从科学角度解析地震对了解地球有很重要的信息

作者：太空生物学·黄蒂

“地震"从古到今都是有的，只是古人们对地震的理解大多数都是基于神话或者以宗教为基础，比如说我们中国的阴阳论，认为阴阳的失衡导致了大地为之颤抖。而在西方呢则是认为因为人类行为的不端，上帝特地派地震来惩罚行为不端的人。今天就从科学的角度聊一聊地震，首先要了解的是地球的结构。

地球内部结构

没错，就是地球的内部或者说地核。方向就是脚下所在的位置处垂直往下。我们先看看地球结构：

• 地壳位于地表下30千米的位置。
• 上地幔位于地表下30千米的位置。
• 下地幔位于地表下2171千米的位置。
• 外核位于地表下5100千米的位置。
• 内核位于地表下6400千米的位置。

在人类的历史当中最深的钻，是位于前苏联的“科拉深钻”它所钻的深度也是到目前为止最深的位置是12千米。

12千米有多深呢？

让我们将它与地球半径来作比较，黄色线标则是地球半径的长度6370千米，而“科拉深钻”就只有12千米，这也就意味着这口钻连地球的皮毛都没有钻透，同时也意味着目前的我们是“上天容易入地难”。

目前对地球的内部的认识和了解实在是太有限了，那么又是怎么样能够去认识地球内部到底是什么样的，它的结构又是什么样的呢？现在是不能靠打钻这样的方法了，只能去找另外的一种更有效的方法，而这种方法就是“地震波”了。

什么是“地震波”？

一提到地震就会联想到“唐山大地震”，“汶川大地震”这种自然灾害的可怕之处，今天不聊地震肆虐这方面，今天站在另外的一个侧面谈一谈地震在科学家眼中它到底有什么样的价值，它能带来什么样的信息。

它就是由地震的时候发出的一种波动，“地震波形图”其实和“心电图”差不多，只是比心电图要复杂一些，来自于地球内部和地震本身的信息，就隐藏在地震波形图里面。

地震断层说/弹性回跳理论

1755年，大西洋沿岸的“里斯本”发生了一次超大的地震，6万到9万人死亡，人们开始静下心来，好好的去思考，地震到底从哪里来，最终得出了一个很朴素，但是又是很正确的推论，那就是地震源自于地球的内部。

一个原本完整的栅栏在地震之后，发生了6米的位移，美国的学者“里德”就根据这样的野外的观测，提出了“地震断层说”。

地球内部的岩石也在受力，因为受力当这个力聚集到一定程度的时候会超过它强度的限制，因此内部会发生一种脆性的破裂。

举例说明：

当扳一根棍子的时候，使力的情况下就会断掉。

因此地球内部就形成了断层，能量就会以断层滑动的方式，最终被释放出来，也就是我们感受到的地震波，它是一种波动，因此会有它独特的频率范围，和人耳所听到的声波作比较的话，我们的耳朵只对20赫兹到2万赫兹内的声波比较敏感，而地震波它通常是比20赫兹要低的，因此一般意义上来说我们听不到地震发出的声音。

地震波是如何被观测到的？又是如何把的信号捕捉下来的？

中国或者说中国是人类史上第1个发明了能够对地动有感应的仪器国家，张衡的“候风地动仪”。但是呢，这个仪器仅仅是能够感应地动和方向，并不是真正意义上的“地震仪”，因为作为一个地震仪，它需要对地动有时间和大小的一个记录。

一颗小铁球里面放置了三个分量的“摆”（水平方向的东西和南北两个分量加一个垂向分量），因为地动了之后，这个“摆”由于惯性会保持静止，“摆”和地面之间就会产生相对的位移，于是就可以把地震波画下来或者把它转换成电信号记录下来，那么这样的一张记录图就诞生了，这就是“地震波形图”。

在全世界布设有各种各样不同的仪器，有的分布在海里，有的分布在在大陆上，这样就构成了一张“无形的网”，因此无论在地球的任何小角落发生一次中强地震或者进行了一次核试验爆炸的话，都无法逃脱这张无形的网的敏锐的眼睛，不同的国家和地区也可以根据自己的需求去布设。

举例说明：

在我在我国的京津唐地区，台站的密度是比较高的，因为它经济很发达，而在西部看到的就是相对的稀疏一些。

地震过程

当地震发生之后，当地震波传播到你的脚下，你会有几种不同的感觉：

1. 1. 首先感到的将是上下的一种跳动，这是“P波”到来了，因为它传播的速度比较快，因此最早到来。

2. 2. 然后随其后到来的是一个相对大振幅的“ S波”，因为它传播的方向和极化方向或者说和振动方向垂直的，因此一般会感到前后或者左右的这样的一种晃动。

3. 3. “S波”过后将会感受到第三种波，这种波叫做“面波”，它是以更慢的速度传播到的，这种波有一点像在水面上传播的水波那样有一点前后滚动，通常来说这种“面波”因为它振幅最大，因此带给人类的灾害也是最大的。

刚才所说的“P波”“S波”和“面波”。刚才说的是几种很基本的波，那么地球内部的结构，其实是很复杂的，因此这些波可能有走短路径的、走长路径的、有直达波、有折射波、有反射波、总之它们是经过了地球内部的各个的小角落，因此它们在以它们独特的方式为我们照亮着地球的内部。

