地震波也有“新技能”

端木蓝

说起地震，将它形容成无恶不作的妖魔都不为过，它破坏力强，轻则房屋倒塌，重则山崩地裂、翻江倒海，造成严重的人员和财产损失。更让人无奈的是，直到现在，人类还没能提前准确预报地震发生的时间、地点和震级，最先进的技术，也只能在地震发生前几十秒发出预警。

虽然地震比凶恶的妖魔还厉害，但是随着科技的发展，地震所制造的地震波也展现了它“助人为乐”的一面，它的新技能可以覆盖地下、海洋和大气。

找出隐藏的地下结构

从地理书上，我们知道地球的内部结构包括地壳、上地幔、下地幔、外核还有内核。然而，人类现在在地面上钻的洞只有十几千米深，这个深度还不及地面到地幔距离的三分之一。那么我们是怎么知道地表之下有什么结构呢？这还得感谢地震。科学家正是根据地震波传播速度在不同深度的变化来推测地球内部的分层的。

地震在地表下产生的地震波传播数千千米，当遇到岩石密度、温度或成分变化时，它们会改变速度、弯曲或散射，产生可以探测到的回声。而不同的物体回声各不相同。通过测量这些来自不同位置的回声，结合地震仪记录的地震波传播的时间和振幅，就可以建立地下岩石的物理性质模型。这种方法类似于蝙蝠的回声定位。但是利用这种方法，研究人员只能在单次地震发生时获得零碎的信息，很难将特定的回声与随机的噪音区分开，因此，他们想到了综合分析多个地震数据记录，来找出相似性和模式，识别隐藏在数据中的回声。不过，这些工作如果要人工来完成，那么要耗费的人力成本将非常大。

美国马里兰大学的研究人员想到了一种简单好用的办法，他们引入了一种新的人工智能算法。这种算法其实是一种被用来寻找遥远恒星和星系的工具。而这一次研究人员用这种算法分析了1990年到2018年发生在太平洋海盆的数百次6.5级及以上的地震，以寻找地震波中的横波产生的回声，并绘制地球内部结构图。回波数据显示，当地震波的横波传播到“地核-地幔”的边界时，传播速度大幅减慢，最高减速达到了45%（纵波的传播速度也减慢，但是减慢幅度较小），这意味着，在那里有一个从未被发现的由炙热物质组成的异常结构，研究人员将它称为“超低波速带”。

借助這种方法，研究人员在夏威夷和法属波利尼西亚群岛部分地区之下，发现了超低波速带。在夏威夷之下的“地核-地幔”边界处的超低波速带面积很大，那片热物质位于火山喷发柱的底部，那里的熔岩从“地核-地幔”边界区域向上涌，形成火山岛。夏威夷的超低波速带是迄今为止人类所知的最大的，宽度大约为1000千米，厚度为20千米左右。除了夏威夷地下的超低波速带，研究人员还用这种方法在位于波利尼西亚群岛中心的萨摩亚的地下，找到了另一个面积相当于美国佛罗里达的超低波速带，这片超低波速带的厚度在10～15千米之间。

看到地下水的化学变化

地下水藏在岩石之下，我们用肉眼无法看到它们，不能判断不同地区地下水的成分有何不同，而这又关系到用水安全的问题。利用传统的地球化学测试方法，研究人员需要在地上钻孔，采集土壤和岩石样本，然后再在实验室进行分析。但是这个过程费钱又费力，而且还只能反映某一特定地点的化学信息。为解决这个问题，美国宾夕法尼亚大学的研究人员为地震波开发了另一项新技能——监测地下水的化学变化。不过他们利用的不是自然地震波，而是人造地震波。

为了探索这种新的研究方法，研究人员在一个特定的地点钻了一个30多米深的洞，将可以发送和接收信号、能采集高分辨率图像的地震测井仪放入洞中。随后，研究人员操控着地震测井仪发出地震波，并将仪器缓慢从洞内拉出。这个过程中，地震测井仪持续记录波的传递速度。地震波遇到不同介质时，速度不同，比如波速较快时，表明波正穿过坚实的基岩，或者孔隙中充满水的风化岩石;波速较慢时，表明波正穿过孔隙中充满空气的风化岩石，或者接近地表的土壤层。研究人员将这些数据整合到研究模型中，就能确定岩层成分的变化、孔隙度的变化以及饱和度的变化。

研究结果显示，地下水中存在一些微小的气泡。研究人员认为，这些气泡可能是地下微生物呼吸和矿物反应产生的二氧化碳。土壤微生物产生二氧化碳作为呼吸作用的副产品，就像人类呼吸产生二氧化碳一样。而当水通过土壤到达地下水位时，它可以携带这些二氧化碳。此外，岩层中通常含有两种非常活泼的矿物——黄铁矿和碳酸盐矿物。当黄铁矿与水相互作用时，它会氧化并生成硫酸。酸可以与碳酸盐相互作用，也能产生二氧化碳。不过这些二氧化碳对人体没有什么影响。

