1997年5月，一場大地震震動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，其地震能量波從同一地區(qū)發(fā)出。

【資料圖】

弗吉尼亞理工大學理學院地球科學系的地質(zhì)科學家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)，預計它們會以同樣的速度通過地球?qū)影l(fā)出地震波。

然而在實時記錄地震振動的150多個全球地震網(wǎng)臺站中的4個臺站所記錄的數(shù)據(jù)中，Zhou發(fā)現(xiàn)兩個事件中出現(xiàn)了令人驚訝的異常情況。在2018年的地震中，一組被稱為SKS波的地震波比1997年的同類波快了約一秒鐘。

Zhou的研究結(jié)果最近發(fā)表在《Nature Communications Earth & Environment》上，根據(jù)他的說法，SKS波旅行時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，在地球冷卻時發(fā)生對流或流體流動。由此產(chǎn)生的液態(tài)金屬漩渦產(chǎn)生電流，其負責產(chǎn)生地球的磁場--稱為磁層，它保護地球和地球上的所有生命免受有害輻射和太陽風的影響。

沒有磁層地球就無法維持生命，而沒有外核中液態(tài)金屬的流動磁場就不會起作用。Zhou副教授表示，對這種動態(tài)的科學理解是基于模擬的，“我們只知道在理論上，如果你在外核有對流，你將能產(chǎn)生磁場?！?/p>

科學家們也只能猜測已經(jīng)觀察到的磁場強度和方向的逐漸變化的來源，而這可能涉及到外核的變化流動。

“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，”Zhou說道，“它正在遠離加拿大，向西伯利亞移動。磁場不是每天都一樣的。它在變化。既然它在變化，我們也推測外核的對流隨著時間在變化，但沒有直接的證據(jù)。我們從來沒有見過。”

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，但它們值得確認并從根本上理解。在地震波和它們在十年時間尺度上的速度變化中，Zhou看到了一種對外核進行直接取樣的手段--因為她研究的SKS波直接穿過了它。

“SKS”代表波的三個階段：首先，它作為S波或剪切波穿過地幔；然后作為壓縮波進入外核；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。如果當波穿透外核的某個區(qū)域時該區(qū)域的密度較低，那么波就會走得更快。

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

在Zhou看來，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發(fā)生的對流過程中，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并改變它們所在區(qū)域的密度，”Zhou說道。

對Zhou來說，這證明了運動真的在核心中發(fā)生，而且它隨著時間的推移而變化?！拔覀儸F(xiàn)在能夠看到它。如果我們能從地震波中看到它，在未來，我們可以建立地震站并監(jiān)測這種流動?！?/p>

下一步是什么

Zhou表示，她將利用一種被稱為干涉測量的波浪測量方法，她的團隊計劃分析兩個地震臺的連續(xù)地震記錄，其中一個將作為“虛擬”地震源?！拔覀兛梢允褂玫卣穑揽康卣饠?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，從一個地震站到另一個地震站的波道要穿過外核。如果我們隨著時間的推移進行監(jiān)測，那么我們可以看到這兩個站之間的穿透核心的地震波是如何變化的。有了這一點，我們將能夠更好地看到外核中的流體隨著時間的推移而移動。”