李娟 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員
我要帶大家去一個很神奇的地方，做一次特殊的旅行，那個地方的壓力可以達(dá)到100萬個大氣壓。我們要去什么樣的地方呢？沒錯，就是地球的內(nèi)部——地核。
方向就是現(xiàn)在所在的位置處垂直往下，萬事俱備，就差一位很重要人物，就是我們的小導(dǎo)游，有請來自冰川上的來客——小松鼠。
請注意，它抱著松果，經(jīng)過了什么樣的地方？經(jīng)過外核、內(nèi)核，它終于降落在了固態(tài)的內(nèi)核上。小松鼠撥動了內(nèi)核，地表發(fā)生了翻天覆地的變化，而故事的情節(jié)就由此展開。在動畫片中，小松鼠抱著它的小松果，在一個神奇的大裂縫中神奇地穿過了地殼、上地幔、下地幔，以及外核和內(nèi)核。
我們當(dāng)然很明白，這樣一個超級大裂縫在現(xiàn)實中是沒有的，大家或許會說可以挖一個，沒錯，人類也確實是這樣做了。在人類歷史上最深的鉆，到目前為止是位于前蘇聯(lián)的科拉深鉆，猜一猜它的深度到底有多少呢？答案是12千米。這個場景是不是很壯觀呢？
這張圖的黃色線標(biāo)則是地球半徑的長度6370千米，而我們剛才說的科拉深鉆只有12千米，也就是說連地球的皮毛都沒有打透。這意味著什么？意味著我們上天容易而入地難。
人類對地球內(nèi)部的認(rèn)識和了解實在是太有限了，我們怎么樣能夠去認(rèn)識地球內(nèi)部到底是什么樣的，它的結(jié)構(gòu)又是什么樣的呢？不能靠打鉆這樣的方法，我們只能找另外一種更有效的方法，這就要求助于地震波。
地震波是地震的時候發(fā)出的一種波動，一提到地震，我想每個人會涌上心頭的就是“好可怕”，會聯(lián)想到唐山大地震、汶川大地震，大家可以用不同的詞來形容它，檣傾楫摧、房屋倒塌、妻離子散等等。
我今天不想談?wù)劦卣鹚僚暗倪@方面，我想站在另外的側(cè)面，談一談地震在科學(xué)家眼中到底有什么樣的價值？能帶給我們什么樣的信息？
這樣一張波形圖，是不是有點(diǎn)像心電圖？其實比心電圖要復(fù)雜得多。我和同事的工作，就是去閱讀這樣一張張復(fù)雜的“心電圖”記錄，想辦法去解譯來自于地球內(nèi)部和地震本身的信息。
說到地震，古人們對地震的理解，大多數(shù)都是基于神話或者以宗教為基礎(chǔ)。比如說中國的陰陽論，認(rèn)為陰陽的失衡導(dǎo)致了大地為之顫抖；而西方則認(rèn)為因為人類行為的不端，上帝特地派地震來懲罰人類。
一直到1755年，大西洋沿岸的城市里斯本發(fā)生了一次超大的地震，6萬人到9萬人死亡。人們開始靜下心來好好去思考，地震到底從哪里來？最終得出一個樸素又正確的推論，那就是地震源自于地球的內(nèi)部。
這張圖是我們上大學(xué)時候教科書上必須會用到的一張經(jīng)典的圖片，說的是一個原本完整的柵欄在地震之后發(fā)生了6米的位移。美國的學(xué)者里德，根據(jù)這樣一些野外觀測提出了地震斷層說。
說的是什么呢？地球內(nèi)部的巖石也在受力，當(dāng)力集聚到一定程度的時候，會超過強(qiáng)度的限制，因此地球內(nèi)部會發(fā)生脆性的破裂。有點(diǎn)像搬一根尺子，或者一根棍子，給它使力的時候，它就會斷掉了。因此，地球內(nèi)部就形成了斷層，能量就會以斷層滑動的方式最終被釋放出來，也就是我們感受到的地震波。
說到這兒，大家可能都想見一見地震波的真面目。它是一種波動，因此一定有它獨(dú)特的頻率范圍，和人耳聽到的聲波做比較，我們的耳朵只對20赫茲到2萬赫茲內(nèi)的聲波比較敏感，而地震波通常是比20赫茲要低。
