探索地心的強力幫手— 地震

身為超級地球偵探,這次辦案辦到地心去了,而地震竟然成了好幫手?

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說起地震,相信一般人都不會有什麼好印象,像是前幾年日本發生的311大地震、中南美洲的海地大地震、還有紐西蘭基督城的大地震,都造成很多生命跟財產的損失。但是,如果咱們今天要調查的作案地點位於「地心」的話,那地震就是不可或缺的最強力工具了!

要了解地心,挖個洞下去看看有很難嗎?我老實這樣說好了,人類在過去總共挖過3 個最深大約12 公里的洞,分別是在俄羅斯和芬蘭的交界、俄羅斯的庫頁島以及中東的波斯灣。其中第一個洞是為了科學研究,後面兩個洞則是為了挖石油跟天然氣。那麼12 公里究竟有多深呢?以臺北
市500 公尺高的101 大樓來算,12 公里深的洞足足可以丟24 棟101 大樓進去疊起來!不過,如果要挖到地心,地球中心點的深度平均是6371 公里,也就是說這個洞至少還得再挖個500 倍才夠深!你說,挖洞這個方法是不是沒那麼簡單?

地震拍了拍地球這顆大西瓜

原本以為最簡單的方法看來一點都不簡單,那我們只好借助辦案工具來幫忙了。其實利用地震來探索地球內部這個方法的原理非常容易,而且早就已經被廣泛的運用在日常生活裡面。例如媽媽要上菜市場買菜,大西瓜一顆可不便宜,偏偏老闆又不肯先剖開來讓顧客瞧瞧,這時候老經驗的媽媽就會用手輕輕拍西瓜的表面,然後用耳朵聽西瓜傳出來的聲音,來判斷西瓜水分夠不夠,有沒有太熟之類的。說一句沒行情的話,其實要探測地心,用的就是一模一樣的方法,唯一不一樣的地方是,地球這顆西瓜非常大,所以要「拍」得夠大力,我們才能「聽」得到聲音傳出來,這也就是我們需要「地震」這個得力助手的原因了。

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一個規模6.0 地震所釋放的能量,就相當於一顆當年美軍丟在日本廣島的原子彈能量;而一個規模8.0 地震所釋放的能量,則是相當於1000 倍前面說的那顆原子彈能量。有時候我們會聽到規模很大的地震發生,但是卻沒有傳出災情,那可能是因為地震的震源位在很深的地底下,所以地表的感覺比較輕微。但是如果同樣的地震發生在地表附近,造成的災情恐怕就不可小覷了。不論如何,只要地震的規模夠大,地震所釋放的能量就足以穿透地球內部,讓位在地球另一面的地震測站收到震動的訊號,這樣也就等於可以「聽到」地震拍了地球一下之後的聲音。

當大地震發生之後,地震所釋放出來的能量會從地底下往四面八方擴散出去,再加上地球表面很多地方都設置有地震觀測站,所以向著不同方向出發的能量,就會穿過不同深度的地球內部,沿著不同的路徑抵達位於全世界的各個測站。當地球裡面不同區域的物質有不同的特性時,就像水分多的西瓜或是水分少的西瓜一樣,造成地震所釋放的能量在經過這些區域之後改變了原本的形式和傳遞速度,結果每個測站收到能量的性質跟時間就會有所不同。於是科學家利用這些測站所接收到的資料,可以反推地球裡面的物質有什麼特性,甚至可能是由什麼物質所構成的。

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地震所釋放的能量在穿透地球之後,傳遞出最基本的訊息是可以告訴我們,地球在不同深度的物質傳遞這些能量時的速度快慢。而這個傳遞速度快慢所代表的意義就像是我們拿一塊橡皮擦,壓它一下讓它變扁然後恢復原狀的速度,以及扭它一下再讓它恢復所需要的時間,這也就是地底下物質傳遞能量速度快慢的基本性質。但是,再說一句更沒行情的話,其實用地震這個方法也不是真的那麼厲害,就像我去年夏天在超級市場自以為是的抱著西瓜拍了老半天,正想說這顆西瓜沒什麼水分的時候,店員冷冷的告訴我說,先生,那是冬瓜!

地震的能量在傳遞時所傳達出的訊息,就像是目擊證人說出兇手臉上有一顆痣一樣,臉上有痣的人很多,我們沒辦法只依靠這個特徵就找到兇手。但是如果監視器有拍到犯人的體型和穿著,而根據體型跟穿著找到當天曾經到過現場的嫌犯臉上又正好有顆痣的話,那這個目擊者的證詞就變得相當重要。組成地球裡面的物質也是一樣,具有相同傳遞地震能量性質特徵的物質有很多,如果我們能夠用其他方法縮小可能的對象範圍,才有可能利用地震的「證詞」,來讓我們得到比較肯定的答案,得知究竟地底下是由什麼物質所組成的!

