對於地球表面的結構，主要是透過鑽井的辦法來獲取第一手的資料。

對於地球更深的結構，最主要的方法是透過人工地震的方法，研究地震波在地球內部傳播的情況，分析出地殼、地幔和地核等各部分的情況，現在人們已經可以畫出地球各地地殼厚度的精確情況了。

但是真正的地球核心之中有什麼目前還是無法知道的。

之前在回答一些關於地球科學問題的時候，每每有朋友提出這樣的疑問：你怎麼知道地球中心有地核的？你怎麼知道外地核是熔融的液體？你怎麼知道地幔有多厚？你憑什麼說那中間是鐵？總之是很不相信的樣子。

（地球解剖簡圖）

借鑑醫學檢查的方法

不知道你們有沒有去醫院做過體檢，通常在檢查肝膽脾腎的時候，醫生都會讓你去做一個B超或者是彩超。當美麗的女醫生拿著個小儀器抹上凝膠在你的肚子上劃來劃去一番調戲之後，你會拿到一張打印出來的黑白或彩色的報告，上面就有你內臟的圖片了。

（肝膽彩超檢查報告）

這幾張圖片你能看得懂嗎？如果你不是醫學專業的肯定是看不懂，但沒關係，醫生能讀懂就行。B超的原理就是透過美女醫生手裡的收發器向你的肚子裡發出一組超聲波，超聲波訊號會在你的內臟裡依次反射回來被收發器接收到，這些訊號經過超聲裝置的電腦處理後，就可以顯示你內臟的影像了。醫生不需要將你按倒開膛破肚，就能看清楚哪個臟器出了什麼問題。

是不是很easy？

物理學家們檢查我們的地球，也是用的差不多的套路，只不過他們不用B超，而是用地震。

你沒看錯，就是地震。

我們的地殼

地殼很厚很硬，至今沒人能夠挖穿它。

蘇聯1970年5月24日開始在科拉半島實施了一個“超深鑽孔”計劃，試圖儘可能深地鑽到地殼深處進行研究，截止到1989年，他們鑽了一個直徑23釐米、深達12262米的鑽孔。這個鑽孔隨著蘇聯解體、研究資金枯竭而最後封閉，它作為人類最深鑽孔記錄保持至今，無人打破。

（被封閉的12262米“科拉深孔”，景象令人唏噓）

美國在1957年開始也搞了一個名為“Project Mohole”的類似專案，旨在穿透墨西哥附近太平洋下的淺層地殼。經過一些初步鑽探後，由於缺乏資金於1966年放棄。德華人在1987-1995年間也搞了“德國大陸深鑽計劃（KTB）”，他們的鑽探深度為9,101米，井下采樣溫度超過260°C。

地殼其實也很薄很脆，它幾乎是一碰就破，經常發生地震。

地球的地殼平均厚度大約為17公里，其中大陸地殼厚度約為39- 41公里；大洋地殼比較薄，大約只有幾公里厚。

如果把地球比作一枚雞蛋，按同比例計算，地殼的厚度要比雞蛋殼薄多了。我們地球平均半徑是6378公里，半徑與地殼平均厚度的比大約是375:1；雞蛋約5釐米大小，蛋殼厚度大約是0.35毫米，雞蛋半徑與殼厚度的比值約為71:1。怎麼樣，出乎意料吧？

（其實將地球比作有裂縫的皮蛋更合適，它們都有更多的分層）

科學的方法

我們挖不穿地殼，自然無法看到地殼下面究竟是什麼樣子，更無法知曉地心深處有什麼情況。就像醫生對前來體檢的人不能個個開膛破肚把內臟掏出來檢查一樣，物理學家們也需要透過更加科學的方法來探究地球。醫生們用B超、CT等高科技裝置，物理學家們使用精密的地震和電磁儀器來研究地球。

前面介紹了，地殼相對於地球來說很薄，地球內部也不是均勻的實心體，地震波很容易穿透地表到達地心深處，如果震波夠強，它甚至可以被地球另一端的儀器探測到。科學家只需要將接收到的地震波資訊輸入巨型計算機，就可以分析出地心深處的詳細情況，就跟你去醫院做B超一樣。