因此，一般意義上來說，我們聽不到地震發(fā)出的聲音。但是為了讓大家聽到地震的“音樂”，我們特地把地震發(fā)生的速度給加快了，也就是把時間給壓縮了，或者換句話說，我們按了一個快門鍵，這樣就可以聽到地震發(fā)出的旋律和聲音。（編者注：汶川地震地震波音頻在視頻中06：36位置）
聽見了地震的聲音之后，我們還有一個問題，怎么樣去看到地震波，或者說把它的信號捕捉下來？這張圖片告訴了我們，中國是人類歷史上第一個發(fā)明了能夠?qū)Φ貏佑懈袘?yīng)儀器的國家，這就是張衡的候風(fēng)地動儀。但是這個儀器僅僅是能夠感應(yīng)地動和方向，并不是真正意義上的地震儀。因為作為一個地震儀，它需要對地動有時間和大小的記錄。
這個金屬樣的小物質(zhì)里面放了三個分量的擺，水平、東西和南北兩個分量，加上一個垂向分量。因為地動了之后，這個擺由于慣性會保持靜止，擺和地面之間就會產(chǎn)生相對的位移。我們可以轉(zhuǎn)化成信號記錄下來，這樣一張記錄圖就誕生了。
在全世界有各種各樣不同的儀器，有的分布在海里，有的分布在大陸上，這樣就構(gòu)成了一張無形的網(wǎng)。因此，無論在地球的任何小角落發(fā)生一次中強(qiáng)地震，或者進(jìn)行了核試驗爆炸的話，都無法逃脫這張無形網(wǎng)的敏銳的眼睛。
不同的國家和地區(qū)，可以根據(jù)自己的需求去布設(shè)。比如說在我國的京津唐地區(qū)，臺站的密度是比較高的，因為經(jīng)濟(jì)很發(fā)達(dá)；而在西部，看到的就是相對的稀疏一些。
當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后，地震波傳播到你的腳下，你會有幾種不同的感覺。如果你很敏感，首先感到的將是上下的一種跳動，這是P波到來了，因為傳播的速度比較快，因此最早到來；后到來的是S波，它傳播的方向和極化方向，或者說和振動方向是垂直的，因此一般會感到前后，或者左右的晃動。
如果還能夠堅持，將會感受到第三種波，這種波叫面波。以更慢的速度傳播到你跟前，有點(diǎn)像水面上傳播的水波那樣，前后的滾動。通常來說，面波因為振動最大，因此帶給人類的災(zāi)害也是最大的。
穿插一個小小的故事，去年7月份的時候，我和女兒去新疆科考，有一天早晨我醒得很早，正在思考著問題，突然感覺到床好像振動了，天花板也點(diǎn)晃。我想新疆那個地方多地震，應(yīng)該是地震來了。我立刻把邊上的女兒給叫起來，我說：“快醒一醒，感受一下地震?！?/p>
孩子也真是挺聽話的，沒有掙眼，把兩只手伸開了，扒著床邊，她說：“媽媽，我感覺到了，前后在晃動，腦袋瓜在晃動?！焙⒆诱f這個事情很好玩，是一生中很難忘的經(jīng)歷。我后來也問孩子，地震的時候怎么不害怕？她說那么小的振動有什么好怕的呢？而且媽媽也在身邊，有什么好怕的？
地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)其實是很復(fù)雜，因此這些波可能有走短路徑的、走長路徑的，有直達(dá)波、折射波、反射波，總之它們是經(jīng)過了地球內(nèi)部各個小角落，因此它們在用獨(dú)特的方式為我們照亮著地球的內(nèi)部。
這張波形圖是放大之后，可以更清楚的看到上面蘊(yùn)含著一些信息。首先是時間的信息，另外一個就是振幅大小的信息。在這里教大家一個竅門，如果我們把不同的臺站的波形記錄到的時間，點(diǎn)在這張圖上，會發(fā)現(xiàn)連成一根曲線。這個曲線的斜率是很重要的，斜率就能告訴你地球內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)。
