地震，一个让人望而生畏的词。在自然灾害面前，人类似乎总是无能为力。3月31日，SELF讲坛第24期女性专场“HERO·她的故事”在北京海淀文化馆小剧场举办，中科院地质与地球物理研究所的研究员李娟进行了题为《用地震波给地球做CT，是我破解地球深部之谜的法宝》的讲座，为我们揭秘了地球内部的神秘构造，地震波的应用就在我们身边。

整理/记者 白竟楠 图文编辑 陈永杰

演讲专家：

李娟
中国科学院地质与地球物理研究所研究员

如果去地球内部做一次特殊的旅行，你一定会对地球中心——地核处的压力可以达到300万个大气压有非常深刻的感受，因为还没来得及感受就被压瘪了，而它的位置就在我们脚底垂直往下很深的地方。还记得动画片《冰河世纪》中那只守着松果的小松鼠吗?它抱着松子就曾经到达过地核，在路上，它还经过了地壳、上地幔、下地幔、地球的外核。

在现实生活中，像动画片中的那种超级大裂缝是不存在的，科学家们是如何来探知地球深处的秘密的呢？

从天地鬼神到认识地震

我们能不能在地球上挖一个深深的洞呢?事实上，人类也确实这样做了，比如，最著名的例子是前苏联的科拉超深钻孔。为了探究地球内部真正的样子，在1989年，其钻井深度达到了12262米。地球的半径是多少?地球半径的长度是6370千米，这代表科拉超深钻钻出的12千米连地球的皮毛都没有穿透。

“上天容易入地难”，人类对地球内部的认识和了解极其有限，那么，人类如何才能认识地球内部的真实面貌呢?它的结构又是如何构成的?靠打钻是无法解决问题的，科学家只能去找另外一种更有效的方法——利用地震波研究地球内部的构成。

地震是自古就有的一种自然现象，古人们对地震的理解大多基于神话或以宗教为基础。比如中国阴阳论认为，阴阳的失衡导致了大地颤抖，而西方则认为因为人类行为不端，上帝特地派地震来惩罚人类。

一直到了1755年，大西洋沿岸的里斯本城市发生了一次超大地震，导致数万人死亡，人们才开始静下心来思考地震到底从哪里来，最终得出了一个很朴素但又很正确的结论，那就是地震源自于地球内部。

1906年，旧金山发生了一次大地震，震后熊熊大火燃烧了三天三夜。有人发现，一个原本完整的栅栏在地震之后发生了6米位移，这引起了美国学者的注意，并据此提出了地震断层说。断层说指的是，地球内部的岩石处于受力状态，当这些力积聚到一定程度时，会超过其承受的强度，因而发生一种脆性的破裂，类似于掰断一根棍子的原理，地球内部就形成了断层，积聚的能量就会以断层滑动的方式最终被释放出来，并产生了地震波。

地震波是地震时发出的一种波动。每每提到地震，人们总会觉得可怕，会联想到唐山大地震、汶川大地震，不过，地震在科学家眼中还有另一层价值，即它能带来更多地球内部的信息。如果把地震波绘制成图会发现，它长得就像人的心电图，但其实比心电图要复杂得多，科学家的工作就是去阅读这些复杂的地球“心电图”，想办法通过地震波去解析来自于地球内部和地震本身的信息。

▲1970 年，前苏 联就启动了一项“超深钻孔”计划，打算在科拉半岛用钻 头给地球开一个眼， 用这种直接的暴力的方式来探索未知的地底
 

地震波中的“密码”

那么，如何才能把地震波的信号捕捉下来呢?你可能会联想到中国古代张恒发明的地动仪，不过，这并不是现代科学意义上的地震仪，现代意义上的地震仪应该是能记录仪器所在地点的震动情况随时间的变化，因此有两个要素：时间和地动强弱。

通常在地震仪中会放置三个分量的摆，分别是东西、南北和垂直分量，在地震发生时，由于惯性，摆会保持静止，因此摆和地面之间就会产生相对位移，把这些位移数据通过电信号记录下来，这就画出了一张地球颤抖时的“心电图”。全世界不同国家都有各自不同的地震监测仪，分布在不同的地区，在海洋、陆地都有分布，共同构成了一张无形的地震监测网，不同的国家和地区也可以根据自己不同的需求布设地震仪。比如在我国的京津唐地区台站的密度较高，因为这里是经济发达地区，而西部布设的台站就相对稀疏。

当地震发生之后，地震波传播到人脚下会产生不同的感觉：如果你很敏感，首先感到上下跳动般的波动，这是P波，因为它传播的速度比较快，因此最早到来。其后到来的是一个相对大振幅的S波，它的振动方向和传播方向是垂直的，因此一般会感到大地前后或者左右晃动。如果继续感受，将会感受到第三种波，叫做面波，面波以更慢的速度传播到脚下，就像水面上传播的水波那样呈波浪式滚动。通常来说，这种面波振幅最大，因此带给人类的灾害也是最大的。

地震波有短路径也有长路径的，有直达波、折射波、反射波等，总之这些波经过了地球内部的各个小角落，携带了地球内部的丰富的信息，因此科学家才能用地震波来研究地球的内部结构。

▲《地心游记》里，地球内部有一片汪洋大海

从地震波开始了解地球

地震波能给科学家提供很多信息，比如地震时间信息、震级大小等。例如，如果把不同台站记录到的地震波到来时间点画在图上，就能连成一根曲线，而曲线的斜率非常重要，斜率反映了地球内部的速度结构。譬如说，科学家怎么知道地球由地核、地幔和地壳构成?

