“透明地球”黑科技：用地震波給地球做CT

地球發(fā)生的重大事件，往往都與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如火山噴發(fā)，就是內(nèi)部的液態(tài)巖漿物質(zhì)噴出地表的現(xiàn)象。

我們知道美國的黃石火山公園是地球上最大的陸地火山活動區(qū)域，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過超級大噴發(fā)。而且那里的火山地?zé)峄顒右恢狈浅；钴S，科學(xué)家也一直在監(jiān)測地下巖漿的分布和活動狀況。據(jù)一項新的研究報告披露，黃石火山噴口下的地殼中，已經(jīng)存儲的巖漿比原先認(rèn)為的要多，存在再次大噴發(fā)的可能。

那么科學(xué)家是如何知曉幾千米到幾十千米之下的地殼結(jié)構(gòu)的呢？

對于了解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們有兩類方法可用。一是直接切開，就像切開一個西瓜一樣，打開后，我們對它們里面的情況就一目了然。人體檢查或者治療時也經(jīng)常通過手術(shù)來完成。

當(dāng)然，現(xiàn)代科技已經(jīng)可以不通過直接接觸人體，就能探測出體內(nèi)的微細(xì)結(jié)構(gòu)如血管、息肉、腫瘤等等。例如十分普及的“CT”技術(shù)，全稱是“計算機(jī)斷層掃描術(shù)”。 CT診斷就用X射線掃描人體來獲得大量的數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)復(fù)雜且大量的運(yùn)算，把X射線形成的影像繪制在一張“斷層”片上，讓肉眼能夠識別探測部位的細(xì)微結(jié)構(gòu)以及變異情況。CT的工作原理是，通過儀器向人體某個部位發(fā)射X射線，人體的不同組織器官對X射線吸收能力不同，因此同一束X射線在透過人體不同的組織器官之后，就發(fā)生了不同程度的改變，這時候再將這種差異性改變，轉(zhuǎn)化成我們易于解釋的圖像，就可以用于診斷了。

配圖來自于圖蟲網(wǎng)

類似的技術(shù)也可以用來探測地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但地球與人體不同。人體小，在通常的CT儀器中就可以進(jìn)行各個方向的三維立體掃描。而對地球太大，我們不可能制造一個巨大無比的CT儀器，把地球包裹起來做三維掃描。所以，給地球做CT更加困難，更需要“黑科技”。

事實上，為了了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，科學(xué)家已經(jīng)開展了近百年的努力?；贑T技術(shù)相似的原理與思路，科學(xué)家把X射線這一電磁波，換成由物體振動而產(chǎn)生的彈性波，如地震波，并基于更強(qiáng)大的計算機(jī)計算技術(shù)獲得地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。在1975年的時候，科學(xué)家開發(fā)出了地震反射成像技術(shù)，奠定了現(xiàn)今廣泛采用的地震層析成像的基礎(chǔ)，能夠通過地震勘探的方法，繪制出地下的結(jié)構(gòu)，并用于尋找石油天然氣礦藏等。

這種方法需要借用地震產(chǎn)生的地震波，對于幾百米到幾千米深度的探測，我們可以使用人工爆破制造的地震波來實現(xiàn)。例如在石油勘探中就廣泛使用人工地震制造特定強(qiáng)度的地震波，用來探測地層里面是不是有石油。

同樣的原理，如果地球深部也存在不同性質(zhì)的巖石的話，地震波在其中的傳播方向和速度也會發(fā)生變化，我們就可以地震探測到分層結(jié)構(gòu)的界面。當(dāng)然，對于半徑達(dá)到6000多千米的地球來說，人工地震造成的地震波無法到達(dá)地球深部，也就無法探測到那里的物理信息了。這時，需要通過震級較大的天然地震來實現(xiàn)。從這個角度來講，地震在造成天然災(zāi)害的同時，也為科學(xué)家探測地球內(nèi)部通過了機(jī)會。

為了便于更好地理解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)是如何知曉，我們需要知道地震波在不同的物質(zhì)中的傳播速度有什么不同?？茖W(xué)家根據(jù)地震波的傳播特性，把它分解為橫波和縱波，二者隨著巖石的密度增大時，速度都會增加。但當(dāng)遇到液態(tài)物質(zhì)時，縱波速度會顯著降低，而橫波的傳播速度會直接降低到0。也就是說橫波無法穿過液態(tài)物質(zhì)，縱波可以緩慢穿過液態(tài)物質(zhì)。開始的時候，我們談到的黃石高原下面存在大的巖漿儲庫，也是通過地震方法探測出來的，因為地震波通過含熔體的巖漿時，它的縱波速度會顯著降低，橫波降低到0，科學(xué)家就可以通過大量計算和反演得到巖漿儲庫的深度和大小了。

利用這個方法和原理，科學(xué)家通過分析分布在全球各地地震儀中接受到的橫波和縱波的速度變化情況等，分析出地下物質(zhì)的密度差異，以及是否存在液態(tài)物質(zhì)等來劃分地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

通過對大量地震數(shù)據(jù)的分析，地球的內(nèi)部圈層已經(jīng)得到了很好的限定。這就是我們經(jīng)常聽到的，地球主要包括地殼、地幔和地核三大圈層。

具體來看，地殼是地球表面一層由固體巖石組成的堅硬外殼。地殼厚薄不一，海洋地殼薄，一般為5~10千米；大陸地殼厚，平均厚度為39~41千米，有高大山脈的地方地殼會更厚，最厚達(dá)70千米，如青藏高原。

地幔是從地殼底部到外核的部分，頂界稱為莫霍界面，底界為古登堡界面，深度在2900千米深處，占地球總體積的80%。根據(jù)地震波波速的變化，地幔分為上地幔和下地幔。上地幔的上部存在一個軟流層，溫度很高，巖石部分熔融，能緩慢流動。科學(xué)家推斷，軟流層是火山巖漿的主要發(fā)源地，地球板塊的運(yùn)動也與之相關(guān)。

最里面就是地核了。地核主要由鐵和鎳等金屬組成，厚度約3 400多千米。根據(jù)地震波的變化，可將地核分為外核和內(nèi)核兩層。外核是熔融狀態(tài)的金屬物質(zhì)，外核液態(tài)物質(zhì)的運(yùn)動形成了地球的磁場。內(nèi)核是一個密度極大的固體金屬球，超強(qiáng)的壓力將鐵原子和原子緊緊擠壓在一起。

目前，我國給地球做CT，讓地球成為“透明地球”，不僅有地震層析成像法，還有電磁波層析成像法，不僅應(yīng)用于石油天然氣等能源礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，而且還應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)、水汽礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，為我國礦業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：肖龍

審核：張玉修（中科院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院 副教授）

出品：中國科協(xié)科普部

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