科学家是如何通过地震了解地球身深部的?

科学家怎么知道地球的核心是什么~

我们已经探索了地球上绝大部分土地，也深入到海洋深处。我们还探索了天空，甚至还登上了月球。然而，我们对地球深处的挖掘还未取得什么成就。我们所到达的最深处是12.3千米，也就是俄罗斯的超深钻孔，这是人类通过地球表面向下挖出的最深的洞。虽然我们深入地下只有12.3千米，但对地球核心深了解不少。我们还知道地球核心极其炽热，那我们是如何知道这些的呢？
首先，我们对地球的核心并不是确切地了解，就像我们不知道地球、月球、太阳、宇宙等的精确年龄。我们所能做的就是对这些事物进行最好的猜测，或者至少是最合理的猜测。

地质学家认为，地球的核心主要是由铁水组成的，而且非常热，这是有原因的。那么，地质学家如何做出这样的猜测呢？
通过研究地震
我们了解地球核心的主要方法之一是研究地震，强大的地震冲击波会穿过并摇晃整个地球表面。想象一下，当你手里拿着一块石头的时候，有人用锤子敲打它。锤子在岩石的远端敲击和锤子在你的手旁边敲击时，你的感觉是不一样的。你可以记录下锤子在敲击手里岩石各个部位时的不同感受。
你也可以用其他材料做同样的实验，比如充气的篮球，一桶水，一瓶番茄酱等等，来了解当锤子敲击不同物体时的震感。

地震发生的情况和上述大致相同。它不仅仅会在表面传播振动（地震波），还会经过地球内部。这些波因穿过的物质不同，传播的速度也会不一样。我们在全球各地都建有监听站，它们可以感知并记录这些振动。
基于所得数据，科学家可以推断出地球内部拥有的物质。现在，科学家已经了解了地震波的速度，可以将它们与熟悉的物质相匹配，然后对地球内部的构造做出最好的猜测。

地球的密度
另一种方法是通过记录和计算地球的密度来判断地球内部的构成。地球的平均密度大约是每立方厘米5.5克，岩石的密度大约每立方厘米3克。那么，这就得假设地球的核心必须由密度大得多的物质组成。除此之外，我们还知道，重金属（如铁）的密度在每立方厘米10克左右。这在某种程度上证实了我们关于铁存在于地球中心的假设。
此外，地震波穿过地球中心的速度，就像通过铁水时的速度一样。因此，基于太阳系中的金属丰度，科学家推测出，地球核心很可能是由铁和镍组成。地球外核心是熔融的铁镍合金，厚度为2200公里，温度为4000至5500度；而内核心则是固态的铁镍合金，厚度为1200公里，温度为5500度。

地震波在不同媒介中的传播速度是不同的，科学家利用这一原理探究地球内部结构。

地震波分为横波和纵波，
1、纵波的传播速度较快（约9——12千米/秒），横波传播速度较慢（6——8千米/秒）
2、横波和纵波的传播速度都随通过物质的性质不同而发生改变。
3、纵波只能在固体物质里传播，横波可在固、液、气体里传播。
根据地震波的这些特点，可在地震或人工地震中测量纵、横波的传播时间差及收到纵、横波的情况来调查地球内部结构。

地震波是一种由地震震源发出，在地球内部传播的波。

我们知道空气中的声波是纵波，就是质点振动的方向和波传播的方向一致的波；而光是横波，就是质点振动的方向和波传播方向垂直的波。地震波既有纵波又有横波，纵波反映的是地球介质的体应变，而横波则反映地球介质的剪切应变。流体不能承受剪切型的变形，所以，流体只能传播纵波而不能传播横波。在地震波中，还有一类沿着地球表面传播的波，称为面波。它与水面上传播的波看上去类似，但实际上却完全不是一回事。与面波不同的，在地球内部传播的波相应地称为体波。纵波和横波都是体波，对于地震波的传播速度而言，纵波最快，横波次之，而面波最慢。比如在地壳里纵波波速为每秒 6km ，横波波速为每秒 4km ，而面波波速为每秒 3km 。

地震波一直是探测地球内部结构的主要手段，也是最有效的手段。用“逐次逼近”的研究方法，用地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身，是地震学的主要内容。地震学家伽利津说：“可以把一次地震比作一盏灯，它点燃的时间很短，却为我们照亮了地球的内部，使我们了解到在地球内部发生了些什么……”

以地球为参照物，地震震源与接收点之间的关系可以分成四种：地震就在“脚下”，地震在100公里范围内，地震在100～1000公里范围内，地震在1000公里之外。在这四种情况下，起决定性作用的地震波是不同的。

对于地震“就在脚下”和地震在100公里范围内的情况，可以清楚地看到走在前面的纵波和走在后面的横波及其尾波，由于震源与观测者之间的距离比较近，所以地震波的高频成分还没有被衰减掉。正是这些高频成分造成了地面上的普通建筑物的破坏。

