地震是照亮地球内部的一盏明灯

周义钦

（上海市北郊高级中学, 上海 200081）

地震是照亮地球内部的一盏明灯

周义钦

（上海市北郊高级中学, 上海 200081）

地震作为地球内部的一种震动，发生时会产生一系列波动即地震波，而地震波是目前我们所知道的唯一一种能够穿透地球内部的波。对地震波的研究，不仅有利于人们理解地震的本质并为抗震救灾提供科学依据，更是探测地球内部结构的主要手段，也是最有效的手段。本文从地震波的特点切入，追寻科学家借助地震波探索地球内部结构的足迹，呈现了地震波在地球内部圈层划分过程中的具体作用，以及在现代地震勘探等方面的应用，以深化人们对地震及地震波的辩证认识。

一、地震波的类型与特点

地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播，形成了连续介质中的弹性波。

地震波在地球内部传播的称为体波，沿地面传播的称为面波。从震源发出的体波有两种成分: 一种代表介质体积的胀缩，称为推进波，在地壳中传播速度为5.5～7.0千米／秒，其质点振动方向与传播方向一致，所以又称纵波（P波）；另一种代表介质的变形，称为剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，其质点振动方向与传播方向垂直，所以又称横波（S波）。随着地震的发生，纵波范围内的岩石微粒的振动平行于地震波传播方向，而横波范围内的岩石微粒随波振方向成直角振颤，因而纵波较横波更快地传播到地面。由地震波的传播特点所决定，在震中区人们先觉察到的是纵波带来的上下跳动，接着而来的是横波造成的左右、前后摇晃（如图1所示）。

图1 纵波、横波传播方向示意图

图2 地震波类型示意图

在没有边界的均匀无限介质中，只有纵波和横波存在，它们可以在三维空间中向任何方向传播。但地球在空间上是有限的，是有边界的。在地表附近，体波衍生出面波（L波）。面波实际上是由纵波与横波在地表相遇后相互干扰所产生的混合波，使岩石粒子既上下运动又左右移动。其波长大、振幅强，是造成建筑物遭受强烈破坏的主要因素。面波也有几种类型（如图2所示），主要有勒夫波（横向振动传播：质点沿着水平面和波的传播方向相垂直的运动）和雷利波（纵向滚动传播：质点在平行于震波传播的垂直面上作椭圆形运动）两种形式，它们只能沿着地表界面传播，离开界面即很快衰减。面波的传播速度比体波慢，因此常比体波晚到。如果地震的震源较深，震级较小，则面波就不太发育。

地震波的传播能力与速度取决于传播介质的性质和内在的弹性。纵波反映的是地球介质的体应变，因而能在固体、液体或气体中传播；而横波反映的是地球介质的剪切应变，因流体不承受剪切变形，所以横波只能在固体中传播。在传播速度上，纵波最快，横波次之，面波最慢。波速随频率或波长而变化，这种现象叫做波的频散。在完全弹性的平行层介质中，由于各种类型的波的叠加，在地表观察到的面波频散是几何原因造成的。在地球内部，由于介质的不均匀性和非完全弹性，会导致体波的频散，这是物理原因造成的。由于频散，地震波在传播过程中会发生变化，尤其是在通过不同介质的界面时还会发生折射和反射现象，这为地球科学家构建地球内部模型提供了信息。

二、地震波与地球内部圈层的划分

地球内部的圈层构造及物质状态人们无法直接观察，我们关于地球内部的大部分知识都来源于对地震波的研究。科学家利用地震波探索地球内部信息和人们挑选西瓜的原理很相似。人们挑选西瓜都有个经验，用手拍打西瓜听其声音便可大体判断西瓜的成熟程度，这是因为不同西瓜振动时发出的音调和音色不同。科学家同样通过记录和“倾听”来自地球内部振动的交响乐——地震波来判断地球内部的结构和状态。早在十九世纪初，人们就已知道地震是一盏照亮地下的明灯。

1.莫霍面的发现

1906年，英国地震学家奥尔德姆首先试图通过地震波穿过地球的时间来推断整个地球内部构造。1909年，奥地利地震学家莫霍洛维奇在研究一次地震时发现，地震波在到达欧洲大陆地下35千米处时，传播速度突然加快，纵波的速度从7.0千米/秒左右突然增加到8.1千米/秒左右；横波的速度也从4.2千米/秒突然增至4.4千米/秒（如图3所示）。这说明该深度处的上下物质在成分或状态上有改变，这个深度就是上下两种物质的分界面，即不连续面。根据分析，1910年莫霍洛维奇提出地球有内外层之分。他指的内外层就是我们所说的地幔和地壳，而地壳与地幔的分界面也就是后来所称的“莫霍洛维奇不连续面”（莫霍面）。接下来的研究发现，这一现象具有全球性。莫霍面的深度在大陆之下平均33千米之处，在大洋之下平均为7千米，平均深度为17千米。

图3 地震波在地球内部传播示意图

2.古登堡面的确定

从震源发出的地震波会通过地球介质向各个方向传播，尤其是体波可以从比较小的角距离到比较大的角距离被连续地追踪，从而可以在世界各地通过地震仪记录到。但地震学家发现，大地震发生后，在距地震震中103°（约11400 km）～143°（约15800 km）的纬距范围内记录不到地震纵波，出现了一个“P波影区”（如图4所示）。于是他们猜想，地球内部还具有分层结构。

