地球的内核里，还隐藏着一个核心？

地球是生物所共有的家园，深入了解地球的内部结构对于人类而言有着非常重要 的意义。相信许多人都看过地球的结构图，它主要由四个部分组成：最外一圈的地壳，主体部分的地幔，以及核心部分的外核和内核。

但2023年2月，澳大利亚国立大学发布的一项研究显示，在地球的内核中，可能还包含了一个厚约650公里的最内 层球！那么，研究人员是如何发现这个隐藏的结构呢？

探索地球结构的方法

首先，我们需要知道的是，科学家究竟如何探测地球的内部结构的？

让我们设想一下地震的场景。当地震发生时，人们通常会感觉到地面在“摇晃”， 而这其实就是地震波在传播时所造成的效果。如果我们想记录下这所谓的“地震波”，我们就需要使用到地震仪。

地震仪记录下来的是一条具有不同起伏幅度的曲线，我们可以称之为地震图。这样的一条曲线实际上能告诉我们许多信息，比如我们可以通过所示地震波的震动幅度 和密集程度，来分析波的类型，以及不同类型的波到达的时间差。我们还可以利用地震波的最大振幅、周期等进行地震震级的计算。

此外，假如我们有两个以上的观测站同时都观察到了同一个地震，我们甚至可以 通过两个站点所接收到地震波的实际时间差将地震位置，震源深度都计算出来。

但是如果地震波仅能读出上述的内容，那么它如何用来探测地球深部结构呢？实 际上，地震波还有“转性”的性质。地球的内部并不是均质，因此当介质有所差异时，地震波的性质和行径就有可能改变，这被称为“转性”。通俗而言，一般地震波的速度随距地表的深度增加而增加，若是发现地震波的波速突然减缓，或发生偏折等反常现象，就有可能代表着可能地震波在行径中遇到了介质改变的突变区。事实上，这也就 是科学家们不断发现地球的深部不同分层状态的理论基础。

核心的中的核心

现在的问题是，内核的体积非常小，仅占不到地球体积的1%。要研究如此小的体积，研究人员就需要把地震计放到地球的另一侧，也就是地震发生的对跖点或接近对 跖的位置。

在这种情况下，地震波会从地表出发，然后依序穿过地幔、外核、内核、外核和 地幔，最后抵达地球另一侧的地表，这种波被命名为PKIKP波。PKIKP波的传播时间 和振幅目前已成为推断空间分布特性的主要短周期工具。

为了更好地探测内核的最内层(IMIC)，在这项新研究中，研究人员展示了一种全 新的地震学方法，即复合PKIKP法。

在进一步了解这种方法前，我们先来进一步了解下地震波。依照波的性质，地震 波主要分为三种：实体波、面波和尾波。实体波是能在物体中传递的波，它又可以分 成两种：P波（纵波）和S波（横波）。P波能在固体和液体中传播，而S波只能通过固 体传播，所以能够到达地核的只有P波。

在P波到达了震源所对应的对跖点后，可能会被地面反射，产生反射波。如果想要 产生多次反射波，就需要遇到良好的反射界面，因为一般的反射界面的反射系数都较 小，一次反射波的强度很弱，多次反射后波的能量就更微弱了，一般较难将它与噪音 进行区分。只有在反射系数较大的反射界面（如不整合面）产生的多次反射，才能够 形成较强的多次波。而这就是复合PKIKP法的应用基础。

这张图（下图）中，右手边的大圆中黄色的五角星是信号源，蓝色的小三角为信 号接收器。蓝色的线表示第一次接受到信号的地震波路径，橙色线表示第二次接受到 信号的地震波路径。

研究人员是如何通过这些来回反射的波揭示了隐藏的核心？这其中的关键就在于我刚才提到的“转性”。

研究人员发现，地震波在外内核和内核的最内层存在明显不同的各向异性。从这张图中我们看到，在外内核和内核的最内层，地震波的最快传播方向都是平行于地球 的自转轴；但是在最慢传播方向却明显不同。也就是说，穿过内核的最内层的减慢方 向，与穿过外内核的波的减慢方向不同。

最终，通过内核的两种各向异性，研究人员认为在地球内核中还存在一个更小的 核心。

新研究的影响与意义

这项研究为我们提供了一种新的地震数据使用方法，来进行地球深部的结构探 测。通过对目前已有数据的重新筛选和分析，我们或许会得到一些新的见解。

未来， 还有许多值得我们思考的问题，比如内核的最内层和外内核的转变过程能否作为对过 去重大地球事件的化石记录？有没有更好的深层探测方法呢？在内核的最内层内是否还存在可分的内在结构呢？

图片来自Drew Whitehouse, Son Phạm and Hrvoje Tkalčic.

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：肖龙

审核：任烨（上海市地震局 高级工程师）

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司