而最重要的是，研究人员确认，这种方法是有效的，因为他们发现，即使是水与黏土之间发生简单的化学反应，地震波的传播速度也会有变化。

当然，仅靠地震测井仪无法提供准确的地下水的变化数据，还需要其他比如地球物理成像数据、通过传统方法获得的数据的补充，这些技术综合利用，就能为研究人员呈现地下水的化学变化情况，还有地下水的流动以及所塑造的地下景观。

测量海洋温度变化

海洋是地球强大的调温器，据估计人类排放的温室气体所产生的热量有超过90%被海洋吸收了。海洋变暖，又将对地球气候产生巨大影响，温暖的海水不仅帮助飓风诞生，也让飓风更强。为了监测海洋温度的变化，科学家们建立了全球海洋监测系统，但是目前，这个系统并不能覆盖全球所有海域。

而美国加州理工学院的研究人员发现这个问题可以请地震波帮忙解决。我们知道，声波通过水分子的振动在水中传播，当温度较高时，水分子振动更剧烈，波浪的传播速度更快一些，声波的速度也更快。通过测量波浪的速度，就能计算出声波的传播速度，并推算出海水的温度。不过，由于这种变化很小，因此研究人员需要长距离追浪才能得到足够的数据。

好在海洋中有一种叫做“海洋声道”的奇怪现象。海洋声道是指浅层海水中不同的盐度、温度等综合作用形成的声波低速层。它是一个水平层，起着导波的作用，能将声波“控制”在其内传播，由于能量损耗小，因此声波能在数万千米的距离中传播几乎不变。

其实，这算不上什么新办法了，早在1979年，美国的物理学家沃尔特和海洋学家文森就提出利用声波测量海水温度的“海洋声波层析成像”技术。但是他们利用的是人造的声波信号，考虑到可能会影响海洋哺乳动物以及其他原因，他们的研究很快终止了。

而美国加州理工学院的研究人员们是在老办法的基础上加入了新思路——他们利用的是地震波。并且他们不需要追着海浪测量，而是在震源之外几百千米的地方放置声波接收装置来接收声波。再根据接收到的声波，反向推导出海洋温度变化。当然，一次地震并不能告诉我们海水温度变化的数值。在这项研究中，研究人员通过分析2005—2016年间发生在东印度洋是数千次自然地震，才得出该水域的温度每10年约上升0.044℃。这个结果与全球海洋温度监测系统的数据相近。

想要看到海洋温度的变化，需要分析如此龐大的地震数据，这看起来很繁琐，但是现在科学家们可以在计算机中建立模型，推算出结果并不那么难。并且在许多地方，地震记录比海洋温度记录更全，涉及的年代也更早，这意味着科学家们可以利用海底地震来估算过去的海洋温度，不断完善海洋温度变化的档案，为研究现在的海洋温度以及预测未来海洋温度的变化提供有用的信息。未来，这项技术还将被应用于其他海域，为研究海洋温度的变化提供重要的数据。

监测龙卷风

地震波除了用于研究地下结构、地下水和海洋温度之外，还有什么新技能呢？它还能用来测量龙卷风的强度！

目前，通常利用地面气象站和多普勒雷达来预报龙卷风的位置，但是龙卷风作用面积小，来去无踪，因此预报准确率较低，仍需要依靠风暴猎人和人类观测员来确定龙卷风登陆的准确时间。并且现有的探测器不能直接测量龙卷风的风速，只能依靠损失报告来间接判断其强度。

那么，龙卷风的强度真的无法测量吗？2017年，美国加州大学圣芭芭拉分校的研究人员发现，龙卷风触地时会制造小型地震波。但是他们并不知道地震波如何随龙卷风的强度发生变化。为了解决这个问题，他们以级别最高的2011年的乔普林龙卷风为例来进行研究。

为了找出地震波与龙卷风强度变化之间的联系，研究人员查找了距离乔普林龙卷风最近的一个地震监测站记录的数据。这个监测站是为探测小型地震和绘制北美地下地图建立的，装配有地震监测器和气压计，可以测量地震信号和气压的变化。研究人员将龙卷风在陆地上的路径分为数百个单独的点，并计算了每个点产生的地震波的大小。然后将龙卷风持续过程中的每个阶段的地震波大小与龙卷风的强度进行对比。结果他们发现，地震波的大小与龙卷风的EF等级具有很强的关联性——乔普林龙卷风在不到10分钟的时间内从EF1-2级升到了EF4-5级，并在最高级别持续了大约15分钟，随后才减弱，而它所产生的地震波的强度也随之增强，随后减弱。这意味着，通过地震波的强度变化可以推出龙卷风的强度，并且通过确定首次监测地震波的时间，也能确定龙卷风登陆的时间。

不过，龙卷风制造的地震波较弱，不能长距离传播，并且要监测地震波，还需要在龙卷风的活动路径上建造多个地震监测站，这需要投入大量资金，因此这种方法现在看来并不现实。或许，未来随着技术的发展，这些问题能解决。