1909年克罗地亚地球物理学家莫霍洛维奇把当时有限的地震数据点在了一张图上，他发现，地球某一个深度处速度发生了变化，这就是“莫霍面”，地震波在传递能量的过程中，在莫霍面之上速度稍微慢一些，莫霍面之下的速度忽然出现了大的变化。据此，把地球分成了地壳和地幔部分。

地核又是如何被推测出来的呢?其实，人们对地核的猜测已经由来已久。卡文迪许很早以前就告诉我们，地球的密度约为5.5克每立方厘米，可是随便从地球上捡一块小石头回家称重，它的密度大概都在2.7克每立方厘米左右，与地球密度相差约两倍，这两倍的差异怎么来解释呢?常识告诉我们，越往地球的深部，压力就会越大，物质越致密，因此密度就会越大，但这只可以解释以上密度差异的一小部分。因此人们很早就猜测地球内部存在一个高密度的核，但是否存在，到底在什么深度上，却没有任何证据。

科学家古登堡从地震图上看出了一些端倪，他在追踪S波和P波图时发现，到某个大震中距处，S波突然间神奇地消失了，而P波也突然间减速了，这是为什么呢?古登堡认为，在地球内部存在一个液态的核，且这个核深度存在于地下2900千米，这个数值，与现在所给出的地核距地表2890千米的数据只差10千米。

当人们欣喜地认为，人类终于知道了地球是由壳、幔、核组成的，这就已经很棒了。然而十几年之后，丹麦女学者莱曼又发现了一个神奇的现象，在地震波P波的影区中，她发现了两支“不该有”的P波，通过六年的思考和论证后，莱曼提出了一个很巧妙的模型：在核的内部存在一个1200千米的固态内核，这样就可以完美地解释她观测到的所有现象。

莱曼是一位富有传奇性的女科学家，她创造了两个学者之最。第一，她的论文题目是最短的，只有一个字母：P’。这是什么意思呢?这就是穿透内核的地震波的缩写形式。第二，她也是我所知道的寿命最长的学者，1888年出生，1993年去世，活了105岁。

至此，人类对地球的认识就从最简单的球状，发展到得知地球由内核、外核、下地幔、上地幔，以及地壳的分层模型。但是人类还不满足，还想得知地球内部的速度、密度随深度变化的曲线。例如科学家又发现了位于上地幔的“地幔转换带”。科学的发掘是无止境的，如果地球能像水晶球一样透明该有多好啊!

▲几名小朋友在科技馆里跟着解说员观看地球结构

地震波能让人类关爱地球

在医院里检查身体时，只需要照一个CT就能知道器官内部的健康状况，那能不能给地球也照一个CT呢?用什么照呢?那就是分布不均匀的地震所发出的地震波。因为射线源来自于地震，完全是不可控、不均匀的分布;而接收点也并非随意密集布设;射线路径也不是简单的直线，而是有长有短、有曲有直，有反射有折射，再加上地震本身的定位还存在一定的误差，因此，对地球做全方位的CT比给人体做CT要复杂、困难得多。

比如通过地震波成像结果可以看出地震波速的变化，各种不同的颜色代表波速大小，由于地震波传播速度与地球内部的温度是相关的，高速就预示着地球内部的那个地方温度比较低，而低速就表明那个地方的温度比较高。

大家都知道冰岛是火山区，通过地震波成像后的图件就可以清楚地看到，滋养冰岛的热物质上涌的源泉其实来自于很深的核幔边界处。

那么，地球的大尺度结构已经知晓了，地震波在当代科学家的眼中，还有什么用处呢?

1864年凡尔纳出版了小说《地心游记》，2008年被拍成电影，小说中提出设想，地球内部有一片汪洋大海，那么如果这片“海洋”真的存在，学者们现在认为最大的可能是会分布在地球内部410到660公里之间的地幔转换带。那么，真相是不是这样?这又要求助于地震波了。

我所做的事情就是找到一些对那个深度速度结构比较敏感的波，把它们按震中距排列起来，之后会发现形成了一条很漂亮的燕尾形状，这些“燕尾”的样子长短、胖瘦不一，这又跟什么有关呢?这跟地球内部的结构息息相关。通过对波形特点的精细解译，科学家就可以去获得地球内部的结构并进而推断出背后的可能原因。

例如，科学家就可以进一步告诉人们，在东北亚地区下方的地幔转换带是含水的，但是含水的量没有那么多，这个水可不是我们想象中的那片汪洋大海，它是以结构水的形式存在于矿物中的。

那么，研究这些到底有什么意义?除了受好奇心驱动的想对自己的地球家园做更进一步的了解之外，研究地震波可以帮助我们去寻找油、气、矿、水等自然资源。而且我们现在看到的，存在于地表的山川河流、平湖盆地等现象，其实都是受地球内部的过程所控制的。

再举一个很简单的例子，人人都知道地磁场的存在，但又从未留意过它，它就起源于地球的液态外核，不论你相信或者不相信，它无时无刻都在保护着我们不受太阳风、太阳粒子的辐射。如果有朝一日地磁场减弱、发生反向甚至不存在了，人类将会怎样?

因此，揭示地球内部的结构，认识内部发生的动力学过程，才会对自己的家园有更加全方位的了解，帮助我们更加有效地利用地球上的资源，并关爱由无数个偶然“精心”创造出的人类宜居家园。■

(文字来自3月31日SELF讲坛第24期女性专场“HERO·她的故事”，文字经李娟审核授权)