2020-05-27 10:30

地震后的地震波,会带来三种不同的感觉?

#想法

文章来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:李娟(中国科学院地质与地球物理研究所研究员)


“我们现在看到的地面上的山川、河流、平湖、盆地等等,其实都是受地球内部的一个过程所控制的,也就是说地球内部动一动,地表就会有翻天覆地的大变化。”



我要带大家去一个很神奇的地方,做一次特殊的旅行,那个地方的压力可以达到100万个大气压。我们要去什么样的地方呢?没错,就是地球的内部——地核。


方向就是现在所在的位置垂直往下,万事俱备,就差一位很重要人物,就是我们的小导游,有请来自冰川上的来客——小松鼠。


请注意,它抱着松果,经过了什么样的地方?


经过外核、内核,它终于降落在了固态的内核上。小松鼠拨动了内核,地表发生了翻天覆地的变化,而故事的情节就由此展开。


在动画片中,小松鼠抱着它的小松果,在一个神奇的大裂缝中神奇地穿过了地壳、上地幔、下地幔,以及外核和内核。





我们当然很明白,这样一个超级大裂缝在现实中是没有的,大家或许会说可以挖一个,没错,人类也确实是这样做了。


在人类历史上最深的钻,到目前为止是位于前苏联的科拉深钻,它的深度是12千米。





这张图的黄色线标则是地球半径的长度6370千米,而我们刚才说的科拉深钻只有12千米,也就是说连地球的皮毛都没有打透。这意味着我们上天容易而入地难。


人类对地球内部的认识和了解实在是太有限了,我们怎么样能够去认识地球内部到底是什么样的,它的结构又是什么样的呢?不能靠打钻这样的方法,我们只能找另外一种更有效的方法,这就要求助于地震波。


地震波是地震时发出的一种波动,一提到地震,我想每个人会涌上心头的就是“好可怕”,会联想到唐山大地震、汶川大地震,大家可以用不同的词来形容它,樯倾楫摧、房屋倒塌、妻离子散等等。



地震与地震波


我今天不想谈地震肆虐的这方面,我想站在另外的侧面,谈一谈地震在科学家眼中到底有什么样的价值?能带给我们什么样的信息?





这样一张波形图,是不是有点像心电图?其实比心电图要复杂得多。我和同事的工作,就是去阅读这样一张张复杂的“心电图”记录,想办法去解译来自于地球内部和地震本身的信息。


说到地震,古人们对地震的理解,大多数都是基于神话或者以宗教为基础。比如说中国的阴阳论,认为阴阳的失衡导致了大地为之颤抖;而西方则认为因为人类行为的不端,上帝特地派地震来惩罚人类。





直到1755年,大西洋沿岸的城市里斯本发生了一次超大的地震,6万人到9万人死亡。人们开始静下心来好好去思考,地震到底从哪里来?最终得出一个朴素又正确的推论,那就是地震源自于地球的内部。





这张图是我们上大学时教科书上一定会用到的一张经典的图片,说的是一个原本完整的栅栏在地震之后发生了6米的位移。美国的学者里德,根据这样一些野外观测提出了地震断层说。


说的是什么呢?地球内部的岩石也在受力,当力集聚到一定程度的时候,会超过强度的限制,因此地球内部会发生脆性的破裂。有点像搬一根尺子,或者一根棍子,给它使力的时候,它就会断掉。


因此,地球内部就形成了断层,能量就会以断层滑动的方式最终被释放出来,也就是我们感受到的地震波。


如何听到或看到地震波?


说到这儿,大家可能都想见一见地震波的真面目。它是一种波动,因此一定有它独特的频率范围,和人耳听到的声波做比较,我们的耳朵只对20赫兹到2万赫兹内的声波比较敏感,而地震波通常是比20赫兹要低。


因此,一般意义上来说,我们听不到地震发出的声音。但是为了让大家听到地震的“音乐”,我们特地把地震发生的速度给加快了,也就是把时间压缩了,或者换句话说,我们按了一个快门键,这样就可以听到地震发出的旋律和声音。(编者注:汶川地震地震波音频在视频中06:36位置)





听见了地震的声音之后,我们还有一个问题,怎么样看到地震波,或者说把它的信号捕捉下来?


