我們或許都能背出(也許更多人背不出)地球的結(jié)構(gòu)，背不出的人至少也知道地球里面有個“核”。我們對地球結(jié)構(gòu)習(xí)以為常，直到2019年，我們的地球是這樣子的：

眾所周知，目前公認(rèn)的、出現(xiàn)在課本和科普書中的地球結(jié)構(gòu)就是這樣的：

地殼→地幔(上地幔、下地幔)→外核→內(nèi)核。

但你知道這個結(jié)構(gòu)才確定了多少年嗎？僅僅39年。39年，也許你的父輩小時候，地球結(jié)構(gòu)都不是這樣的——1981年，在第二十一屆國際大地測量與地球物理聯(lián)合會上，地球物理學(xué)家才正式通過了初步參考地球模型(Preliminary Reference Earth Model)，即PREM模型。PREM模型是一維速度模型，即假設(shè)速度只隨深度發(fā)生變化，地球水平方向各向同性。

那么，這個模型是如何被一步步確定的呢？

在很早的時候，人類對地球結(jié)構(gòu)的好奇，源于對地震的好奇。當(dāng)時的人普遍認(rèn)為地震由地下的爆炸產(chǎn)生(相當(dāng)自然的想法)。十九世紀(jì)初，以柯西(A. L. Cauthy)、泊松(S. D. Poission)、瑞利(Rayleigh)、斯托克斯(G. H. Stkoes)、胡克(R. Hooks 就是那個發(fā)明胡克定律的)為代表的數(shù)學(xué)或物理學(xué)家建立和完善了彈性力學(xué)。

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1822年，法國數(shù)學(xué)家柯西在一篇論文中建立了彈性力學(xué)的基礎(chǔ)，提出了固體振動中的體波（compressional波，shear波），為描述固體內(nèi)部的波動提供了理論基礎(chǔ)。而由于這種在固體中的波動，其速度和傳播方向都受介質(zhì)的影響，因而其傳播包含固體介質(zhì)的大量信息，是研究地球結(jié)構(gòu)最根本、最重要的東西。

1846年，長得有點(diǎn)像愛因斯坦的愛爾蘭地球物理學(xué)家Robert Mallet?向愛爾蘭皇家科學(xué)院提交了論文《地震動力學(xué)》這被認(rèn)為是現(xiàn)代地震學(xué)的理論基礎(chǔ)之一，在文中他還創(chuàng)造了地震學(xué)一詞。越看越像年輕版愛因斯坦。

????1857年，Mallet在研究意大利的一次大地震時，提出地震波由一個地球深部的力點(diǎn)（現(xiàn)在稱作震源）產(chǎn)生，并且可以通過將波反傳播回去來確定這個點(diǎn)的位置。他提出了使用“觀測裝置”監(jiān)測地震的研究方法，并且嘗試了用人造地震測量地震波速度。這實(shí)際上是提出了地震的最初模型——點(diǎn)源模型，和獲取地下速度分布的方法。

但是這個時候地震學(xué)家還沒有任何地震波數(shù)據(jù)，所有的分析只是猜測。這一情況在之后被改變——

????1875年斯洛伐尼亞物理學(xué)家Flippo Cecchi 建造了能記錄地震波到達(dá)時間的地震儀。此后科學(xué)家不斷發(fā)明基于各種原理的地震記錄儀。其中以James Ewing設(shè)計(jì)的擺式地震儀最為有名。

地震發(fā)生時，掛擺會擺動，帶動筆在轉(zhuǎn)動的紙帶畫下波動的痕跡。

正是由于這些測量儀器的出現(xiàn)，為科學(xué)家提供了研究的一手資料，地震學(xué)進(jìn)入大發(fā)展時期。

地核的發(fā)現(xiàn)

????1906年，英國地質(zhì)學(xué)家Oldham指出，從全球觀測數(shù)據(jù)來看，p波于震中距120度處消失，然后又出現(xiàn)，表明它們在位于地表之下很遠(yuǎn)的地方被一種巖石折射。在120度處，s波也消失了，這可能是因?yàn)閟波大角度變化或s波徹底消失。由此他得出結(jié)論，地球不是一個均勻密度的球體，內(nèi)部應(yīng)該有一個大的地核，將一部分p波反射掉。通過計(jì)算P波消失和重新出現(xiàn)的角度，他估計(jì)它的半徑大約是地球半徑的40％。

莫霍面的發(fā)現(xiàn)

????1909年，在克羅地亞東南約40公里附近發(fā)生的地震引起了克羅地亞地震學(xué)家Andrija Mohorovi?i?的興趣。他拿到許多歐洲臺站的地震記錄，并通過仔細(xì)分析P波和S波的到達(dá)時間，推斷出地下深度50公里附近的地震波速存在躍變。這項(xiàng)研究發(fā)表在1910年薩格勒布?xì)庀笱芯克哪觇b上。后人將這個波速跳躍界面稱為莫霍面,它是地殼和地幔的分界面。

