科学家没有钻孔到地球核心，他们是怎么知道地球内部结构的？

之前在回答一些关于地球科学问题的时候，每每有朋友提出这样的疑问：你怎么知道地球中心有地核的？你怎么知道外地核是熔融的液体？你怎么知道地幔有多厚？你凭什么说那中间是铁？总之是很不相信的样子。

（地球解剖简图）

今天我就统一来回答这个问题，希望能帮助你解开谜题。

借鉴医学检查的方法

不知道你们有没有去医院做过体检，通常在检查肝胆脾肾的时候，医生都会让你去做一个B超或者是彩超。当美丽的女医生拿着个小仪器抹上凝胶在你的肚子上划来划去一番调戏之后，你会拿到一张打印出来的黑白或彩色的报告，上面就有你内脏的图片了。

（肝胆彩超检查报告）

这几张图片你能看得懂吗？如果你不是医学专业的肯定是看不懂，但没关系，医生能读懂就行。B超的原理就是通过美女医生手里的收发器向你的肚子里发出一组超声波，超声波信号会在你的内脏里依次反射回来被收发器接收到，这些信号经过超声设备的电脑处理后，就可以显示你内脏的影像了。医生不需要将你按倒开膛破肚，就能看清楚哪个脏器出了什么问题。

是不是很easy？

物理学家们检查我们的地球，也是用的差不多的套路，只不过他们不用B超，而是用地震。

你没看错，就是地震。

我们的地壳

地壳很厚很硬，至今没人能够挖穿它。

苏联1970年5月24日开始在科拉半岛实施了一个“超深钻孔”计划，试图尽可能深地钻到地壳深处进行研究，截止到1989年，他们钻了一个直径23厘米、深达12262米的钻孔。这个钻孔随着苏联解体、研究资金枯竭而最后封闭，它作为人类最深钻孔记录保持至今，无人打破。

（被封闭的12262米“科拉深孔”，景象令人唏嘘）

美国在1957年开始也搞了一个名为“Project Mohole”的类似项目，旨在穿透墨西哥附近太平洋下的浅层地壳。经过一些初步钻探后，由于缺乏资金于1966年放弃。德国人在1987-1995年间也搞了“德国大陆深钻计划（KTB）”，他们的钻探深度为9,101米，井下采样温度超过260°C。

地壳其实也很薄很脆，它几乎是一碰就破，经常发生地震。

地球的地壳平均厚度大约为17公里，其中大陆地壳厚度约为39- 41公里；大洋地壳比较薄，大约只有几公里厚。

如果把地球比作一枚鸡蛋，按同比例计算，地壳的厚度要比鸡蛋壳薄多了。我们地球平均半径是6378公里，半径与地壳平均厚度的比大约是375:1；鸡蛋约5厘米大小，蛋壳厚度大约是0.35毫米，鸡蛋半径与壳厚度的比值约为71:1。怎么样，出乎意料吧？

（其实将地球比作有裂缝的皮蛋更合适，它们都有更多的分层）

科学的方法

我们挖不穿地壳，自然无法看到地壳下面究竟是什么样子，更无法知晓地心深处有什么情况。就像医生对前来体检的人不能个个开膛破肚把内脏掏出来检查一样，物理学家们也需要通过更加科学的方法来探究地球。医生们用B超、CT等高科技设备，物理学家们使用精密的地震和电磁仪器来研究地球。

前面介绍了，地壳相对于地球来说很薄，地球内部也不是均匀的实心体，地震波很容易穿透地表到达地心深处，如果震波够强，它甚至可以被地球另一端的仪器探测到。科学家只需要将接收到的地震波信息输入巨型计算机，就可以分析出地心深处的详细情况，就跟你去医院做B超一样。

（地震波在地球内部的传输途径）

使用地震波的测量来构建地球内部结构的图像，通过震波穿过地球的速度差异，科学家可以推断出里面的结构。例如，由于从固体变为液体的密度差异，波的速度可以改变。这种技术称为地震层析成像，有点像对地球进行CT扫描。

科学家的十八般兵器

首先全世界各个国家的科学家们联合在一起组成了一个全球地震台网，这个网络既可以分析和预报地震，还可以通过对地震波的分析来研究地球。

（GSN台站与地震以外的地球物理观测设备全球分布图）

与医生不同，地球物理学家和地震学家们使用的仪器设备要多得多，也精密得多。

这些仪表包括：主波（纵波、P波）传感器、二次波（横波、S波）传感器、强震动传感器、短周期传感器、其它地球物理传感器、高分辨率数据采集系统、大地电磁阵列和可移动阵列等等。