（地震波在地球內部的傳輸途徑）

使用地震波的測量來構建地球內部結構的影象，透過震波穿過地球的速度差異，科學家可以推斷出裡面的結構。例如，由於從固體變為液體的密度差異，波的速度可以改變。這種技術稱為地震層析成像，有點像對地球進行CT掃描。

科學家的十八般兵器

首先全世界各個國家的科學家們聯合在一起組成了一個全球地震臺網，這個網路既可以分析和預報地震，還可以透過對地震波的分析來研究地球。

（GSN臺站與地震以外的地球物理觀測裝置全球分佈圖）

與醫生不同，地球物理學家和地震學家們使用的儀器裝置要多得多，也精密得多。

這些儀表包括：主波（縱波、P波）感測器、二次波（橫波、S波）感測器、強震動感測器、短週期感測器、其它地球物理感測器、高解析度資料採集系統、大地電磁陣列和可移動陣列等等。

（部分GSN儀表裝置）

這些儀表裝置極其靈敏，其中一些感測器可以檢測小至0.00000001釐米（原子間距的距離）的微弱震動訊號。科學家們過濾掉環境噪聲，提取地震訊號，然後使用高效能計算機重建地球內部的影象。

地震波的傳播

地震波分為若干種不同的波，主要有體波和表面波兩大類。

體波在地球內部的傳播路徑受物質的密度與彈性模量影響，於是體波的變化也反映出地球內部不同材料的密度、剛度、溫度、組成成分的變化，透過分析體波的變化就能獲取這些重要資訊。體波又分為主波（P波）與二次波（S波）。

（地震儀記錄下的P波和S波，可以看出P波早於S波到達）

主波是縱波，它是一種壓力波，因此在地球內部傳播的速度最快，比橫波快1.7倍，並且它可以穿過任何物體。P波在地面反應為聲波，空氣中的典型速度為330米/秒，水中的速度為1450米/秒，在花崗岩中的速度約為5000米/秒。

二次波是橫波，它的速度比較慢，S波只能透過固體傳播，因為流體（液體和氣體）不支援剪下應力。S波比P波慢，並且在任何給定材料中，速度通常約為P波的60％。剪下波不能穿過任何液體介質，所以地球外核中沒有S波表明是液態。

（體波穿過地球后被接收到的波形反映出地球內部的狀況）

地震造成的破壞主要是表面波，它主要在地球表面行進，儘管速度比P波和S波更慢，但它的破壞力也最大。因與本文關係不大，在此略過。

地震波分析

透過前一節的介紹，你應該大致瞭解，科學家們透過P波與S波不同的特性來探究地球內部的奧秘。地震波在抵達埋設於世界各地的精密感測器時就攜帶了中途的各種資訊，科學家分析波到達的時間和波形，就可以知道它遇到了什麼。

（地震波在地幔中的速度變化與分析）

科學家透過地震波在410至660公里深處速度波形的變化，發現了上層地幔在這個區域存在不連續點，這是由上下地幔間礦物質成份的不同造成的。同時還發現了由於地殼俯衝將岩石圈板塊推進到下地幔。

劍橋大學地震學家和馬里蘭大學地質學家透過將地震波資料輸入計算機進行3D影象分析，發現地幔深處存在兩個“大型低剪下速度區域（LLSVPs）”，因為地震波碰到它們時就會減速，說明它們比地幔的主要成分橄欖岩 (Mg2+, Fe2+)2SiO4軟。這兩個區域從地幔深處靠近炙熱地核的地方穿過地幔開始向上延伸，高度達到800多公里，其中一處“煙囪”在太平洋底部，另一處在大西洋東邊。由於熱傳導作用，它們未來有可能會造成強烈的火山噴發甚至地殼板塊重建。

