你腳下的地球，到底長(zhǎng)什么樣？

這個(gè)問題聽起來簡(jiǎn)單，卻是人類科學(xué)史上最難回答的問題之一。我們發(fā)射探測(cè)器飛越了冥王星，用望遠(yuǎn)鏡看見了880億光年外的宇宙邊緣，卻對(duì)腳下幾千km深處的世界幾乎一無所知。迄今為止，人類鉆入地球最深的孔，是蘇聯(lián)在科拉半島歷時(shí)24年打下的超深鉆井，深度約12 km——而地球的半徑是6371 km。我們連地殼都沒有穿透，遑論去看地幔和地核的真實(shí)面目。

科拉超深井

然而，地球科學(xué)家已經(jīng)知道地球內(nèi)部相當(dāng)多的細(xì)節(jié)：哪里是固態(tài)，哪里是液態(tài)，哪里密度更高，哪里溫度驟變，甚至哪里藏著一塊“異?！钡奈镔|(zhì)團(tuán)。這些知識(shí)，不是靠鉆孔得來的，而是靠地震。

地震發(fā)生時(shí)，會(huì)向四面八方釋放出彈性波，也就是地震波。這些波在傳播過程中，遇到不同性質(zhì)的介質(zhì)——密度不同、彈性不同、溫度不同——就會(huì)發(fā)生折射、反射和速度變化，就像光線穿過不同介質(zhì)時(shí)會(huì)彎曲一樣。分布在全球各地的地震臺(tái)站，記錄下這些波抵達(dá)的時(shí)間和波形，科學(xué)家再根據(jù)“波走了多久、走了什么路線、速度快了還是慢了”，反推出地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)——這就是地震層析成像（seismic tomography）的基本原理。

不同波抵達(dá)不同臺(tái)站的時(shí)間不同，通過檢測(cè)到的時(shí)間可以計(jì)算地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)

“層析成像”這個(gè)詞，用得非常準(zhǔn)確。它和醫(yī)院里的CT掃描在邏輯上如出一轍：CT用X射線從不同角度穿透人體，根據(jù)射線的衰減重建器官的三維圖像；地震層析成像用地震波從不同角度穿透地球，根據(jù)波速的變化重建地球內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。區(qū)別在于，CT掃描可以主動(dòng)發(fā)射射線、精確控制角度，而地球科學(xué)家只能被動(dòng)等待地震發(fā)生，使用大自然提供的“光源”來照亮地球內(nèi)部。

我們所熟悉的CT掃描成像

這種被動(dòng)等待，曾經(jīng)是這門科學(xué)最大的局限。

地震層析成像的歷史，可以追溯到20世紀(jì)初。1906年，英國地震學(xué)家奧爾德姆首次從地震數(shù)據(jù)中推斷出地核的存在；1936年，丹麥女科學(xué)家英厄·萊曼發(fā)現(xiàn)了固態(tài)內(nèi)核的證據(jù)——她注意到某些地震波在穿越地核后，出現(xiàn)了不該有的反射信號(hào)，唯一的解釋是地核內(nèi)部還存在一個(gè)更堅(jiān)硬的固態(tài)球體。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)，完全依賴于對(duì)地震波走時(shí)數(shù)據(jù)的細(xì)心分析，沒有任何直接觀測(cè)。

但真正意義上的三維成像，要等到計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。1970年代末，蘇聯(lián)科學(xué)家扎多拉任斯基和美國科學(xué)家的團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)意識(shí)到，如果積累足夠多來自不同方向的地震波數(shù)據(jù)，就可以像CT一樣，對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行層析重建。1977年前后，第一批地球內(nèi)部的三維地震速度模型出現(xiàn)了，雖然分辨率極低，但這是人類第一次真正意義上“看見”了地球內(nèi)部的立體結(jié)構(gòu)。

地震波傳播的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)——一個(gè)均勻密度（各向同性；恒速球體）的地球，將慢區(qū)簡(jiǎn)化為一個(gè)巖漿室小球。小框是地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站

此后的幾十年，這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)展與兩件事緊密相連：全球地震臺(tái)網(wǎng)的擴(kuò)張，以及計(jì)算能力的爆炸式增長(zhǎng)。臺(tái)站越多，收集到的地震波路徑越多，就像CT的X射線角度越多，圖像就越清晰。到2000年代，全球已有數(shù)千個(gè)高質(zhì)量地震臺(tái)站，積累的地震記錄超過數(shù)百萬條，地球內(nèi)部的圖像開始變得精細(xì)起來。

