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內地核是固態還是液態?何不問問地震波!——幫地球照一張 X 光(2)

文/洪瑞駿|國立中央大學地球科學學系-地球物理研究所碩士,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,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)。

編按:在前篇要怎麼知道地球的內部構造?何不問問神奇地震波!——幫地球照一張 X 光(1)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!

圖/BY Apollo 17 @ wikimedia commons

「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ㄧ)。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 波和 波都消失(綠色波)。圖/作者修改自IRIS

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 2,900 公里,這與現代認為的 2,889 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 年傑佛瑞斯和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。

註解

  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)。
  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。

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《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?》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

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