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地震波探测地核

作者: 孙克忠 赵永信 【字号: 访问量:

大家都知道,人类生活所需的煤、石油、天然气等化石能源和各类金属、非金属矿产的形成都是板块运动的产物,而岩石圈板块运动的驱动力就来自地核外层。地球的内部构造,由地表至地心分别是地壳、上地幔(包括岩石圈和软流圈)、下地幔,外核和内核。然而,关于地核至今尚有许多未解之谜。如:地核的温度是多少?地核的成分是什么?地核的性质如何?地核为什么具有复杂的各向异性?地核的电导率和热导率是多少?诸如此类的问题依然困惑着地球科学家们。

一.地球的内部构造

作为地球科学的一个分支,地球物理学是20世纪迅速崛起的一门年轻学科,物理学得到非常广泛的应用,尤其是地震学的发展,使我们逐渐认识到地球内部的结构与性质。

19世纪,人们在研究天然地震时发现,震源会产生在地下传播的体波和沿地表传播的面波,其中体波又分为压缩波(P波)和剪切波(S波)两类,P波总是比S波快,而且,S波不能穿过液体传播。通过在地震图上识别出P波和S波,开始了用地震波研究地球内部结构。

1909年10月8日,南斯拉夫的萨格勒发生了一次强烈地震,莫霍洛维奇在研究这次地震的各项数据时,发现地震波传播的速度在地表下面33公里处存在一个不连续的跳跃,说明在这一深度上下物质密度相差很大。后来,科学家们确证这个球面是地壳和地幔的分界面,并以莫霍洛维奇的名字来命名,称为“莫霍洛维奇面”,简称“莫霍面”。

1914年,地震专家古登堡在分析远方地震所发出的地震波时,又发现地表下面2900公里处,地震波的传播速度也发生了急剧改地幔和地核的分界面,地质学上称作“古登堡面”。

最初,人们认为地核是液态的,地震波的剪切波不能穿过,所以地球表面有一个大的剪切波影子区。由于折射关系,压缩波也有一个影子区。1936年,丹麦女地质科学家莱曼对地核中传播的地震波速度进行了更精确的测量,在压缩波影子区中发现了新的震相,发现地核可分为内核和外核两部分,内外核的分界处在地表下5100公里处。外核中地震波横波不能通过,人们推测它为液态的。而到了内核,横波又重新出现,说明它是固态的。由于地震波在整个地核中的传播速度与它在高压状态下的铁中传播速度相等,人们很自然地想到地核可能是由高压状态下的铁、镍物质构成的。

在莱曼之后,双层地核模型成了公认的模型。

图1. 地球内部结构(图中数字的单位均为km)

当前科学家研究的结果是地核位于2900km深度之下,地核半径约3480km,略大于地球半径(约6371km)的二分之一。地核体积只有地球的16%。地核又分为液态的外核和固态的内核,内核的体积不到地球的1%,约为0.7%。

二.地震震相的识别

地震是地球内部能量以弹性波形式的瞬间释放,其中部分能量由震源向周围介质传播,并藉此与地球圈层相互作用,使得地震信号实际上成为不同结构响应的“相(Phase)”的叠加。这种反映地球特定结构的弹性波信号被称作“震相”,这些“相”的鉴别提取和分析解释便也成为了地震学研究的主要内容。

体波观测利用地震信号的走时、振幅及波形等信息来研究地球内核的速度和衰减结构。由于地震信号直接来自于内核结构对弹性波场的响应,因而也是内核信息的最直接来源。地震体波方法已成为内核研究的重要手段。

体波研究中,不同震相对应不同结构和不同传播方式P波或S波)的地震信息,现简要介绍在内核研究中经常涉及的一些震相。

P:简称P波,以纵波形式在地球中传播。

PcP:“c”表示核幔边界(Core Mantle Boundary,简写CMB)的反射,左右两边的“P”分别表示震源到反射点和反射点到接受处的纵波传播。

PKP:“K”为德语“Kern”之首字母,即“核”之意,表示以纵波形式穿过地核的震相。

PKPab:折返点位于OC中上部,见于震中距150-180°,波形对应相邻震相PKPbc的Hilbert变换。

PKPbc:折返点位于OC底部,见于震中距148-155°,常与PKIKP组合反演内核顶部350公里深度的结构。

PKPcd:又称PKiKP,其中“i”代表ICB反射震相。

PKPdf:又称PKIKP,其中“I”表示以纵波形式透射内核,见于震中距120-180°。在实际观测中,PKIKP系地核震相的初至波,具有相对低频低振幅的波形特征。作为与内核实体直接作用的体波,PKIKP携带着丰富的内核信息,并常与前述震相组合反演内核结构。

