從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

作者:太空生物學·黃蒂

“地震”從古到今都是有的,隻是古人們對地震的理解大多數都是基於神話或者以宗教為基礎,比如說我們中國的陰陽論,認為陰陽的失衡導致瞭大地為之顫抖。而在西方呢則是認為因為人類行為的不端,上帝特地派地震來懲罰行為不端的人。今天就從科學的角度聊一聊地震,首先要瞭解的是地球的結構。

地球內部結構

沒錯,就是地球的內部或者說地核。方向就是腳下所在的位置處垂直往下。我們先看看地球結構:

  • 地殼位於地表下30千米的位置。
  • 上地幔位於地表下30千米的位置。
  • 下地幔位於地表下2171千米的位置。
  • 外核位於地表下5100千米的位置。
  • 內核位於地表下6400千米的位置。
從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

在人類的歷史當中最深的鉆,是位於前蘇聯的“科拉深鉆”它所鉆的深度也是到目前為止最深的位置是12千米。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

12千米有多深呢?

讓我們將它與地球半徑來作比較,黃色線標則是地球半徑的長度6370千米,而“科拉深鉆”就隻有12千米,這也就意味著這口鉆連地球的皮毛都沒有鉆透,同時也意味著目前的我們是“上天容易入地難”。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

目前對地球的內部的認識和瞭解實在是太有限瞭,那麼又是怎麼樣能夠去認識地球內部到底是什麼樣的,它的結構又是什麼樣的呢?現在是不能靠打鉆這樣的方法瞭,隻能去找另外的一種更有效的方法,而這種方法就是“地震波”瞭。

什麼是“地震波”?

一提到地震就會聯想到“唐山大地震”,“汶川大地震”這種自然災害的可怕之處,今天不聊地震肆虐這方面,今天站在另外的一個側面談一談地震在科學傢眼中它到底有什麼樣的價值,它能帶來什麼樣的信息。

它就是由地震的時候發出的一種波動,“地震波形圖”其實和“心電圖”差不多,隻是比心電圖要復雜一些,來自於地球內部和地震本身的信息,就隱藏在地震波形圖裡面。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

地震斷層說/彈性回跳理論

1755年,大西洋沿岸的“裡斯本”發生瞭一次超大的地震,6萬到9萬人死亡,人們開始靜下心來,好好的去思考,地震到底從哪裡來,最終得出瞭一個很樸素,但是又是很正確的推論,那就是地震源自於地球的內部。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

一個原本完整的柵欄在地震之後,發生瞭6米的位移,美國的學者“裡德”就根據這樣的野外的觀測,提出瞭“地震斷層說”。

地球內部的巖石也在受力,因為受力當這個力聚集到一定程度的時候會超過它強度的限制,因此內部會發生一種脆性的破裂。

舉例說明:

當扳一根棍子的時候,使力的情況下就會斷掉。

因此地球內部就形成瞭斷層,能量就會以斷層滑動的方式,最終被釋放出來,也就是我們感受到的地震波,它是一種波動,因此會有它獨特的頻率范圍,和人耳所聽到的聲波作比較的話,我們的耳朵隻對20赫茲到2萬赫茲內的聲波比較敏感,而地震波它通常是比20赫茲要低的,因此一般意義上來說我們聽不到地震發出的聲音。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

地震波是如何被觀測到的?又是如何把的信號捕捉下來的?

中國或者說中國是人類史上第1個發明瞭能夠對地動有感應的儀器國傢,張衡的“候風地動儀”。但是呢,這個儀器僅僅是能夠感應地動和方向,並不是真正意義上的“地震儀”,因為作為一個地震儀,它需要對地動有時間和大小的一個記錄。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

一顆小鐵球裡面放置瞭三個分量的“擺”(水平方向的東西和南北兩個分量加一個垂向分量),因為地動瞭之後,這個“擺”由於慣性會保持靜止,“擺”和地面之間就會產生相對的位移,於是就可以把地震波畫下來或者把它轉換成電信號記錄下來,那麼這樣的一張記錄圖就誕生瞭,這就是“地震波形圖”。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

在全世界佈設有各種各樣不同的儀器,有的分佈在海裡,有的分佈在在大陸上,這樣就構成瞭一張“無形的網”,因此無論在地球的任何小角落發生一次中強地震或者進行瞭一次核試驗爆炸的話,都無法逃脫這張無形的網的敏銳的眼睛,不同的國傢和地區也可以根據自己的需求去佈設。

舉例說明:

在我在我國的京津唐地區,臺站的密度是比較高的,因為它經濟很發達,而在西部看到的就是相對的稀疏一些。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

地震過程

當地震發生之後,當地震波傳播到你的腳下,你會有幾種不同的感覺:

  1. 首先感到的將是上下的一種跳動,這是“P波”到來瞭,因為它傳播的速度比較快,因此最早到來。
  2. 然後隨其後到來的是一個相對大振幅的“ S波”,因為它傳播的方向和極化方向或者說和振動方向垂直的,因此一般會感到前後或者左右的這樣的一種晃動。
  3. “S波”過後將會感受到第三種波,這種波叫做“面波”,它是以更慢的速度傳播到的,這種波有一點像在水面上傳播的水波那樣有一點前後滾動,通常來說這種“面波”因為它振幅最大,因此帶給人類的災害也是最大的。
從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

剛才所說的“P波”“S波”和“面波”。剛才說的是幾種很基本的波,那麼地球內部的結構,其實是很復雜的,因此這些波可能有走短路徑的、走長路徑的、有直達波、有折射波、有反射波、總之它們是經過瞭地球內部的各個的小角落,因此它們在以它們獨特的方式為我們照亮著地球的內部。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