地震对科学角度了解地球有很重要的信息

通过波形图可以更清楚的看到它上面蕴含了一些信息，首先是时间的信息很重要，另外一个就是振幅大小的信息，如果把不同台站的波形记录到的时间点连成了一根曲线，这个曲线的斜率是很重要的，斜率就能说明地球内部的速度结构，譬如地球由地核、地慢和地壳构成的。

举例说明： 历史上大咖们的研究

案例一：1909年，“莫霍洛维奇”他就是把有限的数据点在了一张图上，他发现了这根曲线存在一个拐点，这就意味着地球某一个深度处的速度发生了变化，这就是我们现在所说的“莫霍面”。

也就是说“莫霍面”之上，速度稍微慢一些。“莫霍面”之下，速度突然间就出了一个大的变化，这样就可以把地球分成了地壳和地幔两个部分。

案例二：“卡文迪许”很早以前就告诉我们，地球的密度大概是5.5克/立方厘米，而随便从地球上捡一块小石头，它的密度大概在2.7克/立方厘米，密度相差约两倍，这两倍的差异解释是地球深度越深，它的密度会加大，因为它的压力会大。

案例三：1914年，“古登堡”这位科学家就是从地震图上看到了一些端倪，他追踪“P波”和“S波”发现到一个大震中距的时候，“S波”突然间神奇的消失了，而“P波”也突然间减速了。古登堡认为在地球内部存在一个液态的外核，这个核的深度存在于2900千米，这个值离目前探测到所给出的2890千米，只差10千米。

案例四：1936年，来自于丹麦的女学者“莱曼”，又发现了一个神奇的现象，依然是在“P波”的影区中，她发现了两支不该有的“P波”，通过6年的思考和论证，她提出了一个很巧妙模型，在外核或者在核的内部存在一个1200千米固态的内核，这样就可以完美的去解释她观测到的所有现象。

目前对地球的认识就从最简单的层状模型变化到了内核、外核、上地幔、下地幔以及有壳的模型。地球内部的速度、密度、随深度的一个变化的曲线，与简单的层状模型来比还是要复杂的多，特别是在410和660那两个地方标的地方，发现速度也发生了急剧的变化，而这个区域叫做“地幔转换带”。

如何获得三维的、立体的、像水晶球一样的地球？

在医院中像CT这样的检测，可以对人脑或者对器官做一个全方位的扫描，通过切片就可以很容易的去看出或者说去分辨出哪个地方可能有异常，哪个地方有肿瘤，把给人类大脑做CT的这么一个概念借鉴过来，也可以对地球做CT。这里有一个差别，思路虽然一样，源和接收点是不一样了。

源是什么呢？不再是X光，而是分布不均匀的地震发出的射线或者说是地震波，接收点也不一样了，不可能在全球均匀的分布，而是哪里有台站，就在哪里有接收点，因此对地球做全方位的CT，比给大脑做CT要复杂得多。

地球的俯视图很重要

• 蓝色表明的是高速区。
• 红色表明的是低速区。

为什么高速区和低速区很重要呢？因为速度与地球内部的温度是相关的，高速就预示着地球内部（某个地方）的温度是比较低的，而低速区就表明地球内部（某个地方）的温度是比较高的。

另一个视角·剖析面图

红红绿绿蓝蓝的颜色，这些就是地球表面的俯冲板片进入到了地球的深部，在地球深部不同深度表现出来了不同的样子，有的平躺，有的散落到下地幔中，如果没有了地震波，我们就不能看到这样的地球内部。

举例说明：

下面这张图片以暖色调为基础的，最上面的那个小三角就是“冰岛”，“冰岛”是火山区，可以很清楚地看到了滋养“冰岛”的物质，热物质的上涌并不是那么浅的，它是来自于（核幔）的边界那么深的地方。

地球内部真的有“海洋”？

1864年，“凡尔纳”的一部小说《地心游记》，被2008年搬上了电影银幕，他在里面就提出了一个设想（地球内部的有一片海洋）。

如果这片海洋存在的话，目前有一些学者认为主要就会分布在地球内部410-660千米之间的那个叫做“地幔转换带”的区域，那么要如何去研究它呢？

答：这就要借助“地震波”了。

找到一些对地震波形图中深度比较敏感的波，把它按震中距排列起来，它们会形成一条“燕尾巴”形状的曲线，有长尾巴的、短尾巴的、有宽尾巴的、有瘦尾巴的、这些尾巴的样子跟地球内部的结构有关，因此通过这种波形就可以获得地球内部的，包括“P波”“S波”速度的结构，有了这些结构同时也会跟物质相关，因此就可以得知是否有没有海洋的存在。

结语·研究地震波的意义

对地球做一个全方位，由浅到深的一个了解，地震波可以帮助我们去找石油，找气，找矿产，找水，找能源，找断层，我们现在看到的地面上的山川，河流，平湖，盆地等等，这一切看到的其实都是受地球内部的一个过程所控制的，也就是说地球内部动一动，地表就会有翻天覆地的大变化。