（地震波3D影象分析發現地幔深處巨型熱“煙囪”）

事實上，地震波不僅用來分析地心深處的構成情況，它還被廣泛用於礦產資源的勘探。今天的石油工人不再盲目地到處打洞找油田（鑽井的成本很高），他們只需要在選定的區域埋設敏感的地震波測量裝置，然後引爆一枚小型炸彈，就可以透過反射回來的地震波知道幾十公里的地下有沒有油田、開採的難度有多大。不僅如此，它甚至可以顯示在哪裡找到南非的鑽石或奈及利亞的礦產。

不只是地震波

地震學家們已經告訴我們，地球的核心分為兩層：固體的鐵鎳合金內地核與液體的鐵鎳外地核。2015年，一個由中美地球物理學家組成的科學團隊利用地磁裝置結合地震波資料進行分析後發現，與內地核的外層相比，最裡面的核心在其側面旋轉。也就是說我們的固體內地核還有分層，並且它們的旋轉方向不一致！

（磁場表明最核心中的鐵晶體是東西向的，而不是南北向的）

人們早就注意到地震波穿過外地核與內地核的傳播方式存在差異，但從沒有人建議對內地核鐵結晶的方向進行分析，這種差異究竟意味著什麼？這個謎題還需要科學家們進一步解開。

關於地震波是如何“解剖”地球，又是如何解析地球核心組成情況的，今天就分析到這裡。

你明白了嗎？

不需要鑽孔，科學家也能瞭解地球內部的結構及物質成分，層析成像技術瞭解一下。

B超相信大家都知道，是利用超聲波來檢測人體內部結構的。除此之外，還有利用電磁波來探測物體內部結構的，比如X光透視、CT、核磁共振成像（MRI）等。由此可見，想要了解一個物體內部的結構，有很多種方法，並不一定非要對物體造成破壞。

學過物理的人可能都知道，不管是機械波還是電磁波，在穿過不同的介質時，都會具有不同的特徵，透過接受這些波並進行分析，科學家們就能知道地球內部的密度、溫度、組成成分等資訊。還可以將這些資料彙總建模，並生成三維影象。

對於淺層地帶，科學家們可以透過鑽探的方式獲取資料。蘇聯的某個科研專案就曾往地下深處鑽探了1萬來米。不同的地質結構及物質成分對電磁波的反射也是不同的，地質學家們透過電磁波來尋找地下礦藏，同樣的手段也可以用來研究地球淺層結構。

地球內部的結構則主要是透過研究地震波。全球每年都會發生大大小小的地震，科學家們主要採取被動偵測的方式進行研究。地球內部分好幾個介面，不同的介面對地震波的反射效果都不同，由此便可研究地球內部結構。

見過火山噴發的人很少，但肯定都聽說過岩漿。岩漿來自地球內部，是融化的岩石。透過分析岩漿的成分，就能得知地球淺層的物質成分。

地球的結構主要分為地殼、地幔、地核

地球地核、地幔和地殼的分介面，主要依據地震波傳播速度的急劇變化推測確定。

地殼，平均厚度約為17公里，大洋處最薄，地殼相比於地球半徑來說很薄。如果地球是個雞蛋，那麼地殼就相當於雞蛋殼。矽酸鹽類礦物在地殼中分佈最廣。地震一般都是由地殼運動引起的。地幔，厚度約2865公里，地幔又可分成上地幔和下地幔兩層。地核，平均厚度約3400公里，地核可分為外地核、過渡層和內地核三層。外地核厚約2080公里；過渡層厚約140公里；內地核主要是由鐵和鎳等構成的固態金屬核心，半徑約1250公里。由於超強的壓力，地核的溫度估計在5000℃以上，可能比太陽表面的溫度還要高。

有些人陷入了認識的誤區，並非親眼看到和直接觀察才是準確的。沒有親自到太陽上溜達一圈，難道就不能夠了解太陽的結構嗎？由於條件所限，很多東西並不能直接觀測，科學上有些資料結果是間接觀測到的，再經由數學計算及資料分析，我們也可以得出一個準確的結果。

大自然給人類這麼聰明的大腦，是讓我們拿來用的！