地震對科學角度瞭解地球有很重要的信息

通過波形圖可以更清楚的看到它上面蘊含瞭一些信息,首先是時間的信息很重要,另外一個就是振幅大小的信息,如果把不同臺站的波形記錄到的時間點連成瞭一根曲線,這個曲線的斜率是很重要的,斜率就能說明地球內部的速度結構,譬如地球由地核、地慢和地殼構成的。

舉例說明: 歷史上大咖們的研究

案例一:1909年,“莫霍洛維奇”他就是把有限的數據點在瞭一張圖上,他發現瞭這根曲線存在一個拐點,這就意味著地球某一個深度處的速度發生瞭變化,這就是我們現在所說的“莫霍面”。

也就是說“莫霍面”之上,速度稍微慢一些。“莫霍面”之下,速度突然間就出瞭一個大的變化,這樣就可以把地球分成瞭地殼和地幔兩個部分。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

案例二:“卡文迪許”很早以前就告訴我們,地球的密度大概是5.5克/立方厘米,而隨便從地球上撿一塊小石頭,它的密度大概在2.7克/立方厘米,密度相差約兩倍,這兩倍的差異解釋是地球深度越深,它的密度會加大,因為它的壓力會大。

案例三:1914年,“古登堡”這位科學傢就是從地震圖上看到瞭一些端倪,他追蹤“P波”和“S波”發現到一個大震中距的時候,“S波”突然間神奇的消失瞭,而“P波”也突然間減速瞭。古登堡認為在地球內部存在一個液態的外核,這個核的深度存在於2900千米,這個值離目前探測到所給出的2890千米,隻差10千米。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

案例四:1936年,來自於丹麥的女學者“萊曼”,又發現瞭一個神奇的現象,依然是在“P波”的影區中,她發現瞭兩支不該有的“P波”,通過6年的思考和論證,她提出瞭一個很巧妙模型,在外核或者在核的內部存在一個1200千米固態的內核,這樣就可以完美的去解釋她觀測到的所有現象。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

目前對地球的認識就從最簡單的層狀模型變化到瞭內核、外核、上地幔、下地幔以及有殼的模型。地球內部的速度、密度、隨深度的一個變化的曲線,與簡單的層狀模型來比還是要復雜的多,特別是在410和660那兩個地方標的地方,發現速度也發生瞭急劇的變化,而這個區域叫做“地幔轉換帶”。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

如何獲得三維的、立體的、像水晶球一樣的地球?

在醫院中像CT這樣的檢測,可以對人腦或者對器官做一個全方位的掃描,通過切片就可以很容易的去看出或者說去分辨出哪個地方可能有異常,哪個地方有腫瘤,把給人類大腦做CT的這麼一個概念借鑒過來,也可以對地球做CT。這裡有一個差別,思路雖然一樣,源和接收點是不一樣瞭。

源是什麼呢?不再是X光,而是分佈不均勻的地震發出的射線或者說是地震波,接收點也不一樣瞭,不可能在全球均勻的分佈,而是哪裡有臺站,就在哪裡有接收點,因此對地球做全方位的CT,比給大腦做CT要復雜得多。

地球的俯視圖很重要

  • 藍色表明的是高速區。
  • 紅色表明的是低速區。

為什麼高速區和低速區很重要呢?因為速度與地球內部的溫度是相關的,高速就預示著地球內部(某個地方)的溫度是比較低的,而低速區就表明地球內部(某個地方)的溫度是比較高的。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

另一個視角·剖析面圖

紅紅綠綠藍藍的顏色,這些就是地球表面的俯沖板片進入到瞭地球的深部,在地球深部不同深度表現出來瞭不同的樣子,有的平躺,有的散落到下地幔中,如果沒有瞭地震波,我們就不能看到這樣的地球內部。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

舉例說明:

下面這張圖片以暖色調為基礎的,最上面的那個小三角就是“冰島”,“冰島”是火山區,可以很清楚地看到瞭滋養“冰島”的物質,熱物質的上湧並不是那麼淺的,它是來自於(核幔)的邊界那麼深的地方。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

地球內部真的有“海洋”?

1864年,“凡爾納”的一部小說《地心遊記》,被2008年搬上瞭電影銀幕,他在裡面就提出瞭一個設想(地球內部的有一片海洋)。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

如果這片海洋存在的話,目前有一些學者認為主要就會分佈在地球內部410-660千米之間的那個叫做“地幔轉換帶”的區域,那麼要如何去研究它呢?

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

答:這就要借助“地震波”瞭。

找到一些對地震波形圖中深度比較敏感的波,把它按震中距排列起來,它們會形成一條“燕尾巴”形狀的曲線,有長尾巴的、短尾巴的、有寬尾巴的、有瘦尾巴的、這些尾巴的樣子跟地球內部的結構有關,因此通過這種波形就可以獲得地球內部的,包括“P波”“S波”速度的結構,有瞭這些結構同時也會跟物質相關,因此就可以得知是否有沒有海洋的存在。

從科學角度解析地震對瞭解地球有很重要的信息

結語·研究地震波的意義

對地球做一個全方位,由淺到深的一個瞭解,地震波可以幫助我們去找石油,找氣,找礦產,找水,找能源,找斷層,我們現在看到的地面上的山川,河流,平湖,盆地等等,這一切看到的其實都是受地球內部的一個過程所控制的,也就是說地球內部動一動,地表就會有翻天覆地的大變化。

我叫黃蒂,90後,喜歡創作生物、化學、物理、地質和天文科學文章,歡迎關註互相學習。

#青雲計劃#@頭條科學

Published in News by Awesome.

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *