最新研究：通过地震波数据绘制出地幔3D结构

发稿时间：2015-03-18 08:31:36 来源： 腾讯科技 中国青年网

http://news.youth.cn/kj/201503/t20150318_6532143.htm

目前，研究人员通过记录地震波数据，绘制出精确的地幔3D结构。地幔位于地壳和外核之间。在计算机模拟中，他们基于地震波速度揭晓了地下结构的存在，如图所示，这是太平洋之下的地幔层结构，较慢地震波是红色和橙色部分，较快地震波是绿色和蓝色部分。

图片作者是由美国普林斯顿大学教授杰伦·特龙普(Jeroen Tromp)教授，旨在今年年底建立整个地幔的3D地图，最深可达到地下3000公里处。 �三维图像显示出比平均值更快的地震波位置轮廓。

�这张地图显示地下389公里处地震横波速度的相对变异，蓝色部分是高于波速平均值的地震波，红色部分是低于波速平均值的地震波。

�右侧两张图像显示的是地下1200公里深处欧洲两点间的地震波数据，左侧图像是勘测的欧洲地区。特龙普和研究小组设计的计算机程序将真实地震数据与计算机模型进行对比，之后针对产生的任何差异进一步提高和完善计算机模型。

这些图片的作者是由美国普林斯顿大学教授杰伦·特龙普(Jeroen Tromp)教授，旨在今年年底建立整个地幔的3D地图，最深可达到地下3000公里处。

▼三维图像显示出比平均值更快的地震波位置轮廓。

▼这张地图显示地下389公里处地震横波速度的相对变异，蓝色部分是高于波速平均值的地震波，红色部分是低于波速平均值的地震波。

▼右侧两张图像显示的是地下1200公里深处欧洲两点间的地震波数据，左侧图像是勘测的

欧洲地区。特龙普和研究小组设计的计算机程序将真实地震数据与计算机模型进行对比，之后针对产生的任何差异进一步提高和完善计算机模型。

http://tech.qq.com/a/20150318/012596.htm#p=2

地理科学课本上，大家都学过地震波分P波与S波，也看过这两种地震波波速的变化图。但大家有没有想过，外地核是液态的，S波无法穿透，而内地核又会有S波的波速，既然无法穿透，那S波又是怎么再度出现的？科学家又是如测量S波在内地核的波速？的确，就文字逻辑上的判断，这是不容易理解的。

欲解迷题，先复习高中物理

其实，要认真解答这个问题，最好先复习下以前的高中物理，知道“波”的本质是什么，就可以轻松的理解，为什么S波会在内地核出现，而科学家们是怎么知道S波传递的速度了。

P波与S波波速随深度变化与地球的分层构造。图片摘自维基百科，作者Brews ohare以Creative Commons3.0授权。

高中物理课本，以声音为例，让大家知道了两种机械波的传递方式，分别为“纵波”与“横波”，当时是以声波作为纵波的例子，而横波则用绳波来举例，还有一点更重要的附注是“介质不随波动传播”，也就是不管波怎么传递，往前跑的只有能量，没有任何物质。也就是说，我在这边大喊，你在那边接收到的只有我发出的声音的能量，而不是我这边的空气分子。

同样的道理，地震波在地球内部传递时亦同时有P波和S波两种，P波的传递方式类似声波，S波则有点像是绳波一般，介质的运动和行进方向相垂直，这里说的“介质”，其实就是你我脚下的地壳、岩石。

各种地震波的质点运动方式示意。图片摘自台湾中央气象局地震百问。

接下来需要了解的就是光的折射与反射了。无论是P波与S波，很幸运的和光线一样，遵循着“斯涅尔定律(Snell’s Law， 又名折射定律，也即当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时，会发生折射现像，其入射角与折射角之间的关系，可以用斯涅尔定律来描述)”，入射角与折射角的关系，和介质的折射率有关。对于地壳中的岩石来说，岩石的种类就会影响波的速度，在界面上也会发生折射的现象。无论是P波和S波，从低速层到高速层时，就会偏离法线，反之则会偏向法线。从地壳到地核，除了软流圈和外地核之外，大致上是越往内部密度越大，而波速也随之增加，在经过地球剖面的各种地震波的波线，也是会呈现弧形的折射结果。

斯涅尔定律与多层折射的情形。

基础知识复习完毕，探寻地震波转性问题

接下来我们要切入问题的核心，从地函到外地核，一直到内地核，地震波究竟是怎么样传播与变化的呢？

P波的阴影带成因，图片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S。

首先是从地函到外地核.一般认为外地核为液态的主要有两个原因：

1. S波在地函—地核接口会完全反射，无法穿透。

2. P波经过外地核时，先偏向法线折射，因而造成104度至140度间存在一个阴影区，

记录不到地震波。

这是高中地理课本上的内容，但课本上并未再深究另一个事实，也就是在外地核—内地核接口上发生的“波相转变”，P波在遇上各种不同的界面都会有一部分转成SV波，然而在外地核—内地核的边界上，这个转换波变的更加重要。

“等等，怎么突然冒出什么SV波的？”想必大家一定会这么问，P波在遇上不同物质交界的时候，如果不是以90度角直射，多少在交界上的质点都会产生与S波相同的运动行为，而这样的S波，又会依其与界面的关系，分成垂直于交界面的SV波，和平行于交界面的SH波，其中SH波的质点运动在通过交界后不会有任何的变化，但SV波则会和P波在接口上发生质点互换的行为，造成P波转SV波、SV波转P波的现象。

因此理论上，P波在进入内地核后，会有一小部分转为SV波，而通过内地核的SV波，也无法直接出去再回到外地核，唯有部分由SV波转换成P波的波动再度被传出去，最后再回到地表的测站，这样特殊的波传路径，学术上以PKJKP(注1)来命名其波相(注3)。不过，从P转SV再转回P的能量衰减非常多，如何去量度与证明理论的正确性，仍然是地震学家们争论的议题，从波动方程式与斯涅尔定律上的推导，是可以证明这个波相存在，经由对大地震的分析，也有越来越多的数据能够佐证(注2)。

P波转换成SV波的示意。

PKJKP波的路径(中间转成SV波)。

理论是理论，真实情况仍等探究

最后，与大家再分享一个信息，目前的钻井技术，也只不过10公里出头而已，因此至今我们还没有技术了解地底下数百至数千公里的实际状况，仅能透过地震波来推测构造，以观测到的陨石成份、实验室里进行高温高压的实验来探讨地球的内部情况。

像是地核是铁镍等组成的这种结论，也是经由对陨石分析、地球质量的估算、行星的成因、地球磁场的形成的众多间接的证据而得出的。类似“如何测出内地核中S波波速？”也是经过观察波相、地震波的分析，并用已知的地球组成加以模拟，而得到的结果。这之中只要有一些新的研究出现，就有可能改写已知的教科书内容。

原文发表于PanSci，作者：潘昌志。转载时文字有修改。

本篇文章同时发布在作者博客“地球故事书”。 欢迎大家去看各种关于地球的故事。