透視跳動(dòng)的心臟

陳晨

人類在地球上已經(jīng)生活了二三百萬(wàn)年，它的內(nèi)部到底是個(gè)什么樣子呢?有人說(shuō)，如果我們向地心挖洞，把地球?qū)χ蓖谕?，不就可以到達(dá)地球的另一端了嗎?然而，這卻是不可能的。因?yàn)槟壳笆澜缟献钌畹你@孔也僅為地球半徑的1／500，所以人類對(duì)地球內(nèi)部的認(rèn)識(shí)還很淺顯。

隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)有許多儀器和偵測(cè)方法能夠有效的“透視”出地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為更好地研究和觀察地球結(jié)構(gòu)變化做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，人們從火山噴發(fā)出來(lái)的物質(zhì)中了解到地球內(nèi)部的物理性質(zhì)和化學(xué)組成，并且利用地震波揭示了地球內(nèi)部的許多秘密。

2001年昆侖山口8.0級(jí)以上大地震，標(biāo)志著中國(guó)大地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)進(jìn)入了新一輪的調(diào)整期，這和全球是一致的。

在新的調(diào)整高潮期內(nèi)，由于宇宙內(nèi)部地球等天體運(yùn)行變化及地球內(nèi)核物質(zhì)運(yùn)行變化等因素，導(dǎo)致地球內(nèi)部物質(zhì)與結(jié)構(gòu)的變化；由于地球內(nèi)部物質(zhì)與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的劇烈變化，導(dǎo)致地球巖石圈內(nèi)部構(gòu)造斷塊之間的運(yùn)動(dòng)與變化；由于地球巖石圈內(nèi)部構(gòu)造斷塊之間的相互疊置運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了斷塊間的彈性回跳，從而引發(fā)巨大地震的發(fā)生則是不可避免的。

另外，地球巖石圈內(nèi)部物質(zhì)與構(gòu)造產(chǎn)生的波動(dòng)，導(dǎo)致地球大氣圈內(nèi)部天氣現(xiàn)象產(chǎn)生變化。地球巖石圈內(nèi)部物質(zhì)與構(gòu)造產(chǎn)生的劇烈變化和地球大氣圈內(nèi)部天氣現(xiàn)象產(chǎn)生變化，必然影響到地球生物圈內(nèi)部的人類、動(dòng)物、植物的變化。這無(wú)疑清晰地告訴我們，物質(zhì)之間的相互變化都是相互影響相互聯(lián)系的。

新聞緣起

2011年9月，中國(guó)科研人員在27日出版的英國(guó)《自然·地球科學(xué)》雜志報(bào)告上說(shuō)，通過分析“全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)”和“衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量”等方面的數(shù)據(jù)，從觀測(cè)到的地表形狀變化，推斷出內(nèi)部斷層的結(jié)構(gòu)變動(dòng)，可對(duì)地震區(qū)域作出破裂分布規(guī)律及可能成因，并作出未來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)分析。

2011年3月，據(jù)美國(guó)加州理工學(xué)院報(bào)告，日本3·11大地震致使日本東部向北美洲方向移動(dòng)了12英尺，地球板塊已然移動(dòng)。

2012年2月13日，我國(guó)第28次南極科學(xué)考察隊(duì)成功回收布放在南極普里茲灣的海底地震儀。此次回收的海底地震儀是科考隊(duì)近兩個(gè)月前在雪龍船由中山站前往長(zhǎng)城站途中布放的，這也是我國(guó)首次在南極周邊海域投放海底地震儀。

海底地震儀觀察地球深部圈層變化

據(jù)科考隊(duì)員介紹，海底地震儀由地震計(jì)、記錄儀和釋放器三部分組成。其中地震計(jì)負(fù)責(zé)將接收到的地震波轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，記錄儀對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。科研人員通過釋放器將海底地震儀回收后，可從記錄儀中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

“這有點(diǎn)像地震臺(tái)站，只不過與大家平時(shí)了解的不同，是把地震監(jiān)測(cè)設(shè)備放在了海底。”國(guó)家海洋局第一海洋研究所研究員鄭彥鵬表示，開展這項(xiàng)工作有助于了解海域深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其構(gòu)造演化。通過進(jìn)一步分析研究所獲取的數(shù)據(jù)，將大大提升我國(guó)在南極海域地球物理調(diào)查技術(shù)方面的國(guó)際影響力。

他解釋，地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的地震波在地球內(nèi)部圈層傳遞過程中，穿越不同深度和不同種類的巖石時(shí)產(chǎn)生了細(xì)微的差異，利用對(duì)儀器接收到地震波信號(hào)的頻譜和速度分析可以揭示出地球內(nèi)部不同圈層巖石的性質(zhì)和分布，為研究南極大陸的形成演化及其動(dòng)力機(jī)制提供依據(jù)，豐富了全球大陸地質(zhì)構(gòu)造演化研究中的南極區(qū)域資料。