有請火山來爆料

當然,好偵探不會只有一樣工具的。就像我們上一回在拼湊地球的歷史一樣,我們還是需要尋找其他的證據和蛛絲馬跡,才能更進一步接近案情的真相。首先,我們要藉助地震的好朋友──火山──的幫忙。

火山所噴出來的岩漿,大約形成於100公里深的地底下,遠遠超過我們能夠挖洞挖到的深度。雖然岩漿本身能夠告訴我們的訊息不多,因為地底下的東西都已經熔化成岩漿之後才噴到地表上來重新冷卻。就像原本是一根巧克力脆皮草莓夾心的冰棒,被融化之後再放到冷凍庫結冰,我看任誰也猜不出它原來的模樣。不過幸運的是,有很多噴發到地表的岩漿裡面,居然夾帶著部分沒有被熔化掉的岩石在裡面,而科學家發現這些沒有被熔化掉的岩石,主要是由一種叫做「橄欖石」的礦物所組成。會不會這些被夾帶到地表上來的橄欖石,就是組成地底下100 公里左右的物質,甚至連更深的地底下也都是由橄欖石所組成呢?很好,最大的嫌疑人出現,我們要來好好審問看看了!

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於是科學家就在實驗室裡先模擬地底深處的溫度和壓力,然後試著壓一壓、扭一扭這些橄欖石,看看它們的反應跟觀測到地震能量傳遞時的速度
是不是吻合。結果沒錯,兩者的數據相當吻合!最後根據橄欖石在高溫高壓實驗室被拷問的結果,我們認為地球裡面大約從地表幾十公里深到地球中心一半的深度(大約2900 公里),可能都是由橄欖石這種礦物所組成。等一下,為什麼只有半個地球?這是因為當深度超過2900 公里深之後,地震能量傳遞的速度以及傳遞出來的訊息都和地球上半部很不一樣,這就表示地球的下半部組成物質恐怕也很不一樣。

這下糟糕了!我們真正想知道的祕密就是地心到底是什麼做的,結果現在才到地球一半的深度,好不容易搞清楚上半個地球的可能成分,卻發現下半個地球顯然是由很不一樣的東西所組成,而且這一次,也不會再有岩漿或其他物質可以從地球最深的區域冒到地表上來給我們任何線索。沒有嫌疑犯,目擊者的證詞也就變得沒有太多用處,眼看就在案情即將進入膠著的時刻,突然天外閃過一瞥流星的尾巴……啊,流星!……嗯,有隕石掉下來了!

天上掉下來的線索

探索地心最後的線索,就是落在地面上的流星──隕石。這故事要從地球還未形成時,原始太陽系裡還滿布著大大小小的隕石那時說起。當時那些隕石彼此因為萬有引力的吸引,一個個都撞到了一起,慢慢積聚成今天的地球。由於最開始互相撞擊的隕石數量非常多,而這些撞擊所產生的能量很高,於是會把整個地球都熔化成為一團岩漿,這個時候組成地球物質中密度比較大的東西就沉到最靠近地心的最深處,密度小的物質會集中到地球表面,才會造成地球裡面分成上下兩半不同的成分。所以這些隕石就像是一顆顆縮小版的地球,身上都帶著我們最想知道的地心祕密。

但是,要去哪裡找當年這些隕石啊?嘿嘿,當時雖然有很多隕石撞向地球,成為地球的一部分,卻也有極少部分的隕石至今還在地球附近運行。它們偶爾會因為飛得太靠近地球,而被地球的萬有引力吸過來,墜落在地球表面,也就是我們偶爾會在夜空中看見的流星。我們分析這些隕石的組成成分後,發現一個重要的現象,那就是隕石中所含有的成分都和靠近地表的這半個地球的成分相當一致,唯一不同的就是,部分隕石中含有相當大比例的鐵和少部分的鎳,而這兩種金屬在這半個地球所占的比例卻相當少,這或許就意味著,地球最深處的那另外半個地球,很有可能就是由鐵以及少部分的鎳所組成。

眼看著毫無頭緒的案情,終於因為天外飛來一顆隕石而得到重要的線索,完成了案情的最後一塊拼圖,現在讓我們來整理每一位目擊者的證詞。如果把鐵和鎳當做地心的組成成分,綜合分析地球的質量、平均密度、地震能量的傳遞速度、鐵鎳物質在地心溫度壓力下的狀態及特性、甚至是地球有磁場這個現象的所有特徵,都可以因此一一得到驗證,因此我們最終認為地球中心是由鐵以及少部分鎳所組成的可能性相當相當高。

看到這裡,我相信聰明的讀者應該已經發現,其實我們並沒有百分之百確定兇手究竟是誰。根據地震所傳遞出來的證據和其他重要的線索,我們也只是找到了最有嫌疑的對象而已。但至少目前為止,在我們還沒有任何直接的方法可以剖開地球這顆巨大西瓜的情況下,利用科學辦案手法和鉅細靡遺的證據收集,可以得到這個可信度那麼高的推論,還是一件相當不容易的成就,這就是探索地球最有趣的地方了!

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本文原刊載於遠流雜誌社所出版的科學少年第二期(2014.04)
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