图4 纵波在地球内部传播示意图

1914年，德国地震学家古登堡根据地震纵波的“影区”确认了地核的存在，并测定了地幔和地核之间的不连续面，即为后来所称的“古登堡不连续面”（古登堡面），其深度约为2900千米。这个数值相当准确，直到现在也改进不多。在此不连续面处，横波突然消失，纵波发生了折射，且速度明显下降。根据地核不能传播横波的特性，当时地震学家又推断出地核是液态的。

3.地核的分层及深入探索

1936年，丹麦女地震学家莱曼在研究深部震源的地震图时，注意到纵波在通过地核内部时会再次发生折射，看起来好像被一些东西所弹开。莱曼进一步分析了这个问题，得出结论是这种类型的波动仅仅在地核存在双层结构时才能产生，从而认为地核是由液态的外核和固态的内核所组成的。

莱曼在纵波的“阴影带”中辨认出地球的固态内核，当时很多专家对此表示怀疑，但最后还是莱曼胜利了。她的“武器”不是别的，就是地震观测资料。后来的科学家们在地核内部记录到了由纵波衍射转化而来的较微弱的横波，更进一步证明了莱曼的发现。为纪念莱曼的贡献，人们把古登堡界面至地心之间的地下约5100千米处的次级不连续面称为“莱曼面”（又译作“雷门面”），并依此将地核分为外核和内核。

当然，内外核也不是截然分开的。近期有学者研究认为，在内外核之间还存在一个“过渡层”，深度在地下4170千米～5155千米之间，且地球内核的转动速度要比地壳和地幔的快。1996年，中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波，进一步推断出内核旋转速度要比外核快（如图5所示），这个发现进一步加深了人类对地球内部构造的认识。

图5 地球内核的旋转示意图

这样，通过对地震波的研究，我们大体知晓了地球内部结构的圈层画面(如表1所示)。地球的岩石圈，包括地壳和上地幔的顶部，主要由属火成岩的花岗岩、玄武岩和橄榄岩组成；岩石圈的地壳部分由花岗岩或玄武岩组成，地幔部分由密度较大、粗颗粒的侵入岩石——橄榄岩组成。大部分半熔化的地幔部分，即软流层，也被认为是由橄榄岩组成的。地球的下地幔部分是固态的，可能由含铁、硅和镁的简单氧化物组成。对穿过地核的地震波以及对重力的研究表明，地球中心部分的密度很大，可能是由铁和镍的混合物组成的。

表1 地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据

三、地震波的多种应用

利用地震波的另外一个重要方面是现代地震勘探。由于地震勘探具有其它地球物理勘探方法所无法达到的精度和分辨率，所以在石油和其它矿产资源的勘探中，用地震波进行勘探是最主要和最有效的方法之一。各种矿产资源在构造上都会具有某种特征，如石油、天然气只有在一定封闭的构造中才能形成和保存。地震波在穿过这些构造时会产生反射和折射，通过分析在地表接收到的信号，就可以对地下岩层的结构、深度、形态等作出推断，从而可以为以后的钻探工作提供准确的定位（如图6所示）。我国的大油田，如大庆、胜利、辽河、塔里木油田等，都是利用这一方法发现的。本世纪初，我国在南海发现可燃冰，也是靠人工地震的办法得出的。

图6 利用地震波进行勘探示意图

利用地震波还可以为国防建设服务。众所周知，现在全球绝大部分国家都已正式签署了全面禁止核试验条约（CTBT），但所面临的一个共同问题是，如何有效地监测全球地下核爆炸，而这正是地震学的用武之地。地下核爆炸和天然地震一样也会产生地震波，会在各地地震台的记录上留下痕迹。由于地下核爆炸和天然地震的记录波形是有一定差异的，因此根据其波形不仅可以将它与天然地震区分开来，还可以得出其发生时刻、位置、爆炸当量等信息。

其实，地震波的应用还远不止以上这些。例如，目前用地震的方法预测火山喷发取得了很大的进步；对水库诱发地震的研究可以为大型水库提供安全保障，例如我国的三峡工程，对其库区地震灾害的研究就是工程可行性论证的重要内容之一；对矿山地震的监测是保护矿山安全的重要手段之一。因此，地震学这门古老的学科，不断获得活力，正在成为迅速发展的前沿学科之一。

地震本是自然灾害，特别是强度高的大地震，会给人类造成重大灾难。但同时地震也能带来一些难得的好处，为我们了解地球内部的奥秘创造了条件。正如近代俄罗斯地震学家伽利津所说的：“可以把一次地震比作一盏灯，它点燃的时间很短，却为我们照亮了地球的内部，使我们了解到在地球内部发生了些什么……”。地心虽不能至，但因有了地震波这个真正能到地心旅行的信使，终究使地球的内部结构逐渐清晰明亮起来。当然，地球内部的未解之谜仍然很多，还需要人类继续探索。

参考资料：

[1] 探测地球内部的“雷达”——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] 陈颙,史培军.自然灾害[M].北京:北京师范大学出版社,2007.