地球也能「照X光」

本報記者 姜 靖

照X光片是人們非常熟悉的醫學檢測手段，可以幫助醫生看到肉眼看不到的人體內部。最近，科學家通過研究海洋風暴，首次從地球內部探測到了由風暴激發的罕見地震波。利用這些地震波給地球內部結構成像，就彷彿給地球照X光一樣，有望為研究地球內部結構提供新工具。相關研究成果發表在近日出版的《科學》雜誌上。

地震波有助了解地球內部結構

也許窮其一生，人類也無法感知我們腳下的地球正以五花八門的方式發出聲音。事實上，就連最明顯的地震運動也是地球不同類型和頻率抖動的複雜組合。通常情況下，大規模的破壞由一種被稱作面波的地震波引起，但其實在這些危險的面波席捲一切之前，地震已經發出了快速而微妙的徵兆。

這些徵兆被稱為體波，這種波以近乎直線的運行軌跡直接到達地核。體波比面波要微弱得多，因此通常很難被人類發現。不過有趣的是，這些震前的低頻脈動能夠引起狗和馬等動物的警覺。

體波通常具有兩種基本形式。一種有點像聲波那樣通過拉伸或者變形在陸地上向前移動，被稱作P波。P波通常作為一種「預測波」，因為它們通常首先到達。另一種是S波，又被稱為「續至波」，它們通常會像海浪侵襲地表那樣上下、左右運動。S波較為微弱，而且通常被P波淹沒，因此很難被監測到，但它們卻非常重要。

四川省地震局、川滇國家地震監測預報實驗場四川分中心的李大虎博士告訴科技日報記者，當波動以大圓弧路徑席捲地球並返回到地表後，地質學家們可以檢測並測量到它們。波動在傳播過程中，遇到重要的地球化學或物理結構分界面的時候，例如在地核和地幔之間的邊界（核幔邊界），它們就會發生反射、折射，甚至停止傳播，這就意味著研究震後P波和S波的傳播有助於闡明地球的內部結構。

劇烈海洋風暴也能產生微弱地震波

然而，這種方法存在一個問題，就是對於遠離構造板塊邊緣、地震稀少的地區，地球結構圖像的解析度較低，這或許就是劇烈的海洋風暴可以幫助到我們的地方。東京大學地震學家西田究（音譯）說，在海洋風暴期間，大氣壓力迅速下降產生強烈的海浪，其中小部分能量一直傳播到海底，並在岩石中產生了微弱的P波和S波，就如同發生了一個非常微弱的地震。

地質學家們曾用這種方式探測到了P波。現在，西田究和同事高木亮太（音譯）首次探測到了更加微弱的S波。他們關注了2014年12月發生在格陵蘭島附近北大西洋地區的一場被稱為「氣象炸彈」的強烈海洋風暴。利用布設在日本的密集的地震台網，他們從這次風暴中探測到了P波，並如預期的那樣，也拾取了S波信號。

可構建更清晰的地球內部結構圖

通過「氣象炸彈」風暴激發產生的P波或S波記錄，可以構建高解析度的地球內部結構圖像，還可以精確地計算出上下地幔之間邊界層的深度。西田究認為，這項研究工作可能最終有助於揭示重要的邊界層的起伏情況，並可能影響到我們對於地幔對流和構造板塊運動的理解。

他還指出，「氣象炸彈」類型的強烈風暴不像地震那樣常見，但可能發生在海洋中幾乎任何地方，這就意味著它們可為地球內部結構成像提供補充震源信息，日本和美國等國已經開始安裝和使用密集的地震台網，去探測這些由風暴激發的弱波形信號。

加州大學聖地亞哥分校地震研究員彼得·澤斯托夫特指出，使用海洋風暴激發產生的微弱地震波成像是有可能的，同時利用P波和S波還能夠提供更多的信息，因為S波比P波有更短的波長，且在縱向和橫向上變化的規模更小，可用它來對地球內部結構進行成像。澤斯托夫特的同事彼得·布羅米斯凱也指出，研究人員已經設法利用地震環境雜訊信息更好地構建地球內部結構的圖像，例如海浪或重型車輛產生的振動信息。

據報道，發現這些S波後，日本研究者希望可以著手創建有關這些波的目錄，然後將編目後的S波進行比較，以便通過這些目錄打開一個在風暴環境下探索地球內部本質的視角，重新梳理有關我們地球的結構信息。

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