“透明地球”黑科技：用地震波给地球做CT

地球发生的重大事件，往往都与它的内部结构有关。例如火山喷发，就是内部的液态岩浆物质喷出地表的现象。

我们知道美国的黄石火山公园是地球上最大的陆地火山活动区域，历史上曾经发生过超级大喷发。而且那里的火山地热活动一直非常活跃，科学家也一直在监测地下岩浆的分布和活动状况。据一项新的研究报告披露，黄石火山喷口下的地壳中，已经存储的岩浆比原先认为的要多，存在再次大喷发的可能。

那么科学家是如何知晓几千米到几十千米之下的地壳结构的呢？

对于了解物体的内部结构，我们有两类方法可用。一是直接切开，就像切开一个西瓜一样，打开后，我们对它们里面的情况就一目了然。人体检查或者治疗时也经常通过手术来完成。

当然，现代科技已经可以不通过直接接触人体，就能探测出体内的微细结构如血管、息肉、肿瘤等等。例如十分普及的“CT”技术，全称是“计算机断层扫描术”。 CT诊断就用X射线扫描人体来获得大量的数据，通过计算机复杂且大量的运算，把X射线形成的影像绘制在一张“断层”片上，让肉眼能够识别探测部位的细微结构以及变异情况。CT的工作原理是，通过仪器向人体某个部位发射X射线，人体的不同组织器官对X射线吸收能力不同，因此同一束X射线在透过人体不同的组织器官之后，就发生了不同程度的改变，这时候再将这种差异性改变，转化成我们易于解释的图像，就可以用于诊断了。

配图来自于图虫网

类似的技术也可以用来探测地球的内部结构。但地球与人体不同。人体小，在通常的CT仪器中就可以进行各个方向的三维立体扫描。而对地球太大，我们不可能制造一个巨大无比的CT仪器，把地球包裹起来做三维扫描。所以，给地球做CT更加困难，更需要“黑科技”。

事实上，为了了解地球的内部结构，科学家已经开展了近百年的努力。基于CT技术相似的原理与思路，科学家把X射线这一电磁波，换成由物体振动而产生的弹性波，如地震波，并基于更强大的计算机计算技术获得地球内部的结构。在1975年的时候，科学家开发出了地震反射成像技术，奠定了现今广泛采用的地震层析成像的基础，能够通过地震勘探的方法，绘制出地下的结构，并用于寻找石油天然气矿藏等。

这种方法需要借用地震产生的地震波，对于几百米到几千米深度的探测，我们可以使用人工爆破制造的地震波来实现。例如在石油勘探中就广泛使用人工地震制造特定强度的地震波，用来探测地层里面是不是有石油。

同样的原理，如果地球深部也存在不同性质的岩石的话，地震波在其中的传播方向和速度也会发生变化，我们就可以地震探测到分层结构的界面。当然，对于半径达到6000多千米的地球来说，人工地震造成的地震波无法到达地球深部，也就无法探测到那里的物理信息了。这时，需要通过震级较大的天然地震来实现。从这个角度来讲，地震在造成天然灾害的同时，也为科学家探测地球内部通过了机会。

为了便于更好地理解地球内部结构是如何知晓，我们需要知道地震波在不同的物质中的传播速度有什么不同。科学家根据地震波的传播特性，把它分解为横波和纵波，二者随着岩石的密度增大时，速度都会增加。但当遇到液态物质时，纵波速度会显著降低，而横波的传播速度会直接降低到0。也就是说横波无法穿过液态物质，纵波可以缓慢穿过液态物质。开始的时候，我们谈到的黄石高原下面存在大的岩浆储库，也是通过地震方法探测出来的，因为地震波通过含熔体的岩浆时，它的纵波速度会显著降低，横波降低到0，科学家就可以通过大量计算和反演得到岩浆储库的深度和大小了。

利用这个方法和原理，科学家通过分析分布在全球各地地震仪中接受到的横波和纵波的速度变化情况等，分析出地下物质的密度差异，以及是否存在液态物质等来划分地球的内部结构。

通过对大量地震数据的分析，地球的内部圈层已经得到了很好的限定。这就是我们经常听到的，地球主要包括地壳、地幔和地核三大圈层。

具体来看，地壳是地球表面一层由固体岩石组成的坚硬外壳。地壳厚薄不一，海洋地壳薄，一般为5~10千米；大陆地壳厚，平均厚度为39~41千米，有高大山脉的地方地壳会更厚，最厚达70千米，如青藏高原。

地幔是从地壳底部到外核的部分，顶界称为莫霍界面，底界为古登堡界面，深度在2900千米深处，占地球总体积的80%。根据地震波波速的变化，地幔分为上地幔和下地幔。上地幔的上部存在一个软流层，温度很高，岩石部分熔融，能缓慢流动。科学家推断，软流层是火山岩浆的主要发源地，地球板块的运动也与之相关。

最里面就是地核了。地核主要由铁和镍等金属组成，厚度约3 400多千米。根据地震波的变化，可将地核分为外核和内核两层。外核是熔融状态的金属物质，外核液态物质的运动形成了地球的磁场。内核是一个密度极大的固体金属球，超强的压力将铁原子和原子紧紧挤压在一起。

目前，我国给地球做CT，让地球成为“透明地球”，不仅有地震层析成像法，还有电磁波层析成像法，不仅应用于石油天然气等能源矿产勘探领域，而且还应用于金属矿产、非金属矿产、水汽矿产勘探领域，为我国矿业的发展做出了巨大的贡献。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：肖龙

审核：张玉修（中科院大学地球与行星科学学院 副教授）

出品：中国科协科普部

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