对于地震在100～1000公里范围内的情况，除了能见到纵波、横波及其尾波之外，还能见到一类特殊的地震波——首波。首波的出现主要是因为在地壳下方的波速比地壳中的波速高，所以走在地壳下方的波反而比走在地壳中的波“先行到达”。此外，来自地壳下部以及地壳内部的间断面的反射和转换波也经常能看得到。在一些情况下，还可以见到“发育”得不是特别好的面波。

对于地震在1000公里之外的情况，地震波可以分成两类，沿地球表面传播的面波此时具有广阔的空间去“驰骋”，而体波则可以穿透到更深的地球内部。由于体波的几何衰减是“立体”的，而面波的几何衰减是“平面”的，所以面波的衰减自然比体波慢得多，在这种情况下，面波变成了地震波的主角，不过体波也有丰富的表现。只是由于震源与地震台站之间的距离比较大，所以高频成分大部衰减掉了，此时地震波以长周期为主。 体波可以从比较小的距离到比较大的距离连续地追踪，但是在大约104°(在地球表面1°约等于111.1公里)左右的距离上，体波突然“消声匿迹”，出现了一个“影区”。这种现象的原因是，地震波在地核的界面上发生了折射。地震学家古登堡正是根据这一现象确认了地核的存在。原来这一巨大的“影区”竟是地核的影子。从地震波传播的情况来看，地核似乎是不传播横波的。地震学家因此推测，地核是液态的。1936年，丹麦女地震学家莱曼在“阴影”中辨认出地球的固态内核的形象，即在液态的地核之中还有一个固态的地球内核。当时很多专家对此表示怀疑，但最后还是莱曼胜利了。她的“武器”不是别的，就是地震观测资料。1998年，宋晓东和汉伯格又发现，内核也是有结构的。

在地震波探测的视野中，有几类特殊的结构具有特别重要的意义。第一类是间断面，它未必是物质的间断面，但却是“力学的”间断面，这些间断面在地球动力学中扮演了重要的角色；第二类是低速带，一般认为，低速带与比较热的、比较软的物质联系在一起；第三类是地球内部的大尺度的非均匀结构，这类非均匀结构通常与地幔对流、地磁发电机过程联系在一起。此外，还有一类结构，称为“热柱”，它是从地球外核附近直至岩石层的“烟囱”状的结构，在全球动力学中具有重要的意义。

从自然界到人类社会，所有看起来恒定不变的量实际上都是在随机变化着，这种变化就叫“涨落”或者“噪声”。比如，地球自转一圈需要的时间是24小时，其实24小时只是平均值，真实的自转周期是随机变化着的。又如，人体的体温、血压、脉跳速率被测出来的也是平均值，实际上也是在不断、不规则地变化着的。可以说，几乎所有的物理量，只要用足够高精度的仪器进行测试，就会发现它们都在随时间而涨落，如图1所示。

图1 物理量随时间的随机涨落

如果将这些物理量随时间的变化转化为随频率的变化（利用富里叶变换之类的方法，形成的曲线称之为“频谱”），就会发现一种极其奇妙的现象：只要观察的频率足够低，所有的物理量的频谱都会呈现出如图2所示的，即物理量的大小与频率f成反比（或者与f的β次方成反比，但β通常在1.0附近），故称之为“1/f涨落”。

图2 物理量随机涨落随频率的变化

1/f涨落在1930年代在电子管中最早观察到的，之后人们惊奇地发现这种现象在自然界甚至人类社会中几乎无处不在。比如，电子学中所有电子材料、器件和整机中电压和电流的涨落，天文学中太阳黑子数、银河系天体辐射强度、行星间磁场的涨落，气象学中气温和降雨量的涨落，地球物理中河流与海流流量、地球自转公转速度的涨落，生物学中DNA基因数、脑神经元数目的涨落，人类学中地球物种进化速率、城市人口变迁的涨落，经济学中股市指数、外汇兑换率的涨落，交通与网络学中高速公路车辆间隔、Internet数据流量的涨落，音乐与语音学中音强与音调的涨落，自然景观中山脉地形轮廓、风景纹理变化、云彩边缘形态的变化，…….全都呈现1/f的规律。

面对1/f涨落这一奇妙现象，基础科学研究者关注的是在这种普遍存在的现象之下，是否存在统一的形成机理（类似于牛顿第二定律）？应用科学研究者关注的是能否利用这一现象来为人类服务。对于前者，有人倾其一生研究之，但至今尚无结果。对于后者，已经出现了许多成功的应用。比如，本人博士论文的主题就是利用半导体器件的1/f涨落来检测器件中存在的潜在缺陷和隐性损伤。又如，有人试图利用地磁场的1/f涨落来预测地震，这就又回到了本文的主题。

