幫地球照一張X光(II) 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

編按：在前篇「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？」一文中，提到人們開始利用地震儀探索地球內部構造，在這數十年的歲月中，又有哪些突破性的進展呢？讓我們繼~~續~~看~~下~~去！

「消失」的震波

如果我們將地震儀繞著地球一圈擺放，便可發現，在震央距 (註1) 某些範圍沒有S波訊號，僅有微弱的P波通過，而且震波抵達的時間比預期慢(圖一)。這便引起地震學家的注意了，畢竟如果地球內部若是均勻一致，S波又怎麼會消失？到時(波傳到的時間)又怎麼會變慢？

對科學家而言，往往最感興趣的就是調查「不合理」的事物。1914年，古騰堡(Beno Gutenberg) 從這樣的觀測結果，推測地球內部應該有個「地核」 (就如同蛋的蛋黃般) 存在，使震波紀錄在地函-地核交界處出現不連續(命名為古氏不連續面，以紀念古騰堡, 註2)。從下方圖一右邊的震波走時曲線(詳見上篇介紹)可以清楚看到這個不連續的位置，筆者以紅色箭頭標示出這個異常位置，可以發現在震央距143˚~180 ˚ 位置抵達的P波到時比預期晚，而且S波消失了，這意味著震波通過了另一個構造(事實上就是穿過了地核，當時古騰堡用P’來表示)。遲到的P波，代表的是通過地核時「波速變慢」嗎？從觀測結果來說似乎是對的，但也不完全正確，因為介質的變化太大了，事情其實頗為複雜。

圖一、若將地震儀繞地球一圈放，在各地的震波紀錄，可以清楚看到P波及S波傳遞的情形，其中在103˚~143˚ (圖中灰色範圍) 直達的P波和S波都消失(綠色波)。圖片修改自https://www.iris.edu/hq/inclass/search#type=6

至於「S波消失」這件事，很明顯的外核(當時認為是地核)是種「S波無法穿透的物質」。從震央距103˚開始，P波和S波就會打到地核，S波無法穿過地核而無法被接收；此外根據物理定律，P波也因為入射角/出射角的偏離而無法被清楚記錄。直到143˚出現穿越地球而過的P波，我們稱這段範圍為陰影帶(沒有直接傳遞的P和S波)，只會有些許的繞射波(註2)被記錄到(圖三)。根據古騰堡當時的估算，這個核的深度大概是2900公里，這與現代認為的2889公里，僅有些微的差距。

圖二、左：若按照過去的液態地核模型，則在103˚~143˚會出現所謂｢陰影帶｣，地震波無法到達這個位置。右：萊曼發現的幾個出現在陰影帶內的反射波(紅色箭頭)，暗示應該有一個介面在地球深處，把震波彈回地表(Lehmann, 1936)。

「漏看」的震波

接著，在發現地核後，一直到1930年代前，科學家們認為有著一層地殼、地函、和液態地核。然而，進一步的發現則要等到約30年後的1929年，紐西蘭的強震說起。當另一端南半球的震波穿越地球到達歐洲，丹麥地震學家萊曼(Inge Lehmann)發現到另一種不同的波相，她推測這個這個波是從震源一路穿過地球核心而來，且震波速度又與古騰堡發現的P’不盡相同。這個波相過去被視為是繞射波，然而從頻率、震幅等幾個特性暗示它與繞射波有所不同(萊曼因此稱為P3’)。

此外，從記錄中看到在103˚~143˚這段陰影帶內，其實藏著清楚的反射波，這暗示有一個介面，把震波從地核彈回地表(圖三)，然而這在古騰堡發表的走時圖中並未加以討論。萊曼試著解釋這個波相，她曾在這篇1936年經典的文獻中寫道：

An explanation o f the P 3 ' wave is required, since now it can hardly be considered probable that it is due to diffraction. A hypothesis will be here suggested which seems to hold some probability, although it cannot be proved from the data at hand. We take it . . . that inside the core there is an inner core in which the velocity is larger than the outer core.

(譯)既然了解不太可能是繞射效應造成，我們便需要解釋P3’波。在此提出了一個假說，雖然現在尚缺乏有力的資料證明，但我們認為…在地球核心裡面還從在一個速度更快的內核。

萊曼大膽假設，如果這個核裡面還有一個內核的話，就可以解釋她看到的現象，她假設地函10 km/s每秒以及地外核8 km/s，再放入一個速度較快的內地核(圖三)。當時她僅利用直線與三角函數來計算，卻已經可以完美解釋大部分的現象！她於1936年發表了內地核的看法。不過，當這樣的假設通過驗證後，萊曼並沒有近一步推算更多參數(例如確切的地內核速度、大小、組成等)。後來在1938年當古騰堡與芮克特重新檢驗這個模型後，基本上也同意內地核的想法。接著經過幾年的驗證與討論後，越來越多的地震學者支持這樣的模型，1939年傑佛瑞斯&布林提出了地球速度模型時(著名的Jeffreys-Bullen Velocity Table)，也將固態內地核列入考慮。

圖三、萊曼所提出的包含地內核的地球模型，能解釋陰影帶內(灰色區域)出現的反射波以及P₃’(紅色箭頭)。修改自Lehmann, 1936。

由於儀器進步、日益廣泛運用，以及科學家們的細心觀察，加上時有大膽的假設與嚴謹求證。短短數十年的光景，人類已經逐漸「摸透」地球內部的主要構造。然而，並非所有研究發展都如此順遂。回溯到1910年代左右的時間點，除了地震學的發展外，還有個剛起步萌芽的假說：韋格納(Alfred Lothar Wegener) 提出大陸會移動的想法。可惜當時人們無法解釋驅動大陸運動的成因，他的假說便被束之高閣，等到二次世界大戰後，海洋探勘的興起才能將這塊拼圖湊齊，加上地震學對於地球內部的掌握，進一步發展起板塊學說(Tectonics)以及地體動力學(Geodynamics)，以至於現代，我們才能對地球有個初步的認識。

註1： 震央距係指從震央開始為起點計算與測站的距離。由於地球很大，我們改用圓周角度來表示。因此通常將地球圓周分為360˚來表示距離(類似經度的概念)。

註2： 最早將此介面命名為「古氏不連續面」的典故雖已不得而知。一般在學術界也多以「核-函邊界」予以稱呼。考慮到此為科普文章，且台灣的地科教科書也多以古氏不連續面作為介紹，故本文還是用此稱呼來表示核函邊界(可參考龔慧貞老師在科學月刊552期的說明)。

參考文獻

Bolt, B. A. (1987) 50 years of studies on the inner core. EOS., Vol. 68, 6.

Bolt, B. A. & E. Hjortenberg (1994) Memorial Essay Inge Lehmann (1888-1993) Bull. Seismol. Soc. Am. Vol. 84, 1.

Lehmann, I. (1936) P', Publ. Bur. Cent. Seismol. Int. Trav. Sci. Ser. A, 14, 87.

Lehmann, I. (1987) Seismology in the days of old. EOS., Vol. 68,3.

龔慧貞，(2015) 談談「古氏」與「雷氏」不連續面。科學月刊552期