我們來回顧一下歷史上有哪些大咖們的研究，給我們留下了重要的成就，也順便回答一下大家可能在心中存留已久的一些問題，譬如說你怎么知道地球由地核，地幔和地殼構(gòu)成呢？聽我講這個故事就明白了。
1909年，莫霍洛維奇把有限的數(shù)據(jù)點(diǎn)在一張圖上，他發(fā)現(xiàn)了什么呢？這根曲線存在一個拐點(diǎn)，意味著什么？地球某一個深度速度發(fā)生了變化。沒錯，這就是我們現(xiàn)在所說的莫霍面，也就是說莫霍面之上速度稍微慢一些，莫霍面之下，速度突然間就出了一個大的變化，這樣就把地球分成地殼和地幔兩個部分。
至于地核的由來，人們已經(jīng)對它有很長時間的猜測，為什么呢？卡文迪許很早以前就告訴我們，地球的密度大概是5.5克/立方厘米。而隨便從地球上撿一塊小石頭回家去秤一秤，它的密度大概在2.7克/立方厘米，相差約2倍。
這2倍的差異怎么來解釋呢？地球深度越深，它的密度會加大，因為壓力會大。沒錯，是可以解釋一小部分，但是不足以解釋2倍這么大的差異。古登堡老先生從地震圖上看到了一些端倪，他追蹤S波和P波，發(fā)現(xiàn)到大震中去的時候，S波突然間神奇地消失了，而P波也突然間剎車減速了。為什么呢？
古登堡認(rèn)為在地球內(nèi)部存在一個液態(tài)的外核，這個核的深度存在于2900千米，這個值離我們現(xiàn)在所給出來的2890千米，只差10千米。
正當(dāng)人們欣喜的認(rèn)為對地球的認(rèn)識已經(jīng)很棒了，十幾年之后，來自于丹麥的女學(xué)者萊曼又發(fā)現(xiàn)了一個神奇的現(xiàn)。依然是在P波的影區(qū)中，她發(fā)現(xiàn)了兩支不該有的P波，怎么樣解釋呢？
通過6年的思考和論證，她提出了一個很巧妙的模型，在核的內(nèi)部存在一個1200千米的固態(tài)的內(nèi)核，這樣就可以完美的去解釋她觀測到的所有現(xiàn)象。
萊曼的一生比較有傳奇性，在我看來，她創(chuàng)造了兩個學(xué)者之最。第一個就是她的論文題目是最短的，只有一個字母“P”再加一個撇，什么意思呢？就是穿透內(nèi)核的地震波的縮寫形式。另外，萊曼也是我所認(rèn)知的壽命最長的學(xué)者，1888年出生，是金牛座人士，1993年去世，活了105歲，差一點(diǎn)見證了兩個世紀(jì)的歷史。
人類對地球的認(rèn)識從最簡單的層狀模型變化到了這樣的內(nèi)核、外核、上地幔、下地幔以及殼模型。但是人類還不滿足，還想勾畫一下地球內(nèi)部的速度、密度隨深度的變化曲線。
這張圖已經(jīng)看到了，跟我們剛剛說的簡單的層狀圖形來比，還是要復(fù)雜得多，特別是在410和660那兩個地方，可以發(fā)現(xiàn)速度也發(fā)生了急劇的變化，這個區(qū)域叫作“地幔轉(zhuǎn)換帶”，這就是我比較感興趣的區(qū)域。
人類還是不滿足，希望地球再透明一點(diǎn)，最好能獲得三維、立體的，像水晶球一樣的地球展現(xiàn)在我們面前。怎么做呢？在醫(yī)院中我們大家可能都做過CT檢測，它對人腦或者對器官做一個全方位的掃描，這樣通過切片，我們就可以很容易地分辨出哪個地方可能有異常，哪個地方有腫瘤。把人類大腦做CT的概念借鑒過來，我們也可以對地球做CT。
