深度科普：人类并没有钻孔到地球核心，怎么知道地球内部结构的？

在之前的科普文中，每当我在线上回答一些关于地球科学的疑难问题时，总有朋友充满好奇地问：“你怎么知道地球的内部有核的？”“你怎么确定外地核是液态的？”“地幔究竟有多厚？”甚至还问：“为什么你会认为那里是铁？”他们总带着不可置信的表情。

今日，我将对此作出统一解答，希望这些能助你解开谜团。

我们先借鉴一下医疗领域的检查手段。

不知道大家是否曾经做过医院的常规体检？在肝胆脾肾的检查过程中，医生通常会让你进行B超或彩超。在使用涂抹了凝胶的探头在你的腹部来回滑动一番后，你会得到一份黑白或彩印的报告，上面显示出你的内脏图像。

这些图像你能理解吗？如果你不是医疗领域的专家，肯定是一头雾水。

但没有关系，只要医生能读懂就好。B超的工作原理就是通过操作员手中的探头向你的腹部发送一组超声波，这些超声波在你的内脏间反射回来并被探头接收。这些信号经过超声设备的电脑处理后，就形成了你内脏的图像。医生不需要剖开你的身体，就能看清楚哪里出了问题。

是不是挺简单？

地质学家们检查我们的地球，也采取了类似的策略，不过他们没有使用B超，而是采用了地震手段。

你没看错，正是地震。

地壳非常厚且坚硬，至今没有人能钻透它。

前苏联在1970年5月24日启动了一个名为“超深钻孔”的项目，目的是尽可能深地钻入地壳内部进行研究。到1989年为止，他们钻出了一个直径23厘米、深度达到12262米的钻孔。这个钻孔随着苏联的解体和资金短缺而最终废弃，至今仍是人类最深钻孔的纪录，无人打破。

美国在1957年也开展了一个名为“Project Mohole”的类似项目，目标是钻穿墨西哥附近太平洋下的浅层地壳。经过初步钻探后，由于缺乏资金于1966年放弃。而德国人在1987年至1995年间进行了“德国大陆深钻计划（KTB）”，他们的钻探深度达到了9,101米，井下采样的温度超过260°C。

地壳虽然看似坚硬，实则非常脆弱。它容易破裂，经常发生地震。

地球的地壳平均厚度约为17公里，大陆地壳的厚度约在39至41公里之间；大洋地壳则较为薄弱，只有几公里厚。

如果将地球比作一颗鸡蛋，按比例计算，地壳的厚度甚至比蛋壳还要薄。地球的平均半径为6378公里，其与地壳平均厚度的比值约为375:1；而鸡蛋大约5厘米大小，蛋壳厚度大约为0.35毫米，其与鸡蛋半径的比值约为71:1。是不是很出乎意料？

我们不能钻透地壳，自然无法直接观察地壳下的情况，更不可能知晓地心深处的秘密。就像医生不能对每个前来体检的人进行开膛破肚的手术，地质学家们也需要借助更科学的方法来研究地球。医生使用B超和CT等先进技术，地质学家则依靠精密的地震和电磁设备。

前面提到，地壳与地球相比显得非常薄，地球内部也并非均匀的实心体。地震波容易穿透地壳，到达地心深处，若震波足够强大，甚至能被地球另一侧的仪器所探测。科学家们只需要将接收到的地震波信息输入巨型计算机，便能分析出地心深处的具体情况，就像你在医院做B超一样。

利用地震波测量来构建地球内部结构图像，科学家们可以通过震波在不同介质中速度的差异来推断内部结构。例如，由于从固体到液体的密度变化，波速也会随之改变。这种技术被称为地震层析成像，类似于对地球进行CT扫描。

首先，全球各国科学家联手建立了全球地震台网。这个网络不仅能够分析和预测地震，还能通过对地震波的分析来研究地球。

不同于医生，地球物理学家和地震学家所使用的仪器设备种类更多，也更精密。

这些设备包括：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、其他地球物理传感器、高分辨率数据采集系统、大地电磁阵列和移动式阵列等。

这些仪器极其敏感，有些传感器甚至能探测到小至0.00000001厘米（原子间距）的微弱震动信号。科学家们滤除环境噪声，提取出地震信号，然后利用高性能计算机重建地球内部图像。

地震波有多种类型，主要分为体波和表面波。

体波在地球内部的传播受到物质密度和弹性模量影响，因此体波的变化可以反映出地球内部不同材料的密度、刚度、温度和成分变化，分析这些变化就能获取重要信息。体波分为主波（P波）和二次波（S波）。

主波是纵波，属于压力波，在地球内部传播速度最快，比横波快1.7倍，且可穿透任何物体。P波在地面产生声波，空气中的速度约为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，速度相对较慢，S波只能在固体中传播，因为流体（液体和气体）无法支持剪切应力。S波比P波慢，在任何给定材料中的速度通常约为P波的60％。由于剪切波无法穿过液体，所以地球外核中没有S波意味着它是液态。

地震造成的主要破坏来自表面波，它主要沿地球表面传播，尽管速度比P波和S波慢，但破坏力巨大。由于与本文主题关系不大，在此不作详述。

通过前面的介绍，你应该能理解科学家如何利用P波与S波的不同特性来探索地球内部的秘密。地震波在到达全球各地的精密传感器时携带着丰富的信息，科学家通过分析波到达的时间和波形，可以得知它们遇到了什么。

科学家发现，在410至660公里深处，上层地幔存在不连续点，这是由于上下地幔间矿物质成分的不同引起的。同时，他们还发现了地壳俯冲将岩石圈板块推入下地幔的现象。

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，发现了地幔深处的两个“大型低剪切速度区域（LLSVPs）”。由于地震波遇到它们会减速，表明它们比地幔主要成分橄榄岩 (Mg2+, Fe2+)2SiO4更柔软。这两个区域从靠近炙热地核的地幔深处开始，向上延伸至超过800公里的高度，其中一个“烟囱”位于太平洋底部，另一个位于大西洋东边。由于热传导作用，它们未来可能会引发强烈的火山喷发或地壳板块重建。

事实上，地震波不仅被用于分析地心深处的构成，还广泛应用于矿产资源勘探。如今的石油工人不再盲目四处钻探（钻井成本高昂），他们只需在选定区域埋设敏感的地震波测量设备，然后引爆炸弹，便可通过反射回来的地震波了解地下几十公里是否有油田、开采难度如何。不仅如此，它甚至能指示南非钻石和尼日利亚矿产的所在。

地震学家已经告诉我们，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团队利用地磁设备和地震波数据分析发现，与内地核外层相比，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，且它们的旋转方向不一致！

人们早已注意到地震波穿过外地核与内地核的方式有差异，但没人建议分析内地核铁结晶的方向，这其中的奥秘还需科学家进一步探索。

至于地震波如何“解剖”地球，又是如何解析地球内核组成的问题，今天就探讨到这里。

你明白了吗？