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地球物理學原理應用

生活 更新时间:2025-03-19 02:36:53

出品:科普中國

制作:寒木釣萌

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

地球物理學原理應用(關于地球物理學)1

1.3億光年外的引力波剛被人類探測到了,而引力波能做啥暫時未知。但地球上一直以來都那麼轟轟烈烈的地震波,它們能做的事卻是早已确定了的——用來探測地球内部并将其分層。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)2

給我一個超聲波,然後……我從孕婦圓圓的肚皮上探測出了胎兒的形狀。

好吧,現在給你一個地震波,你又該如何探索地球内部?

咱們一步一步來。

地震波不是一種波,它是三種波的統稱,分别是P波,S波和表面波。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)3

P波的特點是,其振動方向和前進方相同,故在所有地震波中,它的速度最快,也最早抵達。最需要注意的一點是,P波能在固體和液體中傳遞。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)4

S波的特點是,其振動方向垂直于波的前進方向(如上圖),S波的速度僅次于P波。需要我們牢記的是,S波隻能在固體中傳播。

準備工作已做好。萬事俱備,隻欠地震!

…………

終于等到你,來自北極的地震:

地球物理學原理應用(關于地球物理學)5

上面的動圖中,藍色的波為P波,因為它總是一馬當先。而紅色的為S波。

奇怪的是,我們在南半球的地震監測站隻收到P波,而S波卻不見蹤影,這是為什麼?

回頭複習一下,嗯,S波不能在液體中傳播!于是,我們推斷,在地球内部某個深度下一定有着熔融狀的液體。

可不能亂下結論!所以,我們還得繼續試驗:

地球物理學原理應用(關于地球物理學)6

如上圖,“蝌蚪狀”的S波依然不能穿透地球内部,當它到達一定深度後要麼反彈回來,要麼反射到其他方向。問題是,這個深度到底是多少?

由于S波的速度我們是知道的,根據其來回所耗用的時間,我們就能得到一個數據,那就是在我們腳下,2885公裡深的地方,有一個液态的面,那裡的物質呈熔融狀。

這個面,就叫做“古登堡界面”。1914年,德國地球物理學家賓諾·古登堡發現地下2885公裡處,地震波的傳播速度有明顯變化,其中P波的速度明顯下降,而橫波則完全消失。後來證實,這個面是地核與地幔的分界層。

發現古登堡界面後,咱們繼續施放地震,或者在地下十幾公裡深處來一顆氫彈。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)7

如上面的動圖,注意動圖中标注的那條線,也就是那道波,它跟前一道波相比,走的路徑更長,但它卻比前一道波先到達地面!

這更奇怪了。面對這種現象,來自克羅地亞的地震學家莫霍洛維奇百思不得其解。

1909年,克羅地亞國内發生了地震。莫霍洛維奇拿到多個地震觀測站的數據後開始比對,結果,他驚訝地發現,有的地震波是以7~8千米每秒的速度向更遠的地震站傳播的。

到底是另一種速度更快的地震波,還是同一種波選擇了另一條捷徑?

最終,莫霍洛維奇經過深思熟慮後,他得出結論,這是P波走了捷徑的緣故,在厚厚的地殼下,有着另一層不同于地殼的物質,它就是我們現在說的地幔,地幔中的物質密度更大,所以地震波傳播得更快。

為了紀念莫霍洛維奇,故把地殼和地幔的分界面叫做莫霍面。

地球物理學是一門充滿着各種争論的學科,然而,100年過去了,地球内部的“莫霍面”和“古登堡面”卻是地球物理學公認的基石之一。

方法補充

上文我們用地震波回顧了一下曆史上莫霍面、古登堡面的發現過程。關于地震波,我們還需要補充一些知識。

地震波的速度取決于介質的密度和彈性。又因為地球密度随深度增加而增加,所以地震波的速度範圍從地殼中的大約2到8公裡/秒,到深地幔中的13公裡/秒。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)8

水槽中加滿水後,激光的折射與反射。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)9

跟光波一樣,地震波也會反射和折射。當它在地球内部傳播,遇到不同的介質時,路徑就會改變。

如上面的動圖,當P波穿過地球内部,并從外核進入地幔時,發生了明顯的折射。另外,動圖頂部的地震波走的明顯是曲線,原因如下,如果物質的密度是均勻的,則地震波将走直線,但如果物質的密度是一個漸變的過程,則地震波走的也将是一個漸變的曲線。正是以上這些原因的存在,我們看到,在南半球的一部分地震監測站檢測不到P波,這就是P波的陰影區。同理,S波也存在陰影區。而兩個陰影區交疊的地方,地震站将接受不到任何地震波。

地球物理學原理應用(關于地球物理學)10

根據以上方法(當然還有别的方法),地球物理學家們将地球分成了以上結構。不過,如果是根據機械性能的不同,我們又可以将其這樣分:岩石圈、軟流層、地幔、外核和内核。

輕松一刻

地球物理學是一門通過地震波、重力、電磁、地熱和放射能等方法研究地球的學科,而關于地球物理學有不少笑話,其中一個是這樣的:

一個老闆讓地質學家、工程師和地球物理學家到他的辦公室。然後,他問每個人,2 3等于幾?

工程師答:5.0000000。

地質學家答:4到6之間。

地球物理學家靠近老闆,回答道:老闆,你想要什麼?

對這個笑話若不深入了解,難免會對地球物理學家們有誤解。實際上,這個笑話跟一個著名的理論有關,這就是“地球物理反演理論”。

要懂得什麼是反演?先得知道什麼是正演。這裡,中國地球物理學家楊文采院士給我們做了一個形象的比喻。他說:

将一瓶香水放到房間中央,從擴散方程得知,一天之後小房間内将布滿大緻均勻分布的香水分子,這就是正演。

而反演就是,已知屋子内的香水分布,然後讓你推算出,香水是何時放到屋子裡的?裝香水的瓶子又是什麼形狀?

地球表面被堅硬的岩石所覆蓋,而人類至今鑽探的最深井也就1萬多米。所以,沒有人見過15公裡以下的岩石什麼樣。

而現在,人類卻對地球内部的物理性質已經有了不同程度的了解,但這些知識多數是來自于對地球物理的反演,而不是來自于鑽井。

既然是反演,就必然存在多解性。正如地球物理學家劉光鼎院士在一次報告中強調的那樣:任何地球物理的反演問題都是多解的,不唯一的。

比如前面的“香水問題”,反演時,我們顯然是無法求出“香水何時放置?”的精确時間的,也就是得不到一個唯一解。

所以笑話中,地球物理學家才如此回答:老闆,你想要什麼?

地球物理學原理應用(關于地球物理學)11

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