（部分GSN仪表设备）

这些仪表设备极其灵敏，其中一些传感器可以检测小至0.00000001厘米（原子间距的距离）的微弱震动信号。科学家们过滤掉环境噪声，提取地震信号，然后使用高性能计算机重建地球内部的图像。

地震波的传播

地震波分为若干种不同的波，主要有体波和表面波两大类。

体波在地球内部的传播路径受物质的密度与弹性模量影响，于是体波的变化也反映出地球内部不同材料的密度、刚度、温度、组成成分的变化，通过分析体波的变化就能获取这些重要信息。体波又分为主波（P波）与二次波（S波）。

（地震仪记录下的P波和S波，可以看出P波早于S波到达）

主波是纵波，它是一种压力波，因此在地球内部传播的速度最快，比横波快1.7倍，并且它可以穿过任何物体。P波在地面反应为声波，空气中的典型速度为330米/秒，水中的速度为1450米/秒，在花岗岩中的速度约为5000米/秒。

二次波是横波，它的速度比较慢，S波只能通过固体传播，因为流体（液体和气体）不支持剪切应力。S波比P波慢，并且在任何给定材料中，速度通常约为P波的60％。剪切波不能穿过任何液体介质，所以地球外核中没有S波表明是液态。

（体波穿过地球后被接收到的波形反映出地球内部的状况）

地震造成的破坏主要是表面波，它主要在地球表面行进，尽管速度比P波和S波更慢，但它的破坏力也最大。因与本文关系不大，在此略过。

地震波分析

通过前一节的介绍，你应该大致了解，科学家们通过P波与S波不同的特性来探究地球内部的奥秘。地震波在抵达埋设于世界各地的精密传感器时就携带了中途的各种信息，科学家分析波到达的时间和波形，就可以知道它遇到了什么。

（地震波在地幔中的速度变化与分析）

科学家通过地震波在410至660公里深处速度波形的变化，发现了上层地幔在这个区域存在不连续点，这是由上下地幔间矿物质成份的不同造成的。同时还发现了由于地壳俯冲将岩石圈板块推进到下地幔。

剑桥大学地震学家和马里兰大学地质学家通过将地震波数据输入计算机进行3D图像分析，发现地幔深处存在两个“大型低剪切速度区域（LLSVPs）”，因为地震波碰到它们时就会减速，说明它们比地幔的主要成分橄榄岩 (Mg2+, Fe2+)2SiO4软。这两个区域从地幔深处靠近炙热地核的地方穿过地幔开始向上延伸，高度达到800多公里，其中一处“烟囱”在太平洋底部，另一处在大西洋东边。由于热传导作用，它们未来有可能会造成强烈的火山喷发甚至地壳板块重建。

（地震波3D图像分析发现地幔深处巨型热“烟囱”）

事实上，地震波不仅用来分析地心深处的构成情况，它还被广泛用于矿产资源的勘探。今天的石油工人不再盲目地到处打洞找油田（钻井的成本很高），他们只需要在选定的区域埋设敏感的地震波测量设备，然后引爆一枚小型炸弹，就可以通过反射回来的地震波知道几十公里的地下有没有油田、开采的难度有多大。不仅如此，它甚至可以显示在哪里找到南非的钻石或尼日利亚的矿产。

不只是地震波

地震学家们已经告诉我们，地球的核心分为两层：固体的铁镍合金内地核与液体的铁镍外地核。2015年，一个由中美地球物理学家组成的科学团队利用地磁设备结合地震波数据进行分析后发现，与内地核的外层相比，最里面的核心在其侧面旋转。也就是说我们的固体内地核还有分层，并且它们的旋转方向不一致！

（磁场表明最内核中的铁晶体是东西向的，而不是南北向的）

人们早就注意到地震波穿过外地核与内地核的传播方式存在差异，但从没有人建议对内地核铁结晶的方向进行分析，这种差异究竟意味着什么？这个谜题还需要科学家们进一步解开。

关于地震波是如何“解剖”地球，又是如何解析地球内核组成情况的，今天就分析到这里。

你明白了吗？