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地球内核有没有横波?

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地震波分为纵波(P波)和横波(S波)。纵波属于压缩波,介质粒子沿波传播方向前后振动,可以在固体、液体、气体中传播;横波是剪切波,粒子垂直于传播方向振动,只能在固体介质中传播,液体和气体无法承受剪切力,不能传播横波。长期以来,人们根据地震观测认为,地核分为外核与内核:外核是熔融液态金属,纵波可以穿过,横波完全消失;而地球内核为固态,理论上应当能够传播横波。但直接探测内核横波,却是地球物理领域极难完成的观测,直到近些年才有确凿证据证实内核内部存在横波,这个发现刷新了人类对地球最深处物质状态的认知。


1906年,奥尔德姆通过地震记录发现地核,观测到横波在约2900千米深度(古登堡界面)突然消失,证明外核为液态。横波不能穿越液态外核,这就带来一个巨大难题:常规地震产生的横波,到达古登堡界面时就全部被阻断,原始的S波无法直接进入内核。早期学者只能依靠穿过地核的纵波间接推断内核性质。1936年莱曼发现,在被认为是横波阴影区的位置,依然能接收到微弱的P波信号,由此提出,地核内部存在一个固态的内核,即莱曼界面(内核与外核分界面,深度约5150千米)。


纵波进入内核后,会在内核介质中发生波型转换:P波进入固态内核,一部分能量会转化为内核内部的横波(记为PKIKP的转换波PKIKS)。这束在内核里传播的横波,到达内核边界时,又会再次转换回纵波,穿出外核,最终到达地表地震台。也就是说,我们探测到的内核横波,并不是从地表一路传下去的原生横波,而是纵波在内核界面转换生成、只在内核内部传播一段距离的剪切波。这也是为什么内核横波极难观测:信号路径长,经过多层界面多次折射、反射、波型转换,能量衰减极大,地震记录上信号极其微弱,极易被地震背景噪声掩盖。

很长一段时间,虽然理论预测内核固态、存在横波,但观测证据一直存在争议。地震学家尝试寻找PKIKS波,多次观测得到的信号信噪比太低,很多学者认为观测到的信号只是噪声或者其他地震反射波的干扰,无法作为内核存在横波的可靠证据。内核的体积很小,半径大约只有1220千米,在整个地球内部只占很小区域,地震波穿过内核的传播窗口非常狭窄,只有特定震源、特定震中距的大地震,才有可能产生可观测的转换横波。普通中小地震能量不足,根本无法让携带内核横波信息的信号抵达地表。


2005年前后,随着全球数字地震台网的完善、宽频地震仪普及,叠加大规模地震数据叠加降噪技术,科学家找到了更加清晰的PKIKS波记录,首次获得地球内核内部横波的直接观测证据。观测结果证实:在内核介质中,横波确实可以传播,测得内核横波的波速大约3.5千米/秒左右,远低于内核纵波速度(约11千米/秒),符合固态铁镍合金的弹性性质。这就直接证明地球内核不是液态,是固态金属球体。

但内核横波还有特殊之处,它和地表岩石里的横波不完全相同。内核主要由铁镍组成,在极端高温高压环境下,内核物质属于固态,但不是我们日常认知的刚性岩石,而是一种多晶体金属。高压下铁晶体存在定向排列(内核各向异性),导致内核横波的传播速度会随着传播方向发生变化:沿着地球自转轴方向传播时波速更快,垂直于自转轴方向传播波速偏低。这种横波速度的各向异性,也成为研究内核晶体结构、内核旋转的重要工具。地球内核存在超自转,内核旋转速率略快于地幔和地壳,内核晶体排列随时间缓慢变化,会造成内核横波信号随时间发生微小改变,科学家依靠长期监测内核横波,追踪内核自转变化。

很多人容易混淆一个关键点:液态外核没有横波,固态内核内部可以传播横波,但横波不能穿过外核。原生横波到古登堡界面就全部消失;只有P波穿透液态外核到达内核边界,一部分能量转换成S波,在内核内部传播,之后再次转回P波,才能被地面仪器捕捉。内核横波只局限于内核这一薄层固态球体内部,无法独立穿越液态外核到达地表。如果不理解波型转换,就会产生矛盾:既然横波不能过液体,为什么内核又有横波,核心就在于横波仅仅生成并存在于固态内核之中。

同时,内核横波的观测,也不断修正我们对内核物质状态的理解。早期认为内核是均匀固态球体,而内核横波观测发现内核存在分层。内核可以分为外内核和最中心的内内核,两层晶体的定向排列方式不同,横波的各向异性特征出现明显差异。横波探测结果显示,内内核的晶体优选取向和外层内核不一样,说明地球内核在漫长地质历史中,经历了结晶生长的阶段性变化。地核不断冷却,液态外核的铁镍物质在内核边界持续结晶,内核缓慢长大,这个结晶过程改变内核内部晶体结构,记录在横波的速度与各向异性之中。


内核横波信号微弱,观测难度极高,至今相关观测数据依然有限,还存在不少待解决的科学问题。例如内核横波的衰减机制:固态介质中横波本应衰减较慢,但内核内部横波衰减比预期更强,一部分观点认为内核并非完美纯固体,内部含有少量熔融的铁液薄膜,分布在晶体颗粒边界,少量液相不会阻止整体传播横波,但会吸收横波能量,造成信号衰减;也有模型认为是高温下晶体位错、晶界滑移带来的能量损耗。这一争议,也依靠持续采集内核横波数据去验证。

内核横波的发现,巩固了地球内部圈层结构模型,解释了地核磁场的演化逻辑。地磁场起源于外核液态金属对流,而固态内核的存在会约束外核流体运动,内核晶体结构与各向异性,通过内核横波得以观测。如果内核是液态,就不会存在横波,地核动力学模型也要被推翻。内核横波的每一次观测,都在帮助人类认识地球最深处:在五千多千米地下,高温超过5000K,压强达到360万大气压的极端环境下,铁镍物质依旧保持固态,能够传递剪切振动,存在横波。

总而言之,地球内核内部是存在横波的,但这种横波是P波转换而来,只能在内核内部传播,无法穿越液态外核直达地表。长久以来,因为观测难度巨大,内核横波难以被记录,曾长期缺少直接证据。现代地震台网与数据处理技术捕捉到转换横波信号,证实内核固态属性,并且利用内核横波的波速、各向异性,揭开内核分层、晶体结构、内核超自转等一系列深部地球奥秘。地球最深处的横波,如同来自地心的信使,让人类不用钻探,仅凭地震波动,窥探地心的物质状态与动态演化。

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