这张图片告诉我们,中国是人类历史上第一个发明了能够对地动有感应仪器的国家,这就是张衡的候风地动仪。


但是这个仪器仅仅是能够感应地动和方向,并不是真正意义上的地震仪。因为作为一个地震仪,它需要对地动有时间和大小的记录。





这个金属样的小物质里放了三个分量的摆,水平、东西和南北两个分量,加上一个垂向分量。地动了之后,这个摆由于惯性会保持静止,摆和地面之间就会产生相对的位移。我们可以转化成信号记录下来,这样一张记录图就诞生了。





全世界有各种各样不同的仪器,有的分布在海里,有的分布在大陆,这就构成了一张无形的网。因此,无论在地球的任何一个角落发生一次中强地震,或者进行了核试验爆炸的话,都无法逃脱这张无形网的敏锐的眼睛。





不同的国家和地区,可以根据自己的需求去布设。比如说在我国的京津唐地区,台站的密度是比较高的,因为经济很发达;而在西部,看到的就是相对的稀疏一些。


地震波带来的感觉


当地震发生之后,地震波传播到你的脚下,你会有几种不同的感觉。


如果你很敏感,首先感到的将是上下的一种跳动,这是P波到来了,因为传播的速度比较快,因此最早到来。


后到来的是S波,它的传播方向和极化方向,或者说和振动方向是垂直的,因此一般会感到前后,或者左右的晃动。


如果还能够坚持,将会感受到第三种波,这种波叫面波。以更慢的速度传播到你跟前,有点像水面上传播的水波那样,前后滚动。通常来说,面波振动最大,因此带给人类的灾害也是最大的。


穿插一个小小的故事,去年7月份的时候,我和女儿去新疆科考,有一天早晨我醒得很早,正在思考着问题,突然感觉到床好像振动了,天花板也点晃。我想新疆那个地方多地震,应该是地震来了。我立刻把边上的女儿给叫起来,我说:“快醒一醒,感受一下地震。”


孩子也真是挺听话的,没有挣眼,把两只手伸开了,扒着床边,她说:“妈妈,我感觉到了,前后在晃动,脑袋瓜在晃动。”孩子说这个事情很好玩,是一生中很难忘的经历。我后来也问孩子,地震的时候怎么不害怕?她说那么小的振动有什么好怕的呢?而且妈妈也在身边,有什么好怕的?





地球内部的结构其实是很复杂,因此这些波可能有走短路径、走长路径,有直达波、折射波、反射波,总之它们经过了地球内部各个小角落,用独特的方式为我们照亮着地球的内部。





这张波形图是放大之后,可以更清楚地看到上面蕴含着一些信息。首先是时间的信息,另一个就是振幅大小的信息。


在这里教大家一个窍门,如果我们把不同台站的波形记录到的时间,点在这张图上,会发现连成一根曲线。这个曲线的斜率是很重要的,斜率就能告诉你地球内部的速度结构。


地球内部构造的历史研究成果


我们来回顾一下历史上有哪些大咖们的研究,给我们留下了重要的成果,也顺便回答一下大家可能在心中存留已久的一些问题,譬如说你怎么知道地球由地核,地幔和地壳构成呢?听我讲这个故事就明白了。





1909年,莫霍洛维奇把有限的数据点在一张图上,他发现了什么?这根曲线存在一个拐点,意味着什么?地球某一个深度速度发生了变化。


没错,这就是我们现在所说的莫霍面,也就是说莫霍面之上速度稍微慢一些,莫霍面之下,速度突然间就出了一个大的变化,这样就把地球分成地壳和地幔两个部分。


至于地核的由来,人们已经对它有很长时间的猜测,为什么呢?


卡文迪许很早以前就告诉我们,地球的密度大概是5.5克/立方厘米。而随便从地球上捡一块小石头回家去秤一秤,它的密度大概在2.7克/立方厘米,相差约2倍。





这2倍的差异怎么来解释呢?


地球深度越深,密度越大,因为压力会大。没错,是可以解释一小部分,但是不足以解释2倍这么大的差异。


古登堡老先生从地震图上看到了一些端倪,他追踪S波和P波,发现到大震中去的时候,S波突然间神奇地消失了,而P波也突然间刹车减速了。为什么呢?


古登堡认为在地球内部存在一个液态的外核,这个核的深度存在于2900千米,这个值离我们现在所给出来的2890千米,只差10千米。





正当人们欣喜地认为对地球的认识已经很棒了,十几年之后,来自于丹麦的女学者莱曼又发现了一个神奇的现象。依然是在P波的影区中,她发现了两支不该有的P波,怎么样解释呢?


