旧金山发生规模7.8 的地震,在克罗埃西亚札格瑞布天文台的地震仪也划下这场地震的波动,当时的著名地震学家莫霍洛维奇(Andrija Mohorovičić )很快就意识到,若要有更好的纪录,必须要申请经费添购更多、精度更高的地震仪。

增设地震仪乃先见之明之举,因为在稍后的1909 年,札格瑞布南方40 公里便发生强烈地震,他安置的几部地震仪清楚记下完整的震波纪录,根据不同位置的波动纪录,他将地震仪相对于震央距离排开,并对齐地震发生时间作图(走时图,下图,参考注1)。

如果波速完全固定、地底构造完全一致,则震波的走时曲线应该仅是单一的排列,但他发现有些震波到一定距离过后,其走时曲线出现明显的不同(地震波传递速度突然加快)。由于地震站离震央越远,震波扫过的深度就越深,他便理解到这表示在地底较深处有另一个构造,由于震波速度非常不同,它与浅部的地质材料组成应该非常不一样(当时还未知其组成)。

这个边界,正是区分地壳与地函(蛋壳与蛋白)的位置。后人为了纪念他的发现,便以他的名字命名,称莫氏不连续面(或称莫荷面),其中不连续的意思是指速度在此出现不连续,有突然加快的特征。

莫霍洛维奇的走时图手稿。图/作者提供

是什么让地震波「加速」?

当地震发生后,震波在地球内部传递,一开始的波在地壳里传递(以Pg 波/Sg 波称呼)。由于波传递越远,震波扫过的深度会增加,当扫到莫荷面时,会出现反弹波以及沿着莫荷面前进的波(称Pn 波/Sn 波),这个波以较快的速度前进,因此在走时图上便会看到另一条行进较快的波相(下图)「超车」了,而藉由简单的运算(距离÷时间)就可以算出波经过该介质的速度。

然而,在真实的自然界中,地球构造的复杂性,让地震波更加复杂,而随仪器逐渐精巧进步,也让地震学家发现更多的波相,仔细再分可能地球内部还有好多不同的分层,自此往后几年内,地球深部构造的探勘似乎成了热门的议题。

所以接下来的另一篇文章,我们将随着过去的科学家如何找寻深入地球核心的地震波,解释地震学家是如何找到地球的蛋黄。敬请期待下回分晓!

左:利用模拟所得到的 Sg 波(地壳中的 S 波,黑线)以及 Sn 波(在莫荷面上的 S 波,蓝线),模型设定的地壳波速为 2km/s、地函为 6km /s。模拟出的走时图中,Sg 和 Sn便分别为 2.1 km/s 与6km/s 的速度前进。右:Sg 波与 Sn 波在地球中传递的方式,由于 Sn 波是以地函的速度前进,因此有可能比 Sg 快。图/作者提供

注解

走时图指将地震波纪录对齐某一个时间(通常是地震发生时间),并依照震央距离排开,地震学家可以藉由分析不同震波传递的过程来判断震波经过的地底构造特征(如上图) 。
参考文献

Herak, D. and M. Herak (2007) Andrija Mohorovičić (1857-1936)—On the occasion of the 150th anniversary of his birth. Seismol. Res.Lett. Vol. 78, 6.
Shearer, MP (2009) Introduction to Seismology. Second Edition, Cambridge Univ. Press. New York.
Zhu, L., Luis A. Rivera (2002) A note on the dynamic and static displacements from a point source in multilayered media. Geophys. J. Int. Vol. 148,3.
本文转载自震识:那些你想知道的震事,原文为《帮地球照一张X光(I)地震学家如何用地震波了解地球构造?》,也欢迎追踪粉丝页震识:那些你想知道的震事了解更多地震事。

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