PKJKP:“J”表示横波形式透射内核。作为内核固态的最直接证据以及本身微弱的能量(衰减及ICB低效的P-S转换),J相观测被誉为 “体波地震学的圣杯(Holy Grail of body wave seismology)”。

图2 .内核研究相关震相的射线路径

三.地球的地核

地球演化早期,认为是较重的富铁熔滴沉降汇于地心形成初始地核。随着地球冷却降温,铁合金率先在地心处结晶,固态内核由此形成并不断增生。这一过程既受控于地球热力学状态的变迁,同时又制约有关深部动力过程的进行,并深刻影响了地表环境的宜居性。内核生长释放的结晶潜热和轻元素重力能为液态外核对流及地磁场发生提供了持续强劲的动力,对维系生态圈磁屏障也具有重要意义。

液态外地核的活动会在核幔边界形成热地幔柱,从2900公里深处一直上升到地表,造成了一系列火山活动,驱动着板块运动。研究表明,地球的磁场是在地球诞生之初的3亿年中形成的,但磁场较弱,大概在35亿年前,地球有了内核,磁场变强了,成为了最富有生命的一个星球。

图3. 流体外核的存在,导致地球是一个复杂的、各向异性的、充满生机的球体

上世纪80年以来,各向异性及不均匀结构的发现改变了对内核简单“铁合金球体”的最初认识。而这颗“行星中的行星”相对地幔差异自转的提出更引起了学界的不同看法,其讨论延至今日。然而,“迄今为止对地球内核研究的一切结果都是有争议的”。这个深处地心,体积仅占地球0.7%的圈层,“比太阳系任何星球的表面都更难接近”。只有不同方法相互检验,才能更好实现对内核的认识。

关于地核的困惑主要集中在三个方面:(1)地核的物质组成是什么?(2)该组成物质在地核高温高压下的晶体结构、各种物理性质是什么样的?(3)具有该物理性质的物质在地球内部是如何运动的?

1.地核有多热?

地球内部的热状态是认识地球本体和研究关乎人类生存的资源、能源、灾害及环境变化的基本地球物理场之一。在原始地球分异过程中,温度起着决定性作用。甚至可以说,整个地球的发展史就是地球的热演化史。根据现代的地球科学研究,地球的年龄为46亿年,并且还会有50亿年的寿命。

 通常都假定地核是由铁组成的,既然外地核是液体铁,内地核是固态铁,那么,内、外地核界面处的温度就应该是那里压力下铁的熔点。由于大家公认内、外核界面的压力约为330GPa,问题似乎变得简单了,只要知道铁在330GPa压力条件下的熔点就行了。于是科学家们有的进行实验室测定,有的用金刚石压砧技术进行静态实验,或用冲击波技术进行动力学实验,有的则进行理论计算,或采用密度泛函理论计算,或采用经典分子动力学理论计算。

2013年,在金刚石压砧工作中采用新的熔化判别标志,指出地核温度高于6000K,支持地核温度较高的结论。

2.地核里有什么?

综合利用地震波和地球自由振荡等观测数据,我们已经初步了解了地球内部速度和密度的分布情况,并可进一步推导出地球内部不同圈层的压强、重力加速度等参数。这些参数将有助于我们推测地核的成分。我们今天已经知道,外地核的密度为10—12g/cm3,内地核的密度约为13g/cm3。在20世纪40—50年代,科学家就发现,无论是外地核还是内地核,密度都小于纯铁,从而提出地核密度缺失和地核中有轻元素的概念,即地核中必须含有比铁轻的元素。自那以后,对地核成分的研究一直是地球深部研究的热点。