從國(guó)際上看，至今已有超過20個(gè)國(guó)家在南極大陸及其周緣地區(qū)開展了系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)查活動(dòng)。調(diào)查內(nèi)容包括航空和衛(wèi)星地球物理調(diào)查、走航式海洋地球物理調(diào)查以及陸地地球物理測(cè)站等，主要用來(lái)研究和解決岡瓦納大陸構(gòu)造歷史重建及岡瓦納古陸破裂的地殼動(dòng)力機(jī)制、南極板塊邊界及其地殼結(jié)構(gòu)、大型火山巖省形成的地幔過程以及沉積盆地的形成演化和資源遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)等問題。

“這次還只是試驗(yàn)性階段，為明年開展的1～2年長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)奠定基礎(chǔ)?！编崗i說(shuō)，地震是一種災(zāi)害現(xiàn)象，但也是了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段。

他說(shuō)，目前我國(guó)已在南極中山站建立了地震觀測(cè)臺(tái)站。按照設(shè)想，未來(lái)將在南極大陸從中山站到昆侖站的途中建立多個(gè)流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站，向海域布設(shè)4～6臺(tái)海底地震儀，通過搭建一條雪域高原向深海平原的延伸線，對(duì)地球內(nèi)部數(shù)十甚至上百公里深度以內(nèi)的地殼和上地幔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行“透視”。

中西部地殼結(jié)構(gòu)特征及變化研究喜獲進(jìn)展

過去大量資料表明，華北克拉通東部在中一新生代經(jīng)歷了廣泛和強(qiáng)烈的巖石圈構(gòu)造活動(dòng)，造成其巖石圈地幔與地殼的厚度和性質(zhì)都發(fā)生了明顯改變。然而，克拉通中西部的顯生宙演化由于研究起步較晚和資料缺少，還存在爭(zhēng)議。近年來(lái)，地球化學(xué)與地球物理資料都表明克拉通中、西部的一些局部區(qū)域可能已經(jīng)發(fā)生或者正在發(fā)生巖石圈的減薄和改造。因此，深入研究克拉通中、西部的地殼結(jié)構(gòu)特征及其橫向變化，可以為進(jìn)一步研究華北克拉通的構(gòu)造演化及其區(qū)域差異的深部機(jī)制提供重要約束。

為此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)地球所采用了接收函數(shù)的方法來(lái)研究地殼結(jié)構(gòu)。接收函數(shù)方法采用接近垂直入射的遠(yuǎn)震波形記錄，具有較高的橫向分辨率，因此在布設(shè)了密集固定或流動(dòng)地震臺(tái)陣的區(qū)域，基于該方法可以得到臺(tái)陣下方高分辨率的結(jié)構(gòu)圖像。中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球深部結(jié)構(gòu)與過程研究室博士研究生危自根與導(dǎo)師陳凌研究員等對(duì)此開展了相關(guān)研究，他們利用兩條線性密集臺(tái)陣記錄的地震資料，采用接收函數(shù)疊加方法來(lái)研究華北克拉通中、西部南北兩側(cè)的地殼厚度和平均波速比橫向變化特征。

結(jié)果顯示，地殼厚度和波速比在克拉通中部南北兩側(cè)具有相同的變化趨勢(shì)，并且變化劇烈，反映了顯生宙華北克拉通活化對(duì)該區(qū)域的影響。研究得到的華北克拉通內(nèi)部明顯不均勻的地殼結(jié)構(gòu)特征不僅僅反映了顯生宙不同的區(qū)域構(gòu)造差異，而且還為穩(wěn)定的大陸地殼的長(zhǎng)期保存提供了證據(jù)。

美國(guó)地球透視計(jì)劃

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和美國(guó)國(guó)家航空與航天局(NASA)在2001年聯(lián)合發(fā)起了地球透鏡(Earthscope)計(jì)劃，該計(jì)劃旨在通過分布式、多用途儀器和觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的組合使用，來(lái)加深對(duì)北美大陸結(jié)構(gòu)、演化和動(dòng)力學(xué)特征的理解。通過近10年的努力，地球透鏡計(jì)劃形成了三大研究設(shè)施，即美國(guó)地震臺(tái)陣、板塊邊界觀測(cè)站和圣安德烈斯斷層深部觀測(cè)站。

《揭示北美大陸的奧秘——地球透鏡科學(xué)計(jì)劃2010--2020》指出，地球透鏡計(jì)劃在北美大陸活動(dòng)變形研究，整個(gè)地質(zhì)時(shí)代的北美大陸演化研究，深部地球結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究，地震、斷層與巖石圈流變學(xué)研究，地殼與地幔中的巖漿和揮發(fā)物研究，地形學(xué)和構(gòu)造學(xué)研究，地球透鏡計(jì)劃與水圈、冰凍圈和大氣圈的關(guān)系研究7個(gè)方面取得了重大突破。但是，未來(lái)仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，如地殼、地幔浮力和流體如何影響并維持處于構(gòu)造活動(dòng)狀態(tài)的美國(guó)西部的地形，整個(gè)地質(zhì)時(shí)間內(nèi)，巖石圈如何在北美西部板塊邊界下方俯沖。