之前在回答一些關于地球科學問題的時候，每每有朋友提出這樣的疑問：你怎么知道地球中心有地核的？你怎么知道外地核是熔融的液體？你怎么知道地幔有多厚？你憑什么說那中間是鐵？總之是很不相信的樣子。

（地球解剖簡圖）

今天我就統一來回答這個問題，希望能幫助你解開謎題。

借鑒醫學檢查的方法

不知道你們有沒有去醫院做過體檢，通常在檢查肝膽脾腎的時候，醫生都會讓你去做一個B超或者是彩超。當美麗的女醫生拿著個小儀器抹上凝膠在你的肚子上劃來劃去一番調戲之后，你會拿到一張打印出來的黑白或彩色的報告，上面就有你內臟的圖片了。

（肝膽彩超檢查報告）

這幾張圖片你能看得懂嗎？如果你不是醫學專業的肯定是看不懂，但沒關系，醫生能讀懂就行。B超的原理就是通過美女醫生手里的收發器向你的肚子里發出一組超聲波，超聲波信號會在你的內臟里依次反射回來被收發器接收到，這些信號經過超聲設備的電腦處理后，就可以顯示你內臟的影像了。醫生不需要將你按倒開膛破肚，就能看清楚哪個臟器出了什么問題。

是不是很easy？

物理學家們檢查我們的地球，也是用的差不多的套路，只不過他們不用B超，而是用地震。

你沒看錯，就是地震。

我們的地殼

地殼很厚很硬，至今沒人能夠挖穿它。

蘇聯1970年5月24日開始在科拉半島實施了一個“超深鉆孔”計劃，試圖盡可能深地鉆到地殼深處進行研究，截止到1989年，他們鉆了一個直徑23厘米、深達12262米的鉆孔。這個鉆孔隨著蘇聯解體、研究資金枯竭而最后封閉，它作為人類最深鉆孔記錄保持至今，無人打破。

（被封閉的12262米“科拉深孔”，景象令人唏噓）

美國在1957年開始也搞了一個名為“Project Mohole”的類似項目，旨在穿透墨西哥附近太平洋下的淺層地殼。經過一些初步鉆探后，由于缺乏資金于1966年放棄。德國人在1987-1995年間也搞了“德國大陸深鉆計劃（KTB）”，他們的鉆探深度為9,101米，井下采樣溫度超過260°C。

地殼其實也很薄很脆，它幾乎是一碰就破，經常發生地震。

地球的地殼平均厚度大約為17公里，其中大陸地殼厚度約為39- 41公里；大洋地殼比較薄，大約只有幾公里厚。

如果把地球比作一枚雞蛋，按同比例計算，地殼的厚度要比雞蛋殼薄多了。我們地球平均半徑是6378公里，半徑與地殼平均厚度的比大約是375:1；雞蛋約5厘米大小，蛋殼厚度大約是0.35毫米，雞蛋半徑與殼厚度的比值約為71:1。怎么樣，出乎意料吧？

（其實將地球比作有裂縫的皮蛋更合適，它們都有更多的分層）

科學的方法

我們挖不穿地殼，自然無法看到地殼下面究竟是什么樣子，更無法知曉地心深處有什么情況。就像醫生對前來體檢的人不能個個開膛破肚把內臟掏出來檢查一樣，物理學家們也需要通過更加科學的方法來探究地球。醫生們用B超、CT等高科技設備，物理學家們使用精密的地震和電磁儀器來研究地球。

前面介紹了，地殼相對于地球來說很薄，地球內部也不是均勻的實心體，地震波很容易穿透地表到達地心深處，如果震波夠強，它甚至可以被地球另一端的儀器探測到。科學家只需要將接收到的地震波信息輸入巨型計算機，就可以分析出地心深處的詳細情況，就跟你去醫院做B超一樣。

（地震波在地球內部的傳輸途徑）

使用地震波的測量來構建地球內部結構的圖像，通過震波穿過地球的速度差異，科學家可以推斷出里面的結構。例如，由于從固體變為液體的密度差異，波的速度可以改變。這種技術稱為地震層析成像，有點像對地球進行CT掃描。

科學家的十八般兵器

首先全世界各個國家的科學家們聯合在一起組成了一個全球地震臺網，這個網絡既可以分析和預報地震，還可以通過對地震波的分析來研究地球。

（GSN臺站與地震以外的地球物理觀測設備全球分布圖）

與醫生不同，地球物理學家和地震學家們使用的儀器設備要多得多，也精密得多。

這些儀表包括：主波（縱波、P波）傳感器、二次波（橫波、S波）傳感器、強震動傳感器、短周期傳感器、其它地球物理傳感器、高分辨率數據采集系統、大地電磁陣列和可移動陣列等等。

