地震波如何揭示地球的分層結(jié)構(gòu)

地球由不同的層組成，這些層具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。然而，我們不能直接觀察這些層，因?yàn)樗鼈兲盍?，我們難以接近。那么我們?cè)趺粗赖厍虻姆謱咏Y(jié)構(gòu)呢？這其中的一種方法是利用地震波。

地震波可以分為兩種主要類型：體波和面波。體波在地球內(nèi)部傳播，而表面波在地球表面?zhèn)鞑?。體波又可分為縱波(P波)和橫波(S波)，縱波是振動(dòng)方向與傳播方向相同的波，而橫波振動(dòng)方向與傳播方向垂直?？v波可以穿過固體、液體和氣體，但橫波只能穿過固體。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生縱波和橫波，從震源向外輻射。地震儀是一種測(cè)量地面運(yùn)動(dòng)的儀器，可以探測(cè)到這些地震波。通過分析這些波到達(dá)世界各地不同地點(diǎn)的時(shí)間和振幅，我們可以了解它們?nèi)绾闻c地球不同層的相互作用。

一個(gè)重要的觀察結(jié)果是，在地球表面的某些區(qū)域，地震儀無法從給定的地震中接收到直接的地震波。這些區(qū)域被稱為陰影帶，它們表明地球的某些層會(huì)折射或反射這些波，使它們遠(yuǎn)離原來的路徑。例如，在地球表面以下約2900公里的深度，有兩個(gè)層之間的邊界：地幔和外核。

地幔是一層厚厚的固體巖石，構(gòu)成了地球的大部分體積。而外核是一層薄薄的液態(tài)金屬，包裹著另一層稱為內(nèi)核的物質(zhì)。當(dāng)縱波到達(dá)這個(gè)邊界時(shí)，它們會(huì)迅速減速，因?yàn)橐后w的彈性模量比固體低，這導(dǎo)致它們從原來的方向向一個(gè)更陡的角度折射。還有一些縱波也會(huì)在這個(gè)邊界處反射回地幔。當(dāng)橫波到達(dá)這個(gè)邊界時(shí)，它們會(huì)完全消失，因?yàn)橐后w不能承受剪切應(yīng)力，這意味著橫波無法穿過這個(gè)邊界。

另一個(gè)重要的觀測(cè)結(jié)果是，在地球表面的某些區(qū)域，地震儀只接收到微弱或扭曲的縱波。這些區(qū)域表明，地球的某些層具有與其周圍環(huán)境不同的性質(zhì)，如密度或成分。例如，在地球表面以下約5150公里的深度，有兩個(gè)層之間的邊界：外核和內(nèi)核。

內(nèi)核是一個(gè)由金屬組成的實(shí)心球體，密度和溫度都很高。當(dāng)縱波到達(dá)這個(gè)邊界時(shí)，它們會(huì)再次加速，因?yàn)楣腆w比液體有更高的彈性模量。這導(dǎo)致它們以較淺的角度向原來的方向彎曲。一些縱波也會(huì)在這個(gè)邊界處反射回外核。

通過測(cè)量這些邊界對(duì)地震波的速度、方向和振幅的影響程度，我們可以推斷出它們的深度、厚度和密度。我們還可以通過與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)或理論模型比較來推斷它們的組成。例如，我們知道外核主要是鐵，因?yàn)樵?a target="_blank">高壓和高溫條件下，它的密度和磁性與液態(tài)鐵的預(yù)期相匹配。

然而，依靠地震波的地球結(jié)構(gòu)模型并不能完美地反映現(xiàn)實(shí)，其中一個(gè)原因就是有不同的處理和解釋地震數(shù)據(jù)的方法。地震波的測(cè)量和分析有多種方法，如走時(shí)層析成像、波形反演、接收函數(shù)分析等。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，這取決于波的類型、頻率范圍、噪聲水平等。此外，每種方法都依賴于對(duì)地球結(jié)構(gòu)或物理的某些假設(shè)，而這些假設(shè)不一定在所有情況下都成立。

例如，一些方法假設(shè)地球是各向同性的，而另一些方法則考慮了各向異性。這些假設(shè)將影響數(shù)據(jù)與模型擬合的程度，并可能導(dǎo)致我們的模型中出現(xiàn)錯(cuò)誤。不過，隨著新的數(shù)據(jù)不斷出現(xiàn)，一些假設(shè)會(huì)被證實(shí)或排除，我們的模型就會(huì)不斷更新和完善。每隔一段時(shí)間，我們就會(huì)聽到關(guān)于地球內(nèi)部新研究結(jié)果的消息。

審核編輯 ：李倩