地震波也有“新技能”

端木藍

說起地震，將它形容成無惡不作的妖魔都不為過，它破壞力強，輕則房屋倒塌，重則山崩地裂、翻江倒海，造成嚴重的人員和財產損失。更讓人無奈的是，直到現在，人類還沒能提前準確預報地震發生的時間、地點和震級，最先進的技術，也只能在地震發生前幾十秒發出預警。

雖然地震比兇惡的妖魔還厲害，但是隨著科技的發展，地震所制造的地震波也展現了它“助人為樂”的一面，它的新技能可以覆蓋地下、海洋和大氣。

找出隱藏的地下結構

從地理書上，我們知道地球的內部結構包括地殼、上地幔、下地幔、外核還有內核。然而，人類現在在地面上鉆的洞只有十幾千米深，這個深度還不及地面到地幔距離的三分之一。那么我們是怎么知道地表之下有什么結構呢？這還得感謝地震。科學家正是根據地震波傳播速度在不同深度的變化來推測地球內部的分層的。

地震在地表下產生的地震波傳播數千千米，當遇到巖石密度、溫度或成分變化時，它們會改變速度、彎曲或散射，產生可以探測到的回聲。而不同的物體回聲各不相同。通過測量這些來自不同位置的回聲，結合地震儀記錄的地震波傳播的時間和振幅，就可以建立地下巖石的物理性質模型。這種方法類似于蝙蝠的回聲定位。但是利用這種方法，研究人員只能在單次地震發生時獲得零碎的信息，很難將特定的回聲與隨機的噪音區分開，因此，他們想到了綜合分析多個地震數據記錄，來找出相似性和模式，識別隱藏在數據中的回聲。不過，這些工作如果要人工來完成，那么要耗費的人力成本將非常大。

美國馬里蘭大學的研究人員想到了一種簡單好用的辦法，他們引入了一種新的人工智能算法。這種算法其實是一種被用來尋找遙遠恒星和星系的工具。而這一次研究人員用這種算法分析了1990年到2018年發生在太平洋海盆的數百次6.5級及以上的地震，以尋找地震波中的橫波產生的回聲，并繪制地球內部結構圖。回波數據顯示，當地震波的橫波傳播到“地核-地幔”的邊界時，傳播速度大幅減慢，最高減速達到了45%（縱波的傳播速度也減慢，但是減慢幅度較小），這意味著，在那里有一個從未被發現的由炙熱物質組成的異常結構，研究人員將它稱為“超低波速帶”。

借助這種方法，研究人員在夏威夷和法屬波利尼西亞群島部分地區之下，發現了超低波速帶。在夏威夷之下的“地核-地幔”邊界處的超低波速帶面積很大，那片熱物質位于火山噴發柱的底部，那里的熔巖從“地核-地幔”邊界區域向上涌，形成火山島。夏威夷的超低波速帶是迄今為止人類所知的最大的，寬度大約為1000千米，厚度為20千米左右。除了夏威夷地下的超低波速帶，研究人員還用這種方法在位于波利尼西亞群島中心的薩摩亞的地下，找到了另一個面積相當于美國佛羅里達的超低波速帶，這片超低波速帶的厚度在10～15千米之間。

看到地下水的化學變化

地下水藏在巖石之下，我們用肉眼無法看到它們，不能判斷不同地區地下水的成分有何不同，而這又關系到用水安全的問題。利用傳統的地球化學測試方法，研究人員需要在地上鉆孔，采集土壤和巖石樣本，然后再在實驗室進行分析。但是這個過程費錢又費力，而且還只能反映某一特定地點的化學信息。為解決這個問題，美國賓夕法尼亞大學的研究人員為地震波開發了另一項新技能——監測地下水的化學變化。不過他們利用的不是自然地震波，而是人造地震波。

為了探索這種新的研究方法，研究人員在一個特定的地點鉆了一個30多米深的洞，將可以發送和接收信號、能采集高分辨率圖像的地震測井儀放入洞中。隨后，研究人員操控著地震測井儀發出地震波，并將儀器緩慢從洞內拉出。這個過程中，地震測井儀持續記錄波的傳遞速度。地震波遇到不同介質時，速度不同，比如波速較快時，表明波正穿過堅實的基巖，或者孔隙中充滿水的風化巖石;波速較慢時，表明波正穿過孔隙中充滿空氣的風化巖石，或者接近地表的土壤層。研究人員將這些數據整合到研究模型中，就能確定巖層成分的變化、孔隙度的變化以及飽和度的變化。

研究結果顯示，地下水中存在一些微小的氣泡。研究人員認為，這些氣泡可能是地下微生物呼吸和礦物反應產生的二氧化碳。土壤微生物產生二氧化碳作為呼吸作用的副產品，就像人類呼吸產生二氧化碳一樣。而當水通過土壤到達地下水位時，它可以攜帶這些二氧化碳。此外，巖層中通常含有兩種非常活潑的礦物——黃鐵礦和碳酸鹽礦物。當黃鐵礦與水相互作用時，它會氧化并生成硫酸。酸可以與碳酸鹽相互作用，也能產生二氧化碳。不過這些二氧化碳對人體沒有什么影響。

