地球是生物所共有的家園，深入了解地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于人類而言有著非常重要 的意義。相信許多人都看過地球的結(jié)構(gòu)圖，它主要由四個(gè)部分組成：最外一圈的地殼，主體部分的地幔，以及核心部分的外核和內(nèi)核。

但2023年2月，澳大利亞國(guó)立大學(xué)發(fā)布的一項(xiàng)研究顯示，在地球的內(nèi)核中，可能還包含了一個(gè)厚約650公里的最內(nèi) 層球！那么，研究人員是如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)隱藏的結(jié)構(gòu)呢？

探索地球結(jié)構(gòu)的方法

首先，我們需要知道的是，科學(xué)家究竟如何探測(cè)地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的？

讓我們?cè)O(shè)想一下地震的場(chǎng)景。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，人們通常會(huì)感覺到地面在“搖晃”， 而這其實(shí)就是地震波在傳播時(shí)所造成的效果。如果我們想記錄下這所謂的“地震波”，我們就需要使用到地震儀。

地震儀記錄下來的是一條具有不同起伏幅度的曲線，我們可以稱之為地震圖。這樣的一條曲線實(shí)際上能告訴我們?cè)S多信息，比如我們可以通過所示地震波的震動(dòng)幅度 和密集程度，來分析波的類型，以及不同類型的波到達(dá)的時(shí)間差。我們還可以利用地震波的最大振幅、周期等進(jìn)行地震震級(jí)的計(jì)算。

此外，假如我們有兩個(gè)以上的觀測(cè)站同時(shí)都觀察到了同一個(gè)地震，我們甚至可以 通過兩個(gè)站點(diǎn)所接收到地震波的實(shí)際時(shí)間差將地震位置，震源深度都計(jì)算出來。

但是如果地震波僅能讀出上述的內(nèi)容，那么它如何用來探測(cè)地球深部結(jié)構(gòu)呢？實(shí) 際上，地震波還有“轉(zhuǎn)性”的性質(zhì)。地球的內(nèi)部并不是均質(zhì)，因此當(dāng)介質(zhì)有所差異時(shí)，地震波的性質(zhì)和行徑就有可能改變，這被稱為“轉(zhuǎn)性”。通俗而言，一般地震波的速度隨距地表的深度增加而增加，若是發(fā)現(xiàn)地震波的波速突然減緩，或發(fā)生偏折等反?，F(xiàn)象，就有可能代表著可能地震波在行徑中遇到了介質(zhì)改變的突變區(qū)。事實(shí)上，這也就 是科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)地球的深部不同分層狀態(tài)的理論基礎(chǔ)。

核心的中的核心

現(xiàn)在的問題是，內(nèi)核的體積非常小，僅占不到地球體積的1%。要研究如此小的體積，研究人員就需要把地震計(jì)放到地球的另一側(cè)，也就是地震發(fā)生的對(duì)跖點(diǎn)或接近對(duì) 跖的位置。

在這種情況下，地震波會(huì)從地表出發(fā)，然后依序穿過地幔、外核、內(nèi)核、外核和 地幔，最后抵達(dá)地球另一側(cè)的地表，這種波被命名為PKIKP波。PKIKP波的傳播時(shí)間 和振幅目前已成為推斷空間分布特性的主要短周期工具。

為了更好地探測(cè)內(nèi)核的最內(nèi)層(IMIC)，在這項(xiàng)新研究中，研究人員展示了一種全 新的地震學(xué)方法，即復(fù)合PKIKP法。

在進(jìn)一步了解這種方法前，我們先來進(jìn)一步了解下地震波。依照波的性質(zhì)，地震 波主要分為三種：實(shí)體波、面波和尾波。實(shí)體波是能在物體中傳遞的波，它又可以分 成兩種：P波（縱波）和S波（橫波）。P波能在固體和液體中傳播，而S波只能通過固 體傳播，所以能夠到達(dá)地核的只有P波。

在P波到達(dá)了震源所對(duì)應(yīng)的對(duì)跖點(diǎn)后，可能會(huì)被地面反射，產(chǎn)生反射波。如果想要 產(chǎn)生多次反射波，就需要遇到良好的反射界面，因?yàn)橐话愕姆瓷浣缑娴姆瓷湎禂?shù)都較 小，一次反射波的強(qiáng)度很弱，多次反射后波的能量就更微弱了，一般較難將它與噪音 進(jìn)行區(qū)分。只有在反射系數(shù)較大的反射界面（如不整合面）產(chǎn)生的多次反射，才能夠 形成較強(qiáng)的多次波。而這就是復(fù)合PKIKP法的應(yīng)用基礎(chǔ)。

這張圖（下圖）中，右手邊的大圓中黃色的五角星是信號(hào)源，藍(lán)色的小三角為信 號(hào)接收器。藍(lán)色的線表示第一次接受到信號(hào)的地震波路徑，橙色線表示第二次接受到 信號(hào)的地震波路徑。

研究人員是如何通過這些來回反射的波揭示了隱藏的核心？這其中的關(guān)鍵就在于我剛才提到的“轉(zhuǎn)性”。

研究人員發(fā)現(xiàn)，地震波在外內(nèi)核和內(nèi)核的最內(nèi)層存在明顯不同的各向異性。從這張圖中我們看到，在外內(nèi)核和內(nèi)核的最內(nèi)層，地震波的最快傳播方向都是平行于地球 的自轉(zhuǎn)軸；但是在最慢傳播方向卻明顯不同。也就是說，穿過內(nèi)核的最內(nèi)層的減慢方 向，與穿過外內(nèi)核的波的減慢方向不同。

最終，通過內(nèi)核的兩種各向異性，研究人員認(rèn)為在地球內(nèi)核中還存在一個(gè)更小的 核心。

新研究的影響與意義

這項(xiàng)研究為我們提供了一種新的地震數(shù)據(jù)使用方法，來進(jìn)行地球深部的結(jié)構(gòu)探 測(cè)。通過對(duì)目前已有數(shù)據(jù)的重新篩選和分析，我們或許會(huì)得到一些新的見解。

未來， 還有許多值得我們思考的問題，比如內(nèi)核的最內(nèi)層和外內(nèi)核的轉(zhuǎn)變過程能否作為對(duì)過 去重大地球事件的化石記錄？有沒有更好的深層探測(cè)方法呢？在內(nèi)核的最內(nèi)層內(nèi)是否還存在可分的內(nèi)在結(jié)構(gòu)呢？

圖片來自Drew Whitehouse, Son Ph?m and Hrvoje Tkal?ic.

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：肖龍

審核：任燁（上海市地震局 高級(jí)工程師）

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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