地球也能“照X光”

姜 靖

2016年09月09日08:24  来源:科技日报
 
原标题:地球也能“照X光”

  本报记者 姜 靖

  照X光片是人们非常熟悉的医学检测手段,可以帮助医生看到肉眼看不到的人体内部。最近,科学家通过研究海洋风暴,首次从地球内部探测到了由风暴激发的罕见地震波。利用这些地震波给地球内部结构成像,就仿佛给地球照X光一样,有望为研究地球内部结构提供新工具。相关研究成果发表在近日出版的《科学》杂志上。

  地震波有助了解地球内部结构

  也许穷其一生,人类也无法感知我们脚下的地球正以五花八门的方式发出声音。事实上,就连最明显的地震运动也是地球不同类型和频率抖动的复杂组合。通常情况下,大规模的破坏由一种被称作面波的地震波引起,但其实在这些危险的面波席卷一切之前,地震已经发出了快速而微妙的征兆。

  这些征兆被称为体波,这种波以近乎直线的运行轨迹直接到达地核。体波比面波要微弱得多,因此通常很难被人类发现。不过有趣的是,这些震前的低频脉动能够引起狗和马等动物的警觉。

  体波通常具有两种基本形式。一种有点像声波那样通过拉伸或者变形在陆地上向前移动,被称作P波。P波通常作为一种“预测波”,因为它们通常首先到达。另一种是S波,又被称为“续至波”,它们通常会像海浪侵袭地表那样上下、左右运动。S波较为微弱,而且通常被P波淹没,因此很难被监测到,但它们却非常重要。

  四川省地震局、川滇国家地震监测预报实验场四川分中心的李大虎博士告诉科技日报记者,当波动以大圆弧路径席卷地球并返回到地表后,地质学家们可以检测并测量到它们。波动在传播过程中,遇到重要的地球化学或物理结构分界面的时候,例如在地核和地幔之间的边界(核幔边界),它们就会发生反射、折射,甚至停止传播,这就意味着研究震后P波和S波的传播有助于阐明地球的内部结构。

  剧烈海洋风暴也能产生微弱地震波

  然而,这种方法存在一个问题,就是对于远离构造板块边缘、地震稀少的地区,地球结构图像的分辨率较低,这或许就是剧烈的海洋风暴可以帮助到我们的地方。东京大学地震学家西田究(音译)说,在海洋风暴期间,大气压力迅速下降产生强烈的海浪,其中小部分能量一直传播到海底,并在岩石中产生了微弱的P波和S波,就如同发生了一个非常微弱的地震。

  地质学家们曾用这种方式探测到了P波。现在,西田究和同事高木亮太(音译)首次探测到了更加微弱的S波。他们关注了2014年12月发生在格陵兰岛附近北大西洋地区的一场被称为“气象炸弹”的强烈海洋风暴。利用布设在日本的密集的地震台网,他们从这次风暴中探测到了P波,并如预期的那样,也拾取了S波信号。

  可构建更清晰的地球内部结构图

  通过“气象炸弹”风暴激发产生的P波或S波记录,可以构建高分辨率的地球内部结构图像,还可以精确地计算出上下地幔之间边界层的深度。西田究认为,这项研究工作可能最终有助于揭示重要的边界层的起伏情况,并可能影响到我们对于地幔对流和构造板块运动的理解。

  他还指出,“气象炸弹”类型的强烈风暴不像地震那样常见,但可能发生在海洋中几乎任何地方,这就意味着它们可为地球内部结构成像提供补充震源信息,日本和美国等国已经开始安装和使用密集的地震台网,去探测这些由风暴激发的弱波形信号。

  加州大学圣地亚哥分校地震研究员彼得·泽斯托夫特指出,使用海洋风暴激发产生的微弱地震波成像是有可能的,同时利用P波和S波还能够提供更多的信息,因为S波比P波有更短的波长,且在纵向和横向上变化的规模更小,可用它来对地球内部结构进行成像。泽斯托夫特的同事彼得·布罗米斯凯也指出,研究人员已经设法利用地震环境噪声信息更好地构建地球内部结构的图像,例如海浪或重型车辆产生的振动信息。

  据报道,发现这些S波后,日本研究者希望可以着手创建有关这些波的目录,然后将编目后的S波进行比较,以便通过这些目录打开一个在风暴环境下探索地球内部本质的视角,重新梳理有关我们地球的结构信息。

(责编:魏艳、赵竹青)

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