1993年8月8日，在太平洋中的关岛附近海域水下60公里处发生了里氏8.0级地震（与汶川地震震级相同）。巧的是，美国在关岛设有一个地磁观察站，离震中大约65公里，不经意间记录下了地震前后数个月的地磁场测量数据。

地磁场的涨落通常也呈1/fβ涨落的性质，但β值的变化区间较大，可能在2.0到1.2之间。对地震前后10个月的地磁观察数据（见图3）的分析发现，平常β的平均值大约在1.6附近，但在地震来临前4个月，β值开始显著向1.0逼近，地震发生时大约到达1.2左右，地震发生后又开始显著上升，直至地震发生4个月后恢复到正常波动区间。从图4也可看出，在地震前1个月内，β大于1.2的天数急剧增加。

由此可见，我们可以通过测量地磁场的1/fβ涨落的指数因子β值的变化来预报地震，提前量可达1～4个月。

图3 地震前后地磁场1/fβ涨落的β因子随时间的变化（测量时间间隔为5天）

图4 地震前后地磁场1/fβ涨落的β因子随时间的变化（测量时间间隔为1天）

通过地震波来研究,根据地震波中横波和纵波的不同性质,确定横波和纵波在穿过地球内部的不同性质,不同变化,就可以确定地球内部的性质了

就是地震波啊~，由莫霍界面和古登堡界面分别划分地壳地幔和地核。

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晋中市17099055199： 科学家是如何通过地震了解地球身深部的? - ？
武急誉舒： 通过地震波来研究,根据地震波中横波和纵波的不同性质,确定横波和纵波在穿过地球内部的不同性质,不同变化,就可以确定地球内部的性质了

晋中市17099055199： 科学家了解地球内部的方法 - ？
武急誉舒： 科学家主要是通过地震波来了解地球的内部,因为即使是最深的钻进,所进入的深度也是有限的,可以利用地震波在地球内部的传播来了解.

晋中市17099055199： 科学家是如何知道地球内的信息? - ？
武急誉舒：[答案] 主要是利用浅源地震波.因浅源地震波能量大,传播距离远,在地球对面如西半球的浅源地震波可被我们接收到.根据地震波速的变化就可知道地球内部物质的密度、弹性模量,等. 地震波分为横波和纵波, 1、纵波的传播速度较快(约9——12千米/秒...

晋中市17099055199： 科学家是怎样研究地球内部的. - ？
武急誉舒：[答案] 利用钻井可以研究浅层地表情况,人工地震方法也只能研究较浅层情况,如果是深部如地幔地核等则需要借助天然地震波的传播,比如这次日本大地震,在美国都可以测得到,通过分析就可以推断地球内部情况,比如是固态的呢还是液态的呢

晋中市17099055199： 科学家是如何知道地球内的信息? - ？
武急誉舒： 主要是利用浅源地震波.因浅源地震波能量大,传播距离远,在地球对面如西半球的浅源地震波可被我们接收到.根据地震波速的变化就可知道地球内部物质的密度、弹性模量,等. 地震波分为横波和纵波, 1、纵波的传播速度较快(约9——...

晋中市17099055199： 科学家们怎样知道地球内部结构 - ？
武急誉舒： 科学家主要通过一些物理方法来知道地球内部结构的.对于地球表面的结构,主要是通过钻井的办法来获取第一手的资料.对于地球更深的结构,最主要的方法是通过人工地震的方法,研究地震波在地球内部传播的情况,分析出地壳、地幔和地核等各部分的情况,现在人们已经可以画出地球各地地壳厚度的精确情况了.但对于地核的研究还知之甚少,主要还是没有有效的研究手段.

晋中市17099055199： 人们是怎样通过地震波了解地球内部情况的? - ？
武急誉舒： 地震波在不同媒介中的传播速度是不同的,科学家利用这一原理探究地球内部结构.

晋中市17099055199： 用地震波调查地球内部结构的原理是什么? - ？
武急誉舒： 地震波分为横波和纵波, 1、纵波的传播速度较快(约9——12千米/秒),横波传播速度较慢(6——8千米/秒) 2、横波和纵波的传播速度都随通过物质的性质不同而发生改变. 3、纵波只能在固体物质里传播,横波可在固、液、气体里传播. 根据地震波的这些特点,可在地震或人工地震中测量纵、横波的传播时间差及收到纵、横波的情况来调查地球内部结构. 可否?还请指正.

晋中市17099055199： 怎么通过地震波确定地球内部结构 - ？
武急誉舒： 地震波 是指从震源产生向四外辐射的弹性波.地球内部存在着地震波速度突变的莫霍面和古登堡面,将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层. 地震波分为横波纵波,横波能通过固体传播,纵波在固液态都能传播. 莫霍界面时,横纵波速度突然加快.古登堡界面时,横波消失,纵波速度下降.

晋中市17099055199： 科学家根据什么现象推测地球内部情况 - ？
武急誉舒： 地震波,地震波有横波纵波之分,通过横波纵波的不同就可以判断地球内部的物理状态.