地球也能“照X光”
——海洋風(fēng)暴激發(fā)的地震波可揭示地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)
記者 姜 靖
照X光片是人們非常熟悉的醫(yī)學(xué)檢測手段，可以幫助醫(yī)生看到肉眼看不到的人體內(nèi)部。最近，科學(xué)家通過研究海洋風(fēng)暴，首次從地球內(nèi)部探測到了由風(fēng)暴激發(fā)的罕見地震波。利用這些地震波給地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，就仿佛給地球照X光一樣，有望為研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供新工具。相關(guān)研究成果發(fā)表在近日出版的《科學(xué)》雜志上。
地震波有助了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)
也許窮其一生，人類也無法感知我們腳下的地球正以五花八門的方式發(fā)出聲音。事實(shí)上，就連最明顯的地震運(yùn)動(dòng)也是地球不同類型和頻率抖動(dòng)的復(fù)雜組合。通常情況下，大規(guī)模的破壞由一種被稱作面波的地震波引起，但其實(shí)在這些危險(xiǎn)的面波席卷一切之前，地震已經(jīng)發(fā)出了快速而微妙的征兆。
這些征兆被稱為體波，這種波以近乎直線的運(yùn)行軌跡直接到達(dá)地核。體波比面波要微弱得多，因此通常很難被人類發(fā)現(xiàn)。不過有趣的是，這些震前的低頻脈動(dòng)能夠引起狗和馬等動(dòng)物的警覺。
體波通常具有兩種基本形式。一種有點(diǎn)像聲波那樣通過拉伸或者變形在陸地上向前移動(dòng)，被稱作P波。P波通常作為一種“預(yù)測波”，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ紫鹊竭_(dá)。另一種是S波，又被稱為“續(xù)至波”，它們通常會(huì)像海浪侵襲地表那樣上下、左右運(yùn)動(dòng)。S波較為微弱，而且通常被P波淹沒，因此很難被監(jiān)測到，但它們卻非常重要。
四川省地震局、川滇國家地震監(jiān)測預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場四川分中心的李大虎博士告訴科技日報(bào)記者，當(dāng)波動(dòng)以大圓弧路徑席卷地球并返回到地表后，地質(zhì)學(xué)家們可以檢測并測量到它們。波動(dòng)在傳播過程中，遇到重要的地球化學(xué)或物理結(jié)構(gòu)分界面的時(shí)候，例如在地核和地幔之間的邊界（核幔邊界），它們就會(huì)發(fā)生反射、折射，甚至停止傳播，這就意味著研究震后P波和S波的傳播有助于闡明地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
劇烈海洋風(fēng)暴也能產(chǎn)生微弱地震波
然而，這種方法存在一個(gè)問題，就是對于遠(yuǎn)離構(gòu)造板塊邊緣、地震稀少的地區(qū)，地球結(jié)構(gòu)圖像的分辨率較低，這或許就是劇烈的海洋風(fēng)暴可以幫助到我們的地方。東京大學(xué)地震學(xué)家西田究（音譯）說，在海洋風(fēng)暴期間，大氣壓力迅速下降產(chǎn)生強(qiáng)烈的海浪，其中小部分能量一直傳播到海底，并在巖石中產(chǎn)生了微弱的P波和S波，就如同發(fā)生了一個(gè)非常微弱的地震。
地質(zhì)學(xué)家們曾用這種方式探測到了P波?，F(xiàn)在，西田究和同事高木亮太（音譯）首次探測到了更加微弱的S波。他們關(guān)注了2014年12月發(fā)生在格陵蘭島附近北大西洋地區(qū)的一場被稱為“氣象炸彈”的強(qiáng)烈海洋風(fēng)暴。利用布設(shè)在日本的密集的地震臺網(wǎng)，他們從這次風(fēng)暴中探測到了P波，并如預(yù)期的那樣，也拾取了S波信號。
可構(gòu)建更清晰的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
通過“氣象炸彈”風(fēng)暴激發(fā)產(chǎn)生的P波或S波記錄，可以構(gòu)建高分辨率的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，還可以精確地計(jì)算出上下地幔之間邊界層的深度。西田究認(rèn)為，這項(xiàng)研究工作可能最終有助于揭示重要的邊界層的起伏情況，并可能影響到我們對于地幔對流和構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)的理解。
他還指出，“氣象炸彈”類型的強(qiáng)烈風(fēng)暴不像地震那樣常見，但可能發(fā)生在海洋中幾乎任何地方，這就意味著它們可為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像提供補(bǔ)充震源信息，日本和美國等國已經(jīng)開始安裝和使用密集的地震臺網(wǎng)，去探測這些由風(fēng)暴激發(fā)的弱波形信號。
加州大學(xué)圣地亞哥分校地震研究員彼得·澤斯托夫特指出，使用海洋風(fēng)暴激發(fā)產(chǎn)生的微弱地震波成像是有可能的，同時(shí)利用P波和S波還能夠提供更多的信息，因?yàn)镾波比P波有更短的波長，且在縱向和橫向上變化的規(guī)模更小，可用它來對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。澤斯托夫特的同事彼得·布羅米斯凱也指出，研究人員已經(jīng)設(shè)法利用地震環(huán)境噪聲信息更好地構(gòu)建地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像，例如海浪或重型車輛產(chǎn)生的振動(dòng)信息。
據(jù)報(bào)道，發(fā)現(xiàn)這些S波后，日本研究者希望可以著手創(chuàng)建有關(guān)這些波的目錄，然后將編目后的S波進(jìn)行比較，以便通過這些目錄打開一個(gè)在風(fēng)暴環(huán)境下探索地球內(nèi)部本質(zhì)的視角，重新梳理有關(guān)我們地球的結(jié)構(gòu)信息。
