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(yán)重的人員和財產(chǎn)損失。更讓人無奈的是，直到現(xiàn)在，人類還沒能提前準(zhǔn)確預(yù)報地震發(fā)生的時間、地點和震級，最先進的技術(shù)，也只能在地震發(fā)生前幾十秒發(fā)出預(yù)警。

雖然地震比兇惡的妖魔還厲害，但是隨著科技的發(fā)展，地震所制造的地震波也展現(xiàn)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(jié)構(gòu)

從地理書上，我們知道地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括地殼、上地幔、下地幔、外核還有內(nèi)核。然而，人類現(xiàn)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(jié)構(gòu)呢？這還得感謝地震。科學(xué)家正是根據(jù)地震波傳播速度在不同深度的變化來推測地球內(nèi)部的分層的。

地震在地表下產(chǎn)生的地震波傳播數(shù)千千米，當(dāng)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(chǎn)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(jié)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(zhì)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(fā)生時獲得零碎的信息，很難將特定的回聲與隨機的噪音區(qū)分開，因此，他們想到了綜合分析多個地震數(shù)據(jù)記錄，來找出相似性和模式，識別隱藏在數(shù)據(jù)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(xué)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(fā)生在太平洋海盆的數(shù)百次6.5級及以上的地震，以尋找地震波中的橫波產(chǎn)生的回聲，并繪制地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?；夭〝?shù)據(jù)顯示，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ臋M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(fā)現(xiàn)的由炙熱物質(zhì)組成的異常結(jié)構(gòu)，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(qū)之下，發(fā)現(xiàn)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(zhì)位于火山噴發(fā)柱的底部，那里的熔巖從“地核-地?！边吔鐓^(qū)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(dāng)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(xué)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(qū)地下水的成分有何不同，而這又關(guān)系到用水安全的問題。利用傳統(tǒng)的地球化學(xué)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(xué)信息。為解決這個問題，美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員為地震波開發(fā)了另一項新技能——監(jiān)測地下水的化學(xué)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(fā)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(fā)出地震波，并將儀器緩慢從洞內(nèi)拉出。這個過程中，地震測井儀持續(xù)記錄波的傳遞速度。地震波遇到不同介質(zhì)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(fēng)化巖石;波速較慢時，表明波正穿過孔隙中充滿空氣的風(fēng)化巖石，或者接近地表的土壤層。研究人員將這些數(shù)據(jù)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(jié)果顯示，地下水中存在一些微小的氣泡。研究人員認(rèn)為，這些氣泡可能是地下微生物呼吸和礦物反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳。土壤微生物產(chǎn)生二氧化碳作為呼吸作用的副產(chǎn)品，就像人類呼吸產(chǎn)生二氧化碳一樣。而當(dāng)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(dāng)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(chǎn)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(rèn)，這種方法是有效的，因為他們發(fā)現(xiàn)，即使是水與黏土之間發(fā)生簡單的化學(xué)反應(yīng)，地震波的傳播速度也會有變化。

當(dāng)然，僅靠地震測井儀無法提供準(zhǔn)確的地下水的變化數(shù)據(jù)，還需要其他比如地球物理成像數(shù)據(jù)、通過傳統(tǒng)方法獲得的數(shù)據(jù)的補充，這些技術(shù)綜合利用，就能為研究人員呈現(xiàn)地下水的化學(xué)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(diào)溫器，據(jù)估計人類排放的溫室氣體所產(chǎn)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(chǎn)生巨大影響，溫暖的海水不僅幫助颶風(fēng)誕生，也讓颶風(fēng)更強。為了監(jiān)測海洋溫度的變化，科學(xué)家們建立了全球海洋監(jiān)測系統(tǒng)，但是目前，這個系統(tǒng)并不能覆蓋全球所有海域。

而美國加州理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(shù)據(jù)。

好在海洋中有一種叫做“海洋聲道”的奇怪現(xiàn)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(dǎo)波的作用，能將聲波“控制”在其內(nèi)傳播，由于能量損耗小，因此聲波能在數(shù)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(xué)家沃爾特和海洋學(xué)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(shù)。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(xué)院的研究人員們是在老辦法的基礎(chǔ)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(jù)接收到的聲波，反向推導(dǎo)出海洋溫度變化。當(dāng)然，一次地震并不能告訴我們海水溫度變化的數(shù)值。在這項研究中，研究人員通過分析2005—2016年間發(fā)生在東印度洋是數(shù)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(jié)果與全球海洋溫度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這看起來很繁瑣，但是現(xiàn)在科學(xué)家們可以在計算機中建立模型，推算出結(jié)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(xué)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(xiàn)在的海洋溫度以及預(yù)測未來海洋溫度的變化提供有用的信息。未來，這項技術(shù)還將被應(yīng)用于其他海域，為研究海洋溫度的變化提供重要的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測龍卷風(fēng)

地震波除了用于研究地下結(jié)構(gòu)、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(fēng)的強度！

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

那么，龍卷風(fēng)的強度真的無法測量嗎？2017年，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，龍卷風(fēng)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(fēng)的強度發(fā)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(fēng)為例來進行研究。

為了找出地震波與龍卷風(fēng)強度變化之間的聯(lián)系，研究人員查找了距離喬普林龍卷風(fēng)最近的一個地震監(jiān)測站記錄的數(shù)據(jù)。這個監(jiān)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(jiān)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(fēng)在陸地上的路徑分為數(shù)百個單獨的點，并計算了每個點產(chǎn)生的地震波的大小。然后將龍卷風(fēng)持續(xù)過程中的每個階段的地震波大小與龍卷風(fēng)的強度進行對比。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，地震波的大小與龍卷風(fēng)的EF等級具有很強的關(guān)聯(lián)性——喬普林龍卷風(fēng)在不到10分鐘的時間內(nèi)從EF1-2級升到了EF4-5級，并在最高級別持續(xù)了大約15分鐘，隨后才減弱，而它所產(chǎn)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(fēng)的強度，并且通過確定首次監(jiān)測地震波的時間，也能確定龍卷風(fēng)登陸的時間。

不過，龍卷風(fēng)制造的地震波較弱，不能長距離傳播，并且要監(jiān)測地震波，還需要在龍卷風(fēng)的活動路徑上建造多個地震監(jiān)測站，這需要投入大量資金，因此這種方法現(xiàn)在看來并不現(xiàn)實?；蛟S，未來隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問題能解決。