1997年5月，一場(chǎng)大地震震動(dòng)了南太平洋的克馬德克群島地區(qū)。20多年后，在2018年9月，第二次大地震襲擊了同一地點(diǎn)，其地震能量波從同一地區(qū)發(fā)出。

【資料圖】

弗吉尼亞理工大學(xué)理學(xué)院地球科學(xué)系的地質(zhì)科學(xué)家Ying Zhou指出，雖然這兩次地震相隔20年，但由于它們發(fā)生在同一地區(qū)，預(yù)計(jì)它們會(huì)以同樣的速度通過(guò)地球?qū)影l(fā)出地震波。

然而在實(shí)時(shí)記錄地震振動(dòng)的150多個(gè)全球地震網(wǎng)臺(tái)站中的4個(gè)臺(tái)站所記錄的數(shù)據(jù)中，Zhou發(fā)現(xiàn)兩個(gè)事件中出現(xiàn)了令人驚訝的異常情況。在2018年的地震中，一組被稱(chēng)為SKS波的地震波比1997年的同類(lèi)波快了約一秒鐘。

Zhou的研究結(jié)果最近發(fā)表在《Nature Communications Earth & Environment》上，根據(jù)他的說(shuō)法，SKS波旅行時(shí)間的一秒差異讓我們看到了地球內(nèi)部更深處也就是其外部核心所發(fā)生的重要的、前所未有的一幕。

里面的東西非常重要

地球的外核被夾在地幔和內(nèi)核之間，前者是地殼下面厚厚的巖石層，后者是地球最深的內(nèi)部層。它主要由液態(tài)鐵組成，在地球冷卻時(shí)發(fā)生對(duì)流或流體流動(dòng)。由此產(chǎn)生的液態(tài)金屬漩渦產(chǎn)生電流，其負(fù)責(zé)產(chǎn)生地球的磁場(chǎng)--稱(chēng)為磁層，它保護(hù)地球和地球上的所有生命免受有害輻射和太陽(yáng)風(fēng)的影響。

沒(méi)有磁層地球就無(wú)法維持生命，而沒(méi)有外核中液態(tài)金屬的流動(dòng)磁場(chǎng)就不會(huì)起作用。Zhou副教授表示，對(duì)這種動(dòng)態(tài)的科學(xué)理解是基于模擬的，“我們只知道在理論上，如果你在外核有對(duì)流，你將能產(chǎn)生磁場(chǎng)。”

科學(xué)家們也只能猜測(cè)已經(jīng)觀察到的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的逐漸變化的來(lái)源，而這可能涉及到外核的變化流動(dòng)。

“如果你看一下北地磁極，它目前正以每年約50公里的速度移動(dòng)，”Zhou說(shuō)道，“它正在遠(yuǎn)離加拿大，向西伯利亞移動(dòng)。磁場(chǎng)不是每天都一樣的。它在變化。既然它在變化，我們也推測(cè)外核的對(duì)流隨著時(shí)間在變化，但沒(méi)有直接的證據(jù)。我們從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)。”

Zhou著手尋找這一證據(jù)。她表示，發(fā)生在外核的變化并不劇烈，但它們值得確認(rèn)并從根本上理解。在地震波和它們?cè)谑陼r(shí)間尺度上的速度變化中，Zhou看到了一種對(duì)外核進(jìn)行直接取樣的手段--因?yàn)樗芯康腟KS波直接穿過(guò)了它。

“SKS”代表波的三個(gè)階段：首先，它作為S波或剪切波穿過(guò)地幔；然后作為壓縮波進(jìn)入外核；然后作為S波從地幔中返回。這些波的傳播速度部分取決于其路徑上的外核的密度。如果當(dāng)波穿透外核的某個(gè)區(qū)域時(shí)該區(qū)域的密度較低，那么波就會(huì)走得更快。

“沿著那個(gè)波的路徑有一些變化，所以它現(xiàn)在可以走得更快，”Zhou說(shuō)道。

在Zhou看來(lái)，波速的差異表明在1997年地震后的20年里，外核形成了低密度區(qū)域。她指出，2018年地震期間較高的SKS波速可以歸因于地球冷卻時(shí)發(fā)生的對(duì)流過(guò)程中，外核中氫、碳和氧等輕元素的釋放。

“20年前的材料已經(jīng)不存在了。這是新的材料，而且它更輕。這些輕元素將向上移動(dòng)并改變它們所在區(qū)域的密度，”Zhou說(shuō)道。

對(duì)Zhou來(lái)說(shuō)，這證明了運(yùn)動(dòng)真的在核心中發(fā)生，而且它隨著時(shí)間的推移而變化。“我們現(xiàn)在能夠看到它。如果我們能從地震波中看到它，在未來(lái)，我們可以建立地震站并監(jiān)測(cè)這種流動(dòng)。”

下一步是什么

Zhou表示，她將利用一種被稱(chēng)為干涉測(cè)量的波浪測(cè)量方法，她的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃分析兩個(gè)地震臺(tái)的連續(xù)地震記錄，其中一個(gè)將作為“虛擬”地震源。“我們可以使用地震，但依靠地震數(shù)據(jù)的局限性是我們不能真正控制地震的位置。但我們可以控制地震站的位置。我們可以把地震站放在我們想要的任何地方，從一個(gè)地震站到另一個(gè)地震站的波道要穿過(guò)外核。如果我們隨著時(shí)間的推移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，那么我們可以看到這兩個(gè)站之間的穿透核心的地震波是如何變化的。有了這一點(diǎn)，我們將能夠更好地看到外核中的流體隨著時(shí)間的推移而移動(dòng)。”