地球内部看不见摸不着，科学家如何画出它的标准像？

科学家究竟是依据何种凭借, 才得以去讨论地球深部结构, 甚至于去分析地震震源、变形机制以及演化过程呢? 答案并非是纷繁莫解的: 他们先是全力以赴地构建起了一套哪怕只是尽最大可能达成统一、可靠、可比较的“地球参考模型”来。中国地质大学（武汉）郑勇团队于《中国科学: 地球科学》上刊载发布的经典解读文章, 有条不紊地梳理了地球参考模型从最开始的分层性认知, 到PREM模型的创设确立, 再至三维模型的拓展发展的关键历程走向。这可不单单只是一部模型的演化历史, 更是一条人类持续不断地趋向于逼近地球内部名副其实真实图像的探索之道路。

地球内部缘何得有一张“标准像”呢? 关键在于, 当科学家探讨这些现象之际, 不能够仅凭借零散的观测, 而是必定得先拥有一套统一的参考标准才行。地球参考模型恰似一张标准底图, 可使得不同的研究能够置于同一把尺子之下来进行比较。郑勇团队的文章当中真正精彩之所在, 并非仅仅是回顾模型的演化, 更在于讲明晰了“为何需要参考模型, 它又是如何一步步构建起来的”。

地球介质具备的性质, 决定了地球于各种加载作用之下, 会产生怎样的响应。换而言之, 若想解释地震波是以怎样的方式传播, 板块基于何种原因运动, 深部物质以怎样的形式对流, 那就必然得先清楚地球内部介质大致呈现出何种状态。正是基于这样的缘故, 地球参考模型从来就不是处于边缘位置的工具, 反而为地球科学研究提供了基础支撑。

由“地球有几层”起始走到“建立统一标准”, 此道路并非顺畅平坦。自19世纪末往后, 科学家借由地震观测渐渐识别出地核、莫霍面、核幔边界以及内核等关键界面, 进而逐步揭示出地球内部的分层架构。然而早期模型常常仅适用于某一种类的数据或者某一段深度区间, 不同模型相互之间也时常存有区别差异。比如1066A模型和 - 模型, 于上地幔、内核以及主要边界附近并非全然一致相同。对于科学研究而言, 这会引发相当现实的问题状况: 不同研究采用不同模型, 结果将会难以进行比较对照。于是, 建立起统一参考模型, 这已不再是那种起到“锦上添花”作用的事情了, 而是变成了整个领域能够开展继续向前推进工作的必要条件。

PREM模型得以出现, 恰是为把这个难题解决。其重要之处, 并非单是“出现较早”, 而是在于它头一回系统地把地球内部认作一个整体用来描述。在这个模型当中, 研究者不但划分了从地表直至地心的多个圈层, 还同时给出了P波速度、S波速度、密度、衰减以及上地幔各向异性等关键参数。正是因参数体系完备, PREM才切实成为一个能够被广泛采用的标准参考模型。更为关键的是, PREM的成功背后存有一套相当成熟的研究策略。自由振荡、面波、体波连同天文和大地测量数据, 作者并非简单地进行叠加, 而是依据不同数据针对不同深度的敏感性实施组合约束。面对复杂结构时, 采用的是逐层剥离、逐步反演的思路, 从浅部朝着深部稳步前行。PREM堪称经典, 并非仅仅由于其结果好用, 更是因为它呈现出了处理一个复杂系统的研究思路。后续模型在浅部结构方面与体波走时拟合等做得更为精细, 然而PREM在衰减以及各向异性方面依旧具备独特价值。这同样是为何, 历经几十年的时光流逝, PREM依旧在诸多研究里, 成为了那被默认的基准。

如果讲PREM回应的是“平均层面的地球内部是怎样的”, 那么三维模型着手回应的, 便是“不同之处究竟存在哪些差异”。伴随全球地震台站越发密集、观测资料愈发丰沛、反演方法不断进步, 科学家开始将地球参考模型从一维推进至三维。当地幔内部不再仅仅依靠一条平均速度曲线去描述时, 诸多关键的空间差别就能够被识别出来, 比如俯冲带相关异常、深部高速与低速结构, 以及不同深度范围内格外复杂的速度变化模式。地壳厚度、岩石圈结构等信息被整合进统一框架, 这意味着地下“画像”第一次真正开始接近真实, 这对于地震学、构造地质学和地球动力学来说甚是如此, 像Lith1.0这样的模型, 不再只关心单一速度参数, 这类模型对地震成像、断层结构研究、震源过程分析乃至地球动力学模拟而言, 都具有非常重要的基础意义。

该篇文章极具价值之处, 并非仅仅助力读者记起若干模型名称以及年代, 而是将背后的科学逻辑阐释得清晰明了。它使人察觉到, 地球参考模型的演进并非一蹴而就, 而是于长期积累期间持续修正、持续统一、持续提升分辨率的进程。从统一的一维模型起始, 直至愈发精细的三维模型为止, 这条发展线索本身便是现代地球科学得以构建的进程。换个角度来讲, PREM这类经典模型还给出了一项相当关键且颇为重要的科研层面的启发: 当面临复杂程度相当高的系统时, 绝没有期望仅仅迈一步就可以彻底有效地解决掉所有相关问题需要先行做到就是要捕捉到抓住那些起着要害决定作用的参数, 清晰精确地表明显示出哪一些信息是最为关键重要的、哪些矛盾状况是需要优先着重着手并加以处理的, 最终在进行合理适度简化的进程里面确立构建起可供实际使用的标准规范。这同样也是地球参考模型所产生的影响, 早就已经超越超出了“模型”自身本身缘由之所在道理。

今天, 新技术, 分别是密集台阵、高分辨率成像以及人工智能等, 正在持续推动地球参考模型朝着升级的方向发展。未来设置的目标, 已然不只是构建更为优良的局部模型, 而是要进一步发展那种自地心直至地表、处于跨圈层进行耦合状态的全球高分辨率三维参考模型。能够这么讲, 地球参考模型经历的发展历程, 就是人类在持续提升“看见地球内部”这一能力方面所经历的历史。就普通读者而言, 这篇予以经典解读的内容对咱们起了提醒作用, 科学家能够针对地震、火山、板块以及深部动力学展开讨论, 原因在于在这些备受关注的热点问题背后, 一直有人长期从事着一项更为基础, 且更为艰难的工作, 此项工作所涉内容为给整个地球科学构建一张切实可信的“标准像”。而这张“标准像”处于不断更新的状态, 这种更新也正在持续推动着我们理解地球的边界得以拓展。

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