首先,地核中轻元素的存在会改变内外核边界的温度,从而影响地核的热结构和内核生长历史。

其次,地核中轻元素的存在为地核发电机提供了重要的能源。大家都知道,地球磁场已经工作了几十亿年。驱动地磁场工作的地核发电机能量源一直是重点研究对象,到目前为止,人们已经提出了4种驱动源。这就是:(1)地核冷却、内核结晶和潜热释放;(2)轨道进动;(3)放射性元素;(4)轻元素释放。

再有,地核中轻元素的种类和含量还与地球形成历史密切相关,通过对地核轻元素成分和含量的研究,可以探索地球早期形成历史。

有些科学家认为地核含有大量氧,从而影响到地核和地幔的成分,并进而影响到从地幔分异出来的地壳的成分。地核中到底有没有氧呢?到今天没办法取到数千公里之下地核的样品去直接进行化学分析。我们能够采用的确定地核成分的方法是地震学+矿物物理的方法,就是说,只能通过矿物物理确定不同成分物质的密度和波速,然后与地核相应的值进行比较,从而确定地核成分。不过,由于可选成分太多,各种组合都有可能拟合地核值,使得这种确定地核成分的方法因为多个答案而遇到了很大挑战。

总之,地核的含氧量仍然是未解之谜。

3.内核的物质特性

通过地震波的研究表明,内核具有高泊松比和低剪切波速。内核的泊松比为0.44,类似于橡胶和铅,而其剪切波速只有3km/s,比铁的剪切波速(5km/s)低了40%。这是什么原因造成的?有的科学家通过经典分子动力学研究认为,内核的低剪切波速是由晶体缺陷造成的。也有科学家采用第一性原理分子动力学方法进行研究,认为低剪切波速是由强烈的熔化前效应造成的。有些实验工作认为,碳元素的加入会形成Fe7C3,而Fe7C3就具有高泊松比,这会导致内核的高泊松比,同时也暗示地核中含有大量的碳。显然,这造成了与地球化学和宇宙化学研究结果的新矛盾!

4.内核平移

地核具有极其复杂的各向异性和不均一性。观测表明,内地核和外地核都对地震波传播方向和速度存在明显的各向异性。而且,无论是内地核还是外地核,这些各向异性全都分成东西两个半球,西半球的各向异性比东半球明显得多。对此,科学家们在2010年提出了一个天才的解释。他们认为,内核在一边熔化,一边固结,因而产生内核平移,并在表面形成均一层。他们的模型很好地解释了地震学所观察到的多种现象。在以往的研究中认为地磁极和地球自转轴总是不重合。照理说作为一个对流体,二者应该重合在一起的,就是由于内核一边融化一边固结,才造成了不重合。他们的最新结果指出,内核并不是均一的,还可以再分成内内核和外内核,内内核的各向异性与外内核完全不一样。

图4.在2010年对内核的各向异性和不均一性提出的一个天才解释。认为内核在一边熔化,一边固结,产生内核平移,并在表面形成均一层,很好地解释了地震学所观察到的多种现象

5. 地核发电机

大家都知道外核流体运动产生了地磁场,而外核温度和压力条件下铁的电导率和热导率是地核发电机工作机制的决定性因素。那么,地核的电导率和热导率是多少?由于现在还无法直接测量如此高温高压下的数值,只能采用理论计算的方法。最新的研究结果支持过去对地核发电机工作机制的认识,即通过外核流体对流就能工作,不需要额外的放射性热源,核幔边界热流值也与地球物理估算值一致。

总之,关于地球内部的许多认识不能单靠一种观察手段或一门学科,研究地球内部的信息,除了地震波之外,还有来自陨石的、天文的、地磁的资料,很多资料都是货真价实的,都是真实的数据、第一性数据。很多时候观测数据很重要,如果没有新的观测手段,多数研究就走不下去了。地球物理同样需要新的实验手段,得到新的第一手数据,才会有本质上的进步。如果没有新的观测手段,很多前沿科学的研究就会步履艰难。近代自然科学的重要特征就是实验和科学的思维方法,这两者是近代自然科学区别于中世纪经院科学的关键所在。

作者简介:孙克忠,研究员,中科院地质地球所; 赵永信,高级工程师,中科院地质地球所