這張圖像里，藏著許多令人驚訝的細(xì)節(jié)，地幔并非均勻的一團(tuán)。地震波在某些區(qū)域跑得快，在另一些區(qū)域跑得慢。速度快，通常意味著那里的物質(zhì)溫度較低、密度較大；速度慢，則意味著溫度較高、可能存在部分熔融。把這些速度差異用顏色標(biāo)注出來，一幅地幔的“溫度地圖”便浮現(xiàn)出來——冷的俯沖板塊像藍(lán)色的巨型帷幕從地表一直插入地幔深處，熱的地幔柱像橙紅色的細(xì)柱從核幔邊界向上升騰，其中一些正是夏威夷、冰島等熱點(diǎn)火山的根源。這些結(jié)構(gòu)的尺度動(dòng)輒數(shù)千千米，肉眼當(dāng)然永遠(yuǎn)看不見，卻在地震波的“眼睛”里一覽無余。

地幔的非均質(zhì)性

更令人著迷的是核幔邊界附近的區(qū)域。在地下約2700至2900千米深處，存在一個(gè)被稱為“D””（dee-double-prime）的神秘地層。地震波在這里的行為極為反常——有些區(qū)域速度驟降，甚至出現(xiàn)了被稱為“超低速帶”的補(bǔ)丁狀結(jié)構(gòu)，每一塊的橫向范圍可達(dá)數(shù)百千米。這些異常體是什么？部分熔融的鐵？從地幔深處沉降的古老俯沖板塊殘骸？還是前文提到的鐵氧化物堆積？不同的研究團(tuán)隊(duì)給出了不同的解釋，爭(zhēng)論至今懸而未決。地震波照出了它們的輪廓，卻還沒能告訴我們它們的身份。

神秘的D”區(qū)域

近年來，這門科學(xué)正在經(jīng)歷一場(chǎng)新的革命。

傳統(tǒng)地震層析成像主要依賴天然地震產(chǎn)生的體波，但天然地震的分布極不均勻——板塊邊界地震頻發(fā)，而大陸內(nèi)部和海洋中央的數(shù)據(jù)極度稀缺，導(dǎo)致地球內(nèi)部的圖像存在大量“盲區(qū)”。新一代的方法開始利用環(huán)境噪聲——海浪拍打海岸、風(fēng)吹過山脈、人類活動(dòng)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)——這些無處不在的微弱震動(dòng)，同樣攜帶著地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，被足夠密集的臺(tái)站記錄下來后，可以填補(bǔ)天然地震覆蓋不到的區(qū)域。

與此同時(shí)，人工智能開始深度介入這一領(lǐng)域。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以從海量的地震波形數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別特征、提取信號(hào)，處理效率比傳統(tǒng)方法高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。2025年發(fā)表于《英國皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》的一篇綜述明確指出，結(jié)合全波形反演與AI輔助數(shù)據(jù)處理，地震層析成像的分辨率正在突破過去幾十年的技術(shù)天花板，一些此前模糊的地幔結(jié)構(gòu)正在變得清晰起來。

普林斯頓大學(xué)的耶爾穆·特羅普?qǐng)F(tuán)隊(duì)，利用超算對(duì)全球地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行全波形反演，重建了迄今最高分辨率的地幔三維模型之一。他們的模型能夠分辨出橫向尺度約50千米的結(jié)構(gòu)——在地球內(nèi)部的尺度上，這相當(dāng)于從模糊的衛(wèi)星云圖變成了高清照片。

全球地震波速分布

但即便如此，這張照片仍然遠(yuǎn)未完成。

地球內(nèi)部的許多區(qū)域，依然是一片模糊。核幔邊界的超低速帶究竟是什么，內(nèi)核各向異性的成因是否與地球自轉(zhuǎn)歷史有關(guān)，地幔柱究竟起源于何處——這些問題，還需要更多的地震、更多的臺(tái)站、更強(qiáng)的計(jì)算力，以及更聰明的算法，才能一點(diǎn)點(diǎn)逼近答案。

從某種意義上說，每一次地震的發(fā)生，都是大自然在為這項(xiàng)工作添加新的數(shù)據(jù)。人類用了一百多年，才把地球內(nèi)部從一片未知，變成了今天這幅分辨率不斷提升的地圖。這張地圖的每一個(gè)細(xì)節(jié)，都是用無數(shù)次災(zāi)難換來的——每一條地震波的路徑，背后都是某個(gè)地方曾經(jīng)的山崩地裂。

這大概是地球科學(xué)里最沉重，也最令人敬畏的一件事。

參考文獻(xiàn)

Fichtner, Ritsema & Thrastarson (2025). A high-resolution discourse on seismic tomography. Proceedings of the Royal Society A, 481, 20240955.

Seismic Tomography 2024 (2024). Bulletin of the Seismological Society of America.

https://mp.weixin.qq.com/s/PUwEiI0UJkO_nalPvoCYRg

Seismic Tomography | EarthScope Consortium

Frontier beneath our feet: Seismic study aims to map Earth's interior in 3-D

來源：石頭科普工作室

編輯：東君

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