而最重要的是，研究人員確認，這種方法是有效的，因為他們發現，即使是水與黏土之間發生簡單的化學反應，地震波的傳播速度也會有變化。

當然，僅靠地震測井儀無法提供準確的地下水的變化數據，還需要其他比如地球物理成像數據、通過傳統方法獲得的數據的補充，這些技術綜合利用，就能為研究人員呈現地下水的化學變化情況，還有地下水的流動以及所塑造的地下景觀。

測量海洋溫度變化

海洋是地球強大的調溫器，據估計人類排放的溫室氣體所產生的熱量有超過90%被海洋吸收了。海洋變暖，又將對地球氣候產生巨大影響，溫暖的海水不僅幫助颶風誕生，也讓颶風更強。為了監測海洋溫度的變化，科學家們建立了全球海洋監測系統，但是目前，這個系統并不能覆蓋全球所有海域。

而美國加州理工學院的研究人員發現這個問題可以請地震波幫忙解決。我們知道，聲波通過水分子的振動在水中傳播，當溫度較高時，水分子振動更劇烈，波浪的傳播速度更快一些，聲波的速度也更快。通過測量波浪的速度，就能計算出聲波的傳播速度，并推算出海水的溫度。不過，由于這種變化很小，因此研究人員需要長距離追浪才能得到足夠的數據。

好在海洋中有一種叫做“海洋聲道”的奇怪現象。海洋聲道是指淺層海水中不同的鹽度、溫度等綜合作用形成的聲波低速層。它是一個水平層，起著導波的作用，能將聲波“控制”在其內傳播，由于能量損耗小，因此聲波能在數萬千米的距離中傳播幾乎不變。

其實，這算不上什么新辦法了，早在1979年，美國的物理學家沃爾特和海洋學家文森就提出利用聲波測量海水溫度的“海洋聲波層析成像”技術。但是他們利用的是人造的聲波信號，考慮到可能會影響海洋哺乳動物以及其他原因，他們的研究很快終止了。

而美國加州理工學院的研究人員們是在老辦法的基礎上加入了新思路——他們利用的是地震波。并且他們不需要追著海浪測量，而是在震源之外幾百千米的地方放置聲波接收裝置來接收聲波。再根據接收到的聲波，反向推導出海洋溫度變化。當然，一次地震并不能告訴我們海水溫度變化的數值。在這項研究中，研究人員通過分析2005—2016年間發生在東印度洋是數千次自然地震，才得出該水域的溫度每10年約上升0.044℃。這個結果與全球海洋溫度監測系統的數據相近。

想要看到海洋溫度的變化，需要分析如此龐大的地震數據，這看起來很繁瑣，但是現在科學家們可以在計算機中建立模型，推算出結果并不那么難。并且在許多地方，地震記錄比海洋溫度記錄更全，涉及的年代也更早，這意味著科學家們可以利用海底地震來估算過去的海洋溫度，不斷完善海洋溫度變化的檔案，為研究現在的海洋溫度以及預測未來海洋溫度的變化提供有用的信息。未來，這項技術還將被應用于其他海域，為研究海洋溫度的變化提供重要的數據。

監測龍卷風

地震波除了用于研究地下結構、地下水和海洋溫度之外，還有什么新技能呢？它還能用來測量龍卷風的強度！

目前，通常利用地面氣象站和多普勒雷達來預報龍卷風的位置，但是龍卷風作用面積小，來去無蹤，因此預報準確率較低，仍需要依靠風暴獵人和人類觀測員來確定龍卷風登陸的準確時間。并且現有的探測器不能直接測量龍卷風的風速，只能依靠損失報告來間接判斷其強度。

那么，龍卷風的強度真的無法測量嗎？2017年，美國加州大學圣芭芭拉分校的研究人員發現，龍卷風觸地時會制造小型地震波。但是他們并不知道地震波如何隨龍卷風的強度發生變化。為了解決這個問題，他們以級別最高的2011年的喬普林龍卷風為例來進行研究。

為了找出地震波與龍卷風強度變化之間的聯系，研究人員查找了距離喬普林龍卷風最近的一個地震監測站記錄的數據。這個監測站是為探測小型地震和繪制北美地下地圖建立的，裝配有地震監測器和氣壓計，可以測量地震信號和氣壓的變化。研究人員將龍卷風在陸地上的路徑分為數百個單獨的點，并計算了每個點產生的地震波的大小。然后將龍卷風持續過程中的每個階段的地震波大小與龍卷風的強度進行對比。結果他們發現，地震波的大小與龍卷風的EF等級具有很強的關聯性——喬普林龍卷風在不到10分鐘的時間內從EF1-2級升到了EF4-5級，并在最高級別持續了大約15分鐘，隨后才減弱，而它所產生的地震波的強度也隨之增強，隨后減弱。這意味著，通過地震波的強度變化可以推出龍卷風的強度，并且通過確定首次監測地震波的時間，也能確定龍卷風登陸的時間。

不過，龍卷風制造的地震波較弱，不能長距離傳播，并且要監測地震波，還需要在龍卷風的活動路徑上建造多個地震監測站，這需要投入大量資金，因此這種方法現在看來并不現實。或許，未來隨著技術的發展，這些問題能解決。