在探讨关于地球科学的诸多疑问时，我屡屡遇见这样的提问：你是怎么确信地球核心存在地核的？你是如何知道外地核是由熔融物质构成的？你是如何测算地幔的厚度的？你凭何认定其中充斥着铁元素？种种疑虑，仿佛对我的解答充满不信任。

今天，我将一并回答这些疑问，期望能为你解开谜团。

让我们借鉴医疗检测的手段。你们是否曾经历过医院体检，在进行肝胆脾肾等器官检查时，医生通常会建议进行B超或彩超。当漂亮的女医生在你腹部涂抹凝胶，操作仪器来回移动时，一番操作之后，你便会得到一张黑白或彩色的打印报告，显示着你内脏的影像。

你能理解这些图片所传达的信息吗？对于非医学背景的人来说，可能难以理解。然而，只要医生能读懂就足够了。B超的原理，即通过手持探头向腹部发送超声波，这些声波会在内脏中反射，并被探头接收。经过电脑处理，这些信号便能转化为内脏的图像。医生无需动刀，便可一目了然地知晓哪个器官存在问题。

是不是很简单？

地球科学家们在研究我们地球时，也是运用了类似的方法，只不过他们不依赖B超，而是通过地震手段来探测。

没错，就是利用地震。

地壳相当厚且坚硬，至今无人能穿透它。

苏联于1970年5月24日启动了一个名为“超深钻孔”的计划，试图深入地壳内部进行研究。该项目一直持续到1989年，他们钻探了一个直径23厘米、深度达12262米的钻井。然而随着苏联解体和资金匮乏，该项目不得不终止，至今无人能打破这个最深钻井记录。

美国在1957年也开展了一个名为“Project Mohole”的类似项目，目的是钻透墨西哥附近太平洋的浅层地壳。初步钻探后，因资金问题于1966年停止。德国则在1987至1995年间进行了“德国大陆深钻计划（KTB）”，钻探深度为9,101米，井下采样温度高达260°C。

地壳实际上非常脆弱，经常因地震而发生破裂。

地球的地壳平均厚度约为17公里，大陆地壳厚约39至41公里，而大洋地壳较薄，只有几公里。如果将地球比喻成一个鸡蛋，地壳的厚度比鸡蛋壳还要薄。

地球的平均半径为6378公里，与地壳平均厚度的比例约为375:1；而一个鸡蛋约5厘米，壳厚约0.35毫米，比例为71:1。这确实让人意想不到。

科学的探索方法

既然我们无法穿透地壳，自然无法直接看到地壳以下的情景，更别提了解地心深处的奥秘了。就像医生不能对每个前来体检的人进行剖腹探查一样，地球科学家也需要通过更科学的方法来了解地球内部。医生依靠B超、CT等技术，科学家则使用精密的地震和电磁设备进行研究。

地壳相对于地球来说非常薄，地球内部并非均匀的实体，地震波能轻易穿透地表抵达地心深处。如果地震足够强烈，甚至能被地球另一端的仪器检测到。科学家只需将接收到的地震波信息输入巨型计算机进行分析，便能揭示地心深处的详细情况，就像做B超一样。

利用地震波测量构建地球内部结构的图像，科学家根据震波在不同物质中的速度差异推断内部结构。例如，由于从固态到液态的密度变化，波速会发生改变。这种技术叫做地震层析成像，就像对地球进行了CT扫描。

科学家的多种研究工具

全球的科学家们联手建立了全球地震台网，这个网络不仅能分析和预测地震，还能通过对地震波的分析研究地球。

与医生不同，地球物理学家和地震学家使用的仪器更加多样和精密。

这些设备包括：主波（纵波、P波）传感器、二次波（横波、S波）传感器、强震动传感器、短周期传感器、其他地球物理传感器、高分辨率数据采集系统、大地电磁阵列和可移动阵列等。

这些仪器极其敏感，有的能检测到微弱震动信号，小至0.00000001厘米，即原子间距。科学家过滤掉环境噪声，提取地震信号，并用高性能计算机重建地球内部的图像。

地震波的传播特性

地震波主要分为体波和表面波两大类。

体波在地球内部的传播受物质密度和弹性模量影响，体波的变化反映了地球内部不同材料的密度、刚度、温度和组成成分的变化。体波分为主波（P波）和二次波（S波）。

（从地震仪记录中可以看出P波比S波先到达）

主波是纵波，压力波，在地球内部传播速度最快，比横波快1.7倍，能穿过所有物质。P波在地面反应为声波，空气中的速度约为330米/秒，水中速度为1450米/秒，花岗岩中速度约为5000米/秒。

二次波是横波，速度较慢，S波只能通过固体传播，因为流体（液体和气体）不支持剪切应力。S波比P波慢，通常在特定材料中的速度约为P波的60%。由于剪切波不能穿过液体，所以地球外核中无S波表明其为液态。

地震造成的主要破坏来自表面波，它主要在地球表面传播，虽然速度慢于P波和S波，但破坏力最强。由于本文主要关注点不在此，故不赘述。

地震波分析

通过前文的介绍，你应该能理解科学家如何利用P波与S波的不同性质探索地球内部。当精密传感器捕捉到地震波时，波携带的信息就能揭示途中遇到的一切。

科学家通过地震波在410至660公里深处的变化，发现上层地幔存在不连续性，这是由于上下地幔矿物质成分不同。同时，还发现了地壳俯冲将岩石圈板块推入下地幔。

剑桥大学地震学家与马里兰大学地质学家通过将地震波数据输入电脑进行3D分析，发现地幔深处有两个“大型低剪切速度区域”。由于它们比地幔的主要成分橄榄岩 (Mg2+, Fe2+)2SiO4更软，地震波在其中速度会减慢。这两个区域从地幔深处，靠近炙热地核的地方开始向上延伸，高度超过800公里，其中一个“烟囱”位于太平洋底部，另一个在大西洋东边。由于热传导作用，它们可能引发强烈火山活动甚至地壳板块重建。

事实上，地震波不仅用于分析地心深处，还广泛用于矿产勘探。现代石油工人不再盲目打洞找油田（钻井成本高昂），他们只需在选定区域埋设地震波测量设备，用小炸弹引爆，通过反射回来的地震波即可知晓地下几十公里是否有油田以及开采难度。不仅如此，它甚至能指示南非钻石或尼日利亚矿产的位置。

不只是地震波

地震学家告诉我们地球核心分为两层：固体的铁镍合金内地核与液体的铁镍外地核。2015年，中美地球物理学家团队利用地磁设备和地震波数据分析发现，内地核的外层与其核心部分旋转方向不同，意味着内地核还可能分层，且旋转方向并不一致。

人们早已注意到外地核与内地核的地震波传播方式不同，但没人提出内地核铁结晶方向的分析意味着什么。这个谜团还有待科学家进一步研究。

关于地震波如何“解剖”地球，以及如何解析内核组成，今天就讨论到此。

你明白了吗？