這里有一個差別，思路雖然一樣，可是我們的源和接收點(diǎn)是不一樣的，我們的源是什么？不再是X光，而是分布不均勻的地震發(fā)出的地震波。我們的接收點(diǎn)也不一樣了，不可能在全球均勻的分布，而是哪里有臺站，我們在哪里有接收點(diǎn)。因此，對做地球做全方位CT，比給人類大腦和器官做CT要復(fù)雜得多。
這張圖是一個俯視圖，藍(lán)色表明是高速區(qū)，紅色表明是低速區(qū)，為什么它們很重要呢？因為速度與地球內(nèi)部的溫度是相關(guān)的，高速就預(yù)示著地球內(nèi)部那個地方的溫度是比較低的，而低速就表明那個地方的溫度是比較高的。
這是換了一個視角，我們看它的剖面圖，這些藍(lán)色是什么呢？就是地球表面俯沖的板片進(jìn)入到了地球的深部。不同的深部，就表現(xiàn)出來的不同的顏色，有的平躺，有的散落在下地慢當(dāng)中去了，如果沒有地震波，我們能看到這樣的地球內(nèi)部嗎？
這張圖以暖色調(diào)為基礎(chǔ)的，上面的小三角是冰島，冰島是火山區(qū)，大家可以看到滋養(yǎng)冰島的物質(zhì)，熱物質(zhì)的上涌，原來不是那么淺的，可以來自于核幔的邊界。
凡爾納寫的一部1864年的小說《地心游記》，在2008年搬到了我們的銀幕上。這里面提出了一個設(shè)想，地球內(nèi)部有一片汪洋大海，如果這片海洋存在的話，學(xué)者們現(xiàn)在認(rèn)為主要會分布在地球內(nèi)部410公里到660千米之間的地幔轉(zhuǎn)換帶區(qū)域。
是不是這樣？如果它存在，又是什么樣的呢？怎么樣去研究它呢？那就要求助于地震波了。
我所做的事情就是找到一些對那個深度比較敏感的波，把它按振動排列起來，還是那套東西。排列起來之后，你會發(fā)現(xiàn)它們形成了一條很漂亮的燕尾巴形狀，有長尾巴的、有短尾巴的、有寬尾巴的、有瘦尾巴的，這些尾巴的樣子跟地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是息息相關(guān)的。
因此通過這種波形，我們就可以獲得地球內(nèi)部的，包括P波，S波的結(jié)構(gòu)。有了結(jié)構(gòu)，我們就可以跟物質(zhì)掛鉤，因此我就可以告訴你在研究的東北亞地區(qū)的下方地幔轉(zhuǎn)換帶是含有水的，但是含水的量沒有那么多，并且這個水可不是我們想象中的那片汪洋大海，它是以結(jié)構(gòu)水的形式存在于礦物中的。
可能大家還想再追問一下，做這個工作到底有什么意義？其實說白了，就是好奇心的驅(qū)使，我們總想對我們的地球，做一個全方位的、由淺入深的了解。更實際一點(diǎn)說，地震波可以幫助我們?nèi)フ矣汀⒄覛?、找礦藏、找水、找能源，還幫我們?nèi)フ覕鄬印?/p>
我們現(xiàn)在看到的地面上的山川、河流、平湖、盆地等等，其實都是受地球內(nèi)部的一個過程所控制的，也就是說地球內(nèi)部動一動，地表就會有翻天覆地的大變化。
再舉一個很簡單的例子，那就是地磁場，它無時無刻的都在保護(hù)著我們不去受太陽風(fēng)和太陽粒子的輻射。那么想一想，如果有一朝一日地磁場減弱了，不存在了，甚至發(fā)生了轉(zhuǎn)向，我們的地表會變成什么樣呢？
因為是女性專場，所以我想還是以我剛才講的萊曼女科學(xué)家來收尾。我從網(wǎng)上搜集了她不同年代的照片，把它放在了一起，從年輕到年老。我想問大家一個問題，你們覺得她美嗎？我覺得她很美，我是她的粉絲。
她眼睛中有睿智、堅強(qiáng)，還有平和、快樂，甚至我覺得她越老，這種美就越凸顯出來。歲月悠悠，衰微只及肌膚；熱忱拋卻，頹廢必至靈魂。只要從天上人間接受美好、希望、歡樂、勇氣和力量的信號，你就青春永駐，風(fēng)華長存。