通过6年的思考和论证,她提出了一个很巧妙的模型,在核的内部存在一个1200千米的固态的内核,这样就可以完美的去解释她观测到的所有现象。


莱曼的一生比较有传奇性,在我看来,她创造了两个学者之最。


第一个就是她的论文题目是最短的,只有一个字母“P”再加一个撇,什么意思呢?就是穿透内核的地震波的缩写形式。另外,莱曼也是我所认知的寿命最长的学者,1888年出生,是金牛座人士,1993年去世,活了105岁,差一点见证了两个世纪的历史。





人类对地球的认识从最简单的层状模型变化到了这样的内核、外核、上地幔、下地幔以及壳模型。但是人类还不满足,还想勾画一下地球内部的速度、密度随深度的变化曲线。





这张图已经看到了,跟我们刚刚说的简单的层状图形来比,还是要复杂得多,特别是在410和660那两个地方,可以发现速度也发生了急剧的变化,这个区域叫作“地幔转换带”,这就是我比较感兴趣的区域。


人类还是不满足,希望地球再透明一点,最好能获得三维、立体的,像水晶球一样的地球展现在我们面前。怎么做呢?


在医院中我们大家可能都做过CT检测,它对人脑或者对器官做一个全方位的扫描,这样通过切片,我们就可以很容易地分辨出哪个地方可能有异常,哪个地方有肿瘤。把人类大脑做CT的概念借鉴过来,我们也可以对地球做CT。





这里有一个差别,思路虽然一样,可是我们的源和接收点是不一样的,我们的源是什么?不再是X光,而是分布不均匀的地震发出的地震波。


我们的接收点也不一样了,不可能在全球均匀的分布,而是哪里有台站,我们在哪里有接收点。因此,对做地球做全方位CT,比给人类大脑和器官做CT要复杂得多。





这张图是一个俯视图,蓝色表明是高速区,红色表明是低速区,为什么它们很重要呢?


因为速度与地球内部的温度是相关的,高速就预示着地球内部那个地方的温度是比较低的,而低速就表明那个地方的温度是比较高的。





这是换了一个视角,我们看它的剖面图,这些蓝色就是地球表面俯冲的板片进入到了地球的深部。不同的深部,就表现出来的不同的颜色,有的平躺,有的散落在下地慢当中去了,如果没有地震波,我们能看到这样的地球内部吗?





这张图以暖色调为基础的,上面的小三角是冰岛,冰岛是火山区,大家可以看到滋养冰岛的物质,热物质的上涌,原来不是那么浅的,可以来自于核幔的边界。


凡尔纳写的一部1864年的小说《地心游记》,在2008年搬到了我们的银幕上。这里面提出了一个设想,地球内部有一片汪洋大海,如果这片海洋存在的话,学者们现在认为主要会分布在地球内部410公里到660千米之间的地幔转换带区域。


是不是这样?如果它存在,又是什么样的呢?怎么样去研究它呢?那就要求助于地震波了。





我所做的事情就是找到一些对那个深度比较敏感的波,把它按振动排列起来,还是那套东西。排列起来之后,你会发现它们形成了一条很漂亮的燕尾巴形状,有长尾巴的、有短尾巴的、有宽尾巴的、有瘦尾巴的,这些尾巴的样子跟地球内部的结构是息息相关的。


因此通过这种波形,我们就可以获得地球内部的,包括P波,S波的结构。有了结构,我们就可以跟物质挂钩,因此我就可以告诉你在研究的东北亚地区的下方地幔转换带是含有水的,但是含水的量没有那么多,并且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。


可能大家还想再追问一下,做这个工作到底有什么意义?


其实说白了,就是好奇心的驱使,我们总想对我们的地球,做一个全方位的、由浅入深的了解。


更实际一点说,地震波可以帮助我们去找油、找气、找矿藏、找水、找能源,还帮我们去找断层。


我们现在看到的地面上的山川、河流、平湖、盆地等等,其实都是受地球内部的一个过程所控制的,也就是说地球内部动一动,地表就会有翻天覆地的大变化。


再举一个很简单的例子,那就是地磁场,它无时无刻的都在保护着我们不去受太阳风和太阳粒子的辐射。那么想一想,如果有一朝一日地磁场减弱了,不存在了,甚至发生了转向,我们的地表会变成什么样呢?





因为是女性专场,所以我想还是以我刚才讲的莱曼女科学家来收尾。我从网上搜集了她不同年代的照片,把它放在了一起,从年轻到年老。我想问大家一个问题,你们觉得她美吗?我觉得她很美,我是她的粉丝。


她眼睛中有睿智、坚强,还有平和、快乐,甚至我觉得她越老,这种美就越凸显出来。岁月悠悠,衰微只及肌肤;热忱抛却,颓废必至灵魂。只要从天上人间接受美好、希望、欢乐、勇气和力量的信号,你就青春永驻,风华长存。



文章来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),演讲者:李娟

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP
赞赏
关闭赞赏 开启赞赏

支持一下   修改

确定

相关推荐