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内地核是固态还是液态?何不问问地震波!——帮地球照一张X 光(2)

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)。

编按:在前篇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(2)一文中,提到人们开始利用地震仪探索地球内部构造,在这数十年的岁月中,又有哪些突破性的进展呢?让我们继~~续~~看~~下~~去!

图/BY Apollo 17 @ wikimedia commons

「消失」的震波
如果我们将地震仪绕着地球一圈摆放,便可发现,在震央距(注1) 某些范围没有S 波讯号,仅有微弱的P 波通过,而且震波抵达的时间比预期慢(图ㄧ)。这便引起地震学家的注意了,毕竟如果地球内部若是均匀一致,S 波又怎么会消失?到时(波传到的时间)又怎么会变慢?

对科学家而言,往往最感兴趣的就是调查「不合理」的事物。1914年,古腾堡(Beno Gutenberg)从这样的观测结果,推测地球内部应该有个「地核」(就如同蛋的蛋黄般)存在,使震波纪录在地函-地核交界处出现不连续(命名为古氏不连续面,以纪念古腾堡,注2)。从下方图一右边的震波走时曲线(详见上篇介绍)可以清楚看到这个不连续的位置,笔者以红色箭头标示出这个异常位置,可以发现在震央距143˚~180 ˚位置抵达的P波到时比预期晚,而且S波消失了,这意味着震波通过了另一个构造(事实上就是穿过了地核,当时古腾堡用P'来表示)。迟到的P波,代表的是通过地核时「波速变慢」吗?从观测结果来说似乎是对的,但也不完全正确,因为介质的变化太大了,事情其实颇为复杂。

图一、若将地震仪绕地球一圈放,在各地的震波纪录,可以清楚看到P波及S波传递的情形,其中在103˚~143˚ (图中灰色范围)直达的 P 波和 S 波都消失(绿色波)。图/作者修改自IRIS

至于「S 波消失」这件事,很明显的外核(当时认为是地核)是种「S 波无法穿透的物质」。从震央距103˚ 开始,P 波和S 波就会打到地核,S 波无法穿过地核而无法被接收;此外根据物理定律,P 波也因为入射角/出射角的偏离而无法被清楚记录。直到143˚ 出现穿越地球而过的P 波,我们称这段范围为阴影带(没有直接传递的P 和S 波),只会有些许的绕射波(注2)被记录到(图三) 。根据古腾堡当时的估算,这个核的深度大概是2,900 公里,这与现代认为的2,889 公里,仅有些微的差距。

图二、左:若按照过去的液态地核模型,则在103˚~143˚会出现所谓『阴影带』,地震波无法到达这个位置。右:莱曼发现的几个出现在阴影带内的反射波(红色箭头),暗示应该有一个介面在地球深处,把震波弹回地表(Lehmann, 1936)。

「漏看」的震波

接着,在发现地核后,一直到1930 年代前,科学家们认为有着一层地壳、地函、和液态地核。然而,进一步的发现则要等到约30 年后的1929 年,纽西兰的强震说起。当另一端南半球的震波穿越地球到达欧洲,丹麦地震学家莱曼(Inge Lehmann)发现到另一种不同的波相,她推测这个这个波是从震源一路穿过地球核心而来,且震波速度又与古腾堡发现的P'不尽相同。这个波相过去被视为是绕射波,然而从频率、震幅等几个特性暗示它与绕射波有所不同(莱曼因此称为P3')。

此外,从记录中看到在103˚~143˚ 这段阴影带内,其实藏着清楚的反射波,这暗示有一个介面,把震波从地核弹回地表(图三),然而这在古腾堡发表的走时图中并未加以讨论。莱曼试着解释这个波相,她曾在这篇1936 年经典的文献中写道:

An explanation of the P 3 ' wave is required, since now it can hardly be considered probable that it is due to diffraction. A hypothesis will be here suggested which seems to hold some probability, although it cannot be proved from the data at hand. We take it . . . that inside the core there is an inner core in which the velocity is larger than the outer core.

(译)既然了解不太可能是绕射效应造成,我们便需要解释P3' 波。在此提出了一个假说,虽然现在尚缺乏有力的资料证明,但我们认为…在地球核心里面还从在一个速度更快的内核。

莱曼大胆假设,如果这个核里面还有一个内核的话,就可以解释她看到的现象,她假设地函10 km/s 每秒以及地外核8 km/s,再放入一个速度较快的内地核(图三)。当时她仅利用直线与三角函数来计算,却已经可以完美解释大部分的现象!她于1936 年发表了内地核的看法。不过,当这样的假设通过验证后,莱曼并没有近一步推算更多参数(例如确切的地内核速度、大小、组成等)。后来在1938 年当古腾堡与芮克特重新检验这个模型后,基本上也同意内地核的想法。

接着经过几年的验证与讨论后,越来越多的地震学者支持这样的模型,1939 年杰佛瑞斯和布林提出了地球速度模型时(著名的Jeffreys-Bullen Velocity Table),也将固态内地核列入考虑。

图三、莱曼所提出的包含地内核的地球模型,能解释阴影带内(灰色区域)出现的反射波以及P3'(红色箭头)。修改自Lehmann, 1936。

由于仪器进步、日益广泛运用,以及科学家们的细心观察,加上时有大胆的假设与严谨求证。短短数十年的光景,人类已经逐渐「摸透」地球内部的主要构造。然而,并非所有研究发展都如此顺遂。回溯到1910 年代左右的时间点,除了地震学的发展外,还有个刚起步萌芽的假说:韦格纳(Alfred Lothar Wegener)提出大陆会移动的想法。可惜当时人们无法解释驱动大陆运动的成因,他的假说便被束之高阁,等到二次世界大战后,海洋探勘的兴起才能将这块拼图凑齐,加上地震学对于地球内部的掌握,进一步发展起板块学说(Tectonics)以及地体动力学(Geodynamics),以至于现代,我们才能对地球有个初步的认识。

注解

震央距系指从震央开始为起点计算与测站的距离。由于地球很大,我们改用圆周角度来表示。因此通常将地球圆周分为360˚来表示距离(类似经度的概念)。
最早将此介面命名为「古氏不连续面」的典故虽已不得而知。一般在学术界也多以「核-函边界」予以称呼。考虑到此为科普文章,且台湾的地科教科书也多以古氏不连续面作为介绍,故本文还是用此称呼来表示核函边界(可参考龚慧贞老师在科学月刊552 期的说明)。
参考文献
Bolt, BA (1987) 50 years of studies on the inner core. EOS., Vol. 68, 6.
Bolt, BA & E. Hjortenberg (1994) Memorial Essay Inge Lehmann (1888-1993) Bull. Seismol. Soc. Am. Vol. 84, 1.
Lehmann, I. (1936) P', Publ. Bur. Cent. Seismol. Int. Trav. Sci. Ser. A, 14, 87.
Lehmann, I. (1987) Seismology in the days of old. EOS., Vol. 68,3.
龚慧贞,2015。谈谈「古氏」与「雷氏」不连续面。科学月刊552 期。
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(II)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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