探测地球内部的“雷达”——地震波（二）

曾融生 陈运泰 吴忠良

　　四、在不同距离上“看”到的地震波
　　以地球为参照物，地震震源与接收点之间的关系可以分成四种：地震就在“脚下”，地震在1000公里范围内，地震在100～1000公里范围内，地震在1000公里之外。在这四种情况下，起决定性作用的地震波是不同的。
　　对于地震“就在脚下”和地震在100公里范围内的情况，可以清楚地看到走在前面的纵波和走在后面的横波及其尾波，由于震源与观测者之间的距离比较近，所以地震波的高频成分还没有被衰减掉。正是这些高频成分造成了地面上的普通建筑物的破坏。
对于地震在100～1000公里范围内的情况，除了能见到纵波、横波及其尾波之外，还能见到一类特殊的地震波——首波。首波的出现主要是因为在地壳下方的波速比地壳中的波速高，所以走在地壳下方的波反而比走在地壳中的波“先行到达”。此外，来自地壳下部以及地壳内部的间断面的反射和转换波也经常能看得到。在一些情况下，还可以见到“发育”得不是特别好的面波。
　　对于地震在1000公里之外的情况，地震波可以分成两类，沿地球表面传播的面波此时具有广阔的空间去“驰骋”，而体波则可以穿透到更深的地球内部。由于体波的几何衰减是“立体”的，而面波的几何衰减是“平面”的，所以面波的衰减自然比体波慢得多，在这种情况下，面波变成了地震波的主角，不过体波也有丰富的表现。只是由于震源与地震台站之间的距离比较大，所以高频成分大部衰减掉了，此时地震波以长周期为主。 体波可以从比较小的距离到比较大的距离连续地追踪，但是在大约104°(在地球表面1°约等于111.1公里)左右的距离上，体波突然“消声匿迹”，出现了一个“影区”。这种现象的原因是，地震波在地核的界面上发生了折射。地震学家古登堡正是根据这一现象确认了地核的存在。原来这一巨大的“影区”竟是地核的影子。从地震波传播的情况来看，地核似乎是不传播横波的。地震学家因此推测，地核是液态的。1936年，丹麦女地震学家莱曼在“阴影”中辨认出地球的固态内核的形象，即在液态的地核之中还有一个固态的地球内核。当时很多专家对此表示怀疑，但最后还是莱曼胜利了。她的“武器”不是别的，就是地震观测资料。1996年，宋晓东和理查兹发现，地球内核的转动比地壳、地幔快，这一发现引起科学界的普遍关注。现在科学界正在争论的问题之一是，内核转动究竞是时快时慢呢，还是一直比地壳、地幔?1998年，宋晓东和汉伯格又发现，内核也是有结构的。
　　五、地震波与地球内部结构
　　体波之所以对地球内部结构比较敏感，是因为在地球内部的不同部分，地震波传播速度不同，在不同部分的分界面上发生的反射、折射和波型转换，既影响体波的“行走时间”，又影响体波的振幅和形状。而对面波来说，还有一个重要的性质。在面波的“队伍”出发的时候，最初还能“队列整齐”地前进，但是逐渐地，这支队伍发生了“分化”。有些频率的面波“比较敏捷”，跑在前面；而有些频率的面波“比较迟缓”，落在后面。这种情况称为“频散”。面波的频散是由它所经历的“路程”上的地球结构决定的，因此它对地球内部结构也有明显的反映。
　　把面波的波长延伸到整个地球的尺度，我们还有一个专用的名词：地球自由振荡。这时，地球好像是一口铜钟被大地震重重地敲击一下，余音缭绕，经久不绝。不同形状、不同结构的铜钟具有不同的音色；类似地，不同形状、不同结构的星球也具有不同的自由振荡的形式。地震学家就像一位钢琴调音师那样，通过倾听地球的“音乐”，辨认出地球内部的结构。这项成果是20世纪50～60年代的成果。后来，地震学家又把这种本领应用到木星和太阳上同样取得了令人鼓舞的进展。不同波长的地震波对地球内部结构的探测具有不同的分辨度，波长为公里数量级的体波，可以对地球内部结构进行“精雕细刻”式的描绘；波长为数百公里数量级的面波，可以描绘出地球结构的“写意”式的轮廓；而波长在数千公里以上的地球自由振荡，又可以“大手笔”地写意出地球的形象，尽管画法不同，却同样栩栩如生。 不同类型的地震波所能勾画出来的地球，仅仅是地球的一部分。人工爆炸源或小地震产生的高频体波尽管分辨本领比较高，却只能探测到地表以下约20～30公里的深度；来自比较远的大地震的体波，可以勾画出地球内部的大致的轮廓和地震台站(台阵)下方约200～400公里深度的详细的结构；面波可以用来对地表以下直至500公里深度的结构进行“写意”式的描绘；地球自由振荡则可以勾画出整个地球的大尺度的结构。所以，这些“画法”之间是一种相互补充的关系，由地震波画出地球内部结构的形象，与其说是一幅精雕细刻的文艺复兴式的油画，不如说是一幅粗则奔放、细则入微的国画。同样，在这幅写意画的创作过程中，经常是“粗中有细、细中有粗、粗细相济”的情况。从这个意义上说，地震学更接近于一门艺术。 我们说地震学是一门艺术，是因为在很多情况下，构思往往比下笔更重要。构思得当的作品，只消寥寥数笔，就勾画出了所描绘的对象的神韵。地震学是一门“花钱的”科学，地震观测需要大量的经费支持，而这时把有限的力量集中在最关键的问题上，通过合理而巧妙的“兵力部署”实现“战略意图”，就显得尤为重要，这里举一个例子。60年代，地震学家为了研究深源地震，分别在南太平洋的汤加和斐济布设了两个地震台进行观测，尽管只有两个台，这样的布局却是颇具匠心的：一个台站接收的地震刚好通过深源地震组成的地震带，而另一个不通过。这样，就可以看一看由深源地震组成的那条倾斜的地震带，究竟具有怎样的不同，或者换句话说，为什么深源地震恰好发生在这里，而不是发生在别处。结果发现，通过地震带的地震波比不通过地震带的地震波的能量大得多。当时已经知道，地震波在浅处的衰减要比在深处慢，原因是，浅处很“冷”，深处很“热”。物质越热，“内耗”就越厉害，地震波能量转变成热能的效率就越高。这样，地震学家很快就“猜测”出了一幅图像：冷的浅部的物质在这里“俯冲”到热的深部的物质当中，而这正是为什么在地下深处600～700公里的深处会有地震(“深源地震”)发生的原因。后来，更多的观测表明，这种想法是正确的。由此而导致的思想和理论后来成为板块构造学说的一个重要的组成部分，板块构造学说后来则被称为“地球科学的一次革命”。
　　在地震波探测的视野中，有几类特殊的结构具有特别重要的意义。第一类是间断面，它未必是物质的间断面，但却是“力学的”间断面，这些间断面在地球动力学中扮演了重要的角色；第二类是低速带，一般认为，低速带与比较热的、比较软的物质联系在一起；第三类是地球内部的大尺度的非均匀结构，这类非均匀结构通常与地幔对流、地磁发电机过程联系在一起。此外，还有一类结构，称为“热柱”，它是从地球外核附近直至岩石层的“烟囱”状的结构，在全球动力学中具有重要的意义。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （全文完）

摘自地震出版社《院士专家谈地震》