2017年8月1日 星期二

幫地球照一張X光 (I)地震學家如何用地震波了解地球構造?

文/洪瑞駿        國立中央大學地球科學學系

現在只要在google上搜尋「地球構造」,立刻就有上百張地球內部構造的圖片,這些圖片描述著地球有著地殼,包覆著厚厚的地函,然後中間有顆熾熱的地核(圖一)。乍看之下,地球就像是一顆雞蛋薄薄的外殼、蛋白地函、以及圓潤的蛋黃地核。然而,真實的地球半徑大概是6400公里,即便是那薄薄的殼都有10~30公里厚。這是如何知道的呢? 有些人會說為何不直接鑽一口井直達地心就好? 眼見為憑是最直接的方式! 雖然2016年里約奧運閉幕影片上,安倍首相藉著哆啦A夢的道具從日本鑽井穿越地球到巴西,但以現實來說,鑽井遇到的極端壓力及超高溫度,要直達地心仍是不可能 (目前最好的鑽井技術大概只能剛好穿破地殼而已)。因此,也只有仰賴非侵入式的探勘了!
圖一、地球的內部構造以及現今廣為接受的地球內部震波速度。
又不是帶地球看醫生,怎用「非侵入式探勘」?
當我們照一張X光時,部分的X光波會穿越身體並顯影出來,然而,如果X光碰到骨骼等硬物時便會反射,在影像上便無法呈現而留下空白 (這也就是為什麼照X光時,醫護人員都會提醒項鍊要拿掉,你應該不希望項鍊亂湊一腳吧?),雖然我們無法直接拿醫療用的X光穿透地心,但卻可以運用同樣的原理探勘地球內部。如果我們能製造出穿過地心的波動,地球構造也可以像拍X光一樣來得到才對,答案很接近了! 所以,我們缺乏的關鍵就是:要如何製造巨大的波動源? 最好還要傳得夠遠、能穿進地球深處。

故事要先回到1889年4月17日,德國天文學家瑞布爾帕西維茲(Ernst von Rebeur-Paschwitz) 一如往常地走到他在波茨坦電報山(Telegraph Hill)的重力觀測站查看天文引力(因為天體造成引力的變化)留下的重力紀錄。那天,不同於往常圓滑的波動,一個短暫而劇烈震盪的訊號被記錄下(圖二),起初他十分困惑,不知道該如何解釋這個古怪的訊號。不久,有消息表示,日本遭受了一場大地震,時間正是它觀測到這個訊號前的幾個小時,他立刻意識到原來這是遠自日本的地震波紀錄! 這是世界上第一張遠震紀錄,地震波穿越了1/4個地球,搖晃了將近9000公里外的儀器。至此,我們理解了地震發生時,震波其實是可以擾動整個地球的。完美的波動源找到了—地震!人體雖感受不到來自遠方的振動,但靈敏的儀器卻有辦法接受到。
圖二、最早的遠震波形。證明地震波並非僅在震央附近傳遞,而是可以抵達很遠的距離(波茨坦重力儀量到之日本地震波,1889)
偵測細微震波的最佳利器:地震儀
前面提到,天然地震提供了強大的震源能量,最好的接收器莫過於地震儀。世界上第一台地震儀是1755年由義大利人所發明; 19世紀起,高精度的地震儀開始量產,其中包括、威赫式地震儀、米爾恩-格雷地震儀等。這些儀器被安置在世界各地 (但還不普及),開始了地震的科學觀測。1906年舊金山發生規模7.8的地震,在克羅埃西亞札格瑞布天文台的地震儀也劃下這場地震的波動,當時的著名地震學家莫霍洛維奇(Andrija Mohorovičić )很快就意識到,若要有更好的紀錄,必須要申請經費添購更多、精度更高的地震儀。
增設地震儀乃先見之明之舉,因為在稍後的1909年,札格瑞布南方40公里便發生強烈地震,他安置的幾部地震儀清楚記下完整的震波紀錄,根據不同位置的波動紀錄,他將地震儀相對於震央距離排開,並對齊地震發生時間作圖(走時圖,圖三,參考註1)。如果波速完全固定、地底構造完全一致,則震波的走時曲線應該僅是單一的排列,但他發現有些震波到一定距離過後,其走時曲線出現明顯的不同 (地震波傳遞速度突然加快)。由於地震站離震央越遠,震波掃過的深度就越深,他便理解到這表示在地底較深處有另一個構造,由於震波速度非常不同,它與淺部的地質材料組成應該非常不一樣(當時還未知其組成)。這個邊界,正是區分地殼與地函(蛋殼與蛋白)的位置。後人為了紀念他的發現,便以他的名字命名,稱莫氏不連續面(或稱莫荷面),其中不連續的意思是指速度在此出現不連續,有突然加快的特徵。

圖三、莫霍洛維奇的走時圖手稿。
是什麼讓地震波「加速」?
當地震發生後,震波在地球內部傳遞,一開始的波在地殼裡傳遞(以Pg波/Sg波稱呼)。由於波傳遞越遠,震波掃過的深度會增加,當掃到莫荷面時,會出現反彈波以及沿著莫荷面前進的波(稱Pn波/Sn波),這個波以較快的速度前進,因此在走時圖上便會看到另一條行進較快的波相(圖四)「超車」了,而藉由簡單的運算(距離÷時間)就可以算出波經過該介質的速度。然而,在真實的自然界中,地球構造的複雜性,讓地震波更加複雜,而隨儀器逐漸精巧進步,也讓地震學家發現更多的波相,仔細再分可能地球內部還有好多不同的分層,自此往後幾年內,地球深部構造的探勘似乎成了熱門的議題。 

所以接下來的另一篇文章,我們將隨著過去的科學家如何找尋深入地球核心的地震波,解釋地震學家是如何找到地球的蛋黃。敬請期待下回分曉!

註1: 走時圖指將地震波紀錄對齊某一個時間(通常是地震發生時間),並依照震央距離排開,地震學家可以藉由分析不同震波傳遞的過程來判斷震波經過的地底構造特徵(如圖四)。
圖四、左:利用模擬所得到的Sg(地殼中的S波,黑線)以及Sn(在莫荷面上的S波,藍線),模型設定的地殼波速為2km/s、地函為6km/s。模擬出的走時圖中,SgSn 便分別為2.1 km/s 6km/s的速度前進。右: Sg波與Sn波在地球中傳遞的方式,由於Sn波是以地函的速度前進,因此有可能比Sg快。



參考文獻:
Herak, D. and M. Herak (2007) Andrija Mohorovičić (1857-1936)—On the occasion of the 150th anniversary of his birth. Seismol. Res.Lett. Vol. 78, 6.
Shearer, M. P. (2009) Introduction to Seismology. Second Edition, Cambridge Univ. Press. New York.
Zhu, L., Luis A. Rivera (2002) A note on the dynamic and static displacements from a point source in multilayered media. Geophys. J. Int. Vol. 148,3.

關於作者
洪瑞駿
對地球科學充滿好奇與想像的南部仔 因為2006屏東雙主震搖起對地震學的熱誠
國立中央大學地球科學學系-地球物理研究所碩士
目前在地震源與構造實驗室當個快樂的研究助理

夢想是當科學家(菸)

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