（部分GSN儀表設備）

這些儀表設備極其靈敏，其中一些傳感器可以檢測小至0.00000001厘米（原子間距的距離）的微弱震動信號。科學家們過濾掉環境噪聲，提取地震信號，然后使用高性能計算機重建地球內部的圖像。

地震波的傳播

地震波分為若干種不同的波，主要有體波和表面波兩大類。

體波在地球內部的傳播路徑受物質的密度與彈性模量影響，于是體波的變化也反映出地球內部不同材料的密度、剛度、溫度、組成成分的變化，通過分析體波的變化就能獲取這些重要信息。體波又分為主波（P波）與二次波（S波）。

（地震儀記錄下的P波和S波，可以看出P波早于S波到達）

主波是縱波，它是一種壓力波，因此在地球內部傳播的速度最快，比橫波快1.7倍，并且它可以穿過任何物體。P波在地面反應為聲波，空氣中的典型速度為330米/秒，水中的速度為1450米/秒，在花崗巖中的速度約為5000米/秒。

二次波是橫波，它的速度比較慢，S波只能通過固體傳播，因為流體（液體和氣體）不支持剪切應力。S波比P波慢，并且在任何給定材料中，速度通常約為P波的60％。剪切波不能穿過任何液體介質，所以地球外核中沒有S波表明是液態。

（體波穿過地球后被接收到的波形反映出地球內部的狀況）

地震造成的破壞主要是表面波，它主要在地球表面行進，盡管速度比P波和S波更慢，但它的破壞力也最大。因與本文關系不大，在此略過。

地震波分析

通過前一節的介紹，你應該大致了解，科學家們通過P波與S波不同的特性來探究地球內部的奧秘。地震波在抵達埋設于世界各地的精密傳感器時就攜帶了中途的各種信息，科學家分析波到達的時間和波形，就可以知道它遇到了什么。

（地震波在地幔中的速度變化與分析）

科學家通過地震波在410至660公里深處速度波形的變化，發現了上層地幔在這個區域存在不連續點，這是由上下地幔間礦物質成份的不同造成的。同時還發現了由于地殼俯沖將巖石圈板塊推進到下地幔。

劍橋大學地震學家和馬里蘭大學地質學家通過將地震波數據輸入計算機進行3D圖像分析，發現地幔深處存在兩個“大型低剪切速度區域（LLSVPs）”，因為地震波碰到它們時就會減速，說明它們比地幔的主要成分橄欖巖 (Mg2+, Fe2+)2SiO4軟。這兩個區域從地幔深處靠近炙熱地核的地方穿過地幔開始向上延伸，高度達到800多公里，其中一處“煙囪”在太平洋底部，另一處在大西洋東邊。由于熱傳導作用，它們未來有可能會造成強烈的火山噴發甚至地殼板塊重建。

（地震波3D圖像分析發現地幔深處巨型熱“煙囪”）

事實上，地震波不僅用來分析地心深處的構成情況，它還被廣泛用于礦產資源的勘探。今天的石油工人不再盲目地到處打洞找油田（鉆井的成本很高），他們只需要在選定的區域埋設敏感的地震波測量設備，然后引爆一枚小型炸彈，就可以通過反射回來的地震波知道幾十公里的地下有沒有油田、開采的難度有多大。不僅如此，它甚至可以顯示在哪里找到南非的鉆石或尼日利亞的礦產。

不只是地震波

地震學家們已經告訴我們，地球的核心分為兩層：固體的鐵鎳合金內地核與液體的鐵鎳外地核。2015年，一個由中美地球物理學家組成的科學團隊利用地磁設備結合地震波數據進行分析后發現，與內地核的外層相比，最里面的核心在其側面旋轉。也就是說我們的固體內地核還有分層，并且它們的旋轉方向不一致！

（磁場表明最內核中的鐵晶體是東西向的，而不是南北向的）

人們早就注意到地震波穿過外地核與內地核的傳播方式存在差異，但從沒有人建議對內地核鐵結晶的方向進行分析，這種差異究竟意味著什么？這個謎題還需要科學家們進一步解開。

關于地震波是如何“解剖”地球，又是如何解析地球內核組成情況的，今天就分析到這里。

你明白了嗎？