古登堡面的發(fā)現(xiàn)

????當(dāng)時的地震學(xué)家會用手頭的數(shù)據(jù)，整理一下從已有的震源到不同地點(diǎn)的接收點(diǎn)花了多長時間，做一個地震走時表。所謂地震走時表，就是每一個接收點(diǎn)和震源的夾角、每一種地震波傳播模式都對應(yīng)一個參考的到達(dá)時間。1914年，美國學(xué)者Beno Gutenburg參考了大量數(shù)據(jù)，制作了地震走時表，發(fā)現(xiàn)存在一個P波低速、S波消失的區(qū)域，其次是發(fā)現(xiàn)地下2900km處地震波速發(fā)生躍變，縱波速度降低，而橫波突然消失。后人將其稱為古登堡面,即地核和地幔的邊界。

????在此之后科學(xué)家們結(jié)合進(jìn)一步的數(shù)據(jù)認(rèn)為，地球的中心是由一個液態(tài)地核構(gòu)成的，它被地殼頂部的固體地幔所包圍。這樣就能解釋為什么在地球的另一側(cè)的某些角度沒有收到來自大地震的P波：P波會在地核-地幔邊界發(fā)生折射。

內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)——地核竟然有兩層？

????在1929年新西蘭地震之后，丹麥數(shù)學(xué)家Inge Lehmann，通過分析世界各地的地震臺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一些微弱的P波出現(xiàn)在現(xiàn)有模型中不可能存在的地方。她推測，只有在地球中心有固體存在的情況下，這種情況才會發(fā)生。

????當(dāng)時，人們只知道地幔包裹著地核——地震波在地幔中以10km/s的速度傳播，在地核中以8km/s的速度傳播。因此，當(dāng)波由高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)地核時，波會在界面發(fā)生折射。如下圖橙色所示，應(yīng)該存在一個沒有P波的扇形區(qū)域。

????但是Inge Lehmann發(fā)現(xiàn)，在1929年新西蘭的一次大地震中，地震波信號出現(xiàn)在了扇形區(qū)域中：

????為此，她制作了一個包含內(nèi)核的地球模型（如下圖所示）。在內(nèi)核中，信號以8.8km/s的速度傳播。這一模型很好地解釋了扇形區(qū)有地震波的原因——地球的地核有兩層：液體外核和固體內(nèi)核

????值得一提的是，她1936年的這篇引起轟動的論文的標(biāo)題卻很短，它就叫?內(nèi)核的發(fā)現(xiàn)雖然是偶然的，卻是基于其多年的觀察和總結(jié)。為了紀(jì)念Lehmann的工作，內(nèi)核與外核的分界面就叫做“Lehmann面”。

地球內(nèi)部有多熱？

????沒有人能直接探索地球內(nèi)部。目前人類達(dá)到的深度極限就是由前蘇聯(lián)科拉超深鉆井(Кольская сверхглубокая скважина)創(chuàng)造的12262米。

12262米，好像挺深的了？再看看這張圖里地殼的厚度——5~30km(這其實(shí)也是估計(jì)的)。所以說，如果地球是個雞蛋，那它連蛋殼都沒鉆透。

因此，我們平時看到的這張圖，并不是直接得到的結(jié)果呦~

????因此，并非所有地球物理學(xué)家都同意地球核心溫度有多高。但是，地震波的傳播速度（告訴科學(xué)家很多有關(guān)構(gòu)成地球的物質(zhì)的信息。地震數(shù)據(jù)還揭示了這些物質(zhì)是液體還是固體。同時，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明地球內(nèi)部的材料應(yīng)在什么溫度和壓力下開始熔化。

????因此，綜合測量的地?zé)崽荻?世界最深的采礦作業(yè)陶托那金礦在3.9公里處，巖面溫度達(dá)到60°C)、地震波的速度、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，我們才推算到了這張溫度隨深度變化的圖：

所以說，地球結(jié)構(gòu)真不一定是我們今天知道的樣子呢。也許在2020年，將會有新的重大發(fā)現(xiàn)~

例如，地幔柱假說仍未被證實(shí)——我們到底是不是浮在巖漿上？

參考資料

https://www.lindahall.org/richard-oldham/

https://www.smithsonianmag.com/smart-news/happy-birthday-inge-lehmann-180955246/

http://mpe.dimacs.rutgers.edu/2014/02/19/how-inge-lehmann-discovered-the-inner-core-of-the-earth/

https://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?term=seismograph

https://brunelleschi.imss.fi.it/itineraries/biography/FilippoCecchi.html