人類有一個(gè)“毛病”，總想窺視物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。用大刀切開一個(gè)西瓜，綠皮紅囊黑子的排布就一目了然了。人體不是西瓜，不可隨意切開，因?yàn)榕鲆慌鋈怏w中的神經(jīng)，也常常令人痛苦難堪。對(duì)人體結(jié)構(gòu)的了解，自古而來多依賴對(duì)尸體的解剖。對(duì)活體呢？中醫(yī)用手指號(hào)脈、西醫(yī)用聽診器聽音，以窺探體內(nèi)心臟及血管系統(tǒng)的健康狀況。當(dāng)然，現(xiàn)代科技已經(jīng)可以不通過直接接觸人體就能無痛地探測(cè)出體內(nèi)的微細(xì)結(jié)構(gòu)如血管、息肉、腫瘤等等，例如十分普及的“CT”技術(shù)，是“Computerized Tomography”的縮寫，即“計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)”。 CT診斷就用X射線掃描人體來獲得大量的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)復(fù)雜且大量的運(yùn)算，把X射線形成的影像繪制在一張“斷層”上，讓肉眼能夠識(shí)別活體切面上的細(xì)微結(jié)構(gòu)以及變異情況。
與人體相同，地球在可見光下同樣是不透明的“黑物體”。中國(guó)有“穿山鏡”的傳說，總希望能夠窺視地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。從給人體做CT的科技獲得啟示，類似CT技術(shù)也可以窺視地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但地球與人體不同。人體小，在通常的CT儀器中均可以進(jìn)行各方向的三維立體掃描，而對(duì)地球的掃描只能在地表進(jìn)行，屬平面的二維掃描。所以，給地球做CT更加困難，更需要“黑科技”。基于CT技術(shù)相似的原理與思路，把X射線這一電磁波換成由物體振動(dòng)而產(chǎn)生的彈性波（如聲波），并基于更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)，1975年出現(xiàn)了“斜向地震反射偏移剖面計(jì)算機(jī)成像技術(shù)”，奠定了地震層析成像的基礎(chǔ)，能夠通過地震勘探的方法，繪制出地下斜向地層的結(jié)構(gòu)，用于尋找石油天然氣礦藏。
我們用什么窺探地球
地球物理，顧名思義，就是利用物理原理來研究地球。地球物理人最喜歡的就是跟醫(yī)學(xué)CT做類比來解釋自己的工作性質(zhì)，的確如此，地球物理探測(cè)跟醫(yī)學(xué)探測(cè)人體具有很多相似點(diǎn)。首先簡(jiǎn)單回顧一下醫(yī)學(xué)CT的工作原理，它向人體發(fā)射一束X射線，人體的各個(gè)組織對(duì)X射線吸收能力不同，因此同一束X射線再透過人體不同之后就發(fā)生了不同程度的改變，這時(shí)候再將這種差異性改變轉(zhuǎn)化成我們易于解釋的圖像即可用于診斷了。我們地球物理也是利用地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理屬性差異來研究其內(nèi)部構(gòu)造的，也就是利用我們的儀器設(shè)備給地球做“CT”。
圖1 醫(yī)學(xué)CT與地球物理
我們?cè)趺唇o地球做“CT”？
地球物理所能分辨的物理屬性主要是那些呢？經(jīng)過近百年的發(fā)展，人們發(fā)展了一系列地球物理探測(cè)方法，這些方法針對(duì)地球內(nèi)部的密度差異、磁化率差異、速度差異以及導(dǎo)電性差異等，分別對(duì)應(yīng)重力勘探、磁法勘探、地震勘探以及電法勘探這些常用的地球物理探測(cè)方法。其中，重力、磁法和電法方法考慮地下介質(zhì)的整體效應(yīng)，而地震方法主要針對(duì)速度、密度結(jié)構(gòu)變化的突變界面，且具有更高的分辨率。
那么這些物理屬性差異怎么跟地球深部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來呢？首先我們需要將深部構(gòu)造的地質(zhì)問題轉(zhuǎn)化成地球物理模型，在這些模型中，地質(zhì)現(xiàn)象將被上述物理屬性所表征。聯(lián)系上述地質(zhì)與地球物理問題的紐帶就是巖石物性。我們的地球由各種各樣的巖石以及包含在巖石中的流體所組成，每一種巖石，包括每種巖石在特定的溫度、壓力條件下都有其對(duì)應(yīng)的物理屬性參數(shù)，這是地球物理方法用于區(qū)分不同介質(zhì)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，這些物理屬性并不是一一對(duì)應(yīng)的，同樣的物理屬性可能代表不同的巖石以及不同狀態(tài)下的不同巖石，這就是地球物理探測(cè)多解性的根源，因此需要結(jié)合多種地球物理探方法進(jìn)行判斷，多數(shù)時(shí)候還需結(jié)合地質(zhì)以及地球化學(xué)資料來進(jìn)行判斷。
疑難雜癥，我們都能看
首先，深部地球物理研究認(rèn)識(shí)地球的圈層結(jié)構(gòu)。目前流行的地球模型是將其分為三個(gè)基本圈層：地殼、地幔和地核。這個(gè)三個(gè)基本圈層又可以進(jìn)一步細(xì)分，如地殼可分為上地殼(縱波速度，Vp=5.9~6.3km/s)、中地殼(Vp=6.4~6.7km/s)和下地殼(Vp=6.8~7.6km/s)，且其具有明顯的物性差異。總體上，地球內(nèi)部隨著深部的變化，其物理屬性參數(shù)呈現(xiàn)遞變變化，但又存在明顯的屬性突變界面（圖2 ），如莫霍面，地球化學(xué)研究認(rèn)為其為巖石的相變界面，在地球物理上主要變現(xiàn)為速度和密度的突變界面，其速度突變到8km/s以上，密度突變到3g/cm3以上。與此同時(shí)，還存在明顯殼內(nèi)低初速層(Vp<6km /s)和殼內(nèi)高導(dǎo)層，且通常具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。在這些物理屬性突變界面通常能夠觀察到明顯的地球物理異常（圖3 ），其中電法和地震法縱向上比較敏感（深度方向），其異常明顯，而重磁方法則不容易觀測(cè)出深度方向的物性變化。我們將這些觀測(cè)異常與巖石物理屬性結(jié)合起來，就可以解釋地球內(nèi)部的圈層的變化特征了。
圖2 地球不同深度的物理屬性
圖3 圈層結(jié)構(gòu)地球物理異常示意圖
同時(shí)，深部地球物理聚焦于地球的橫向不均勻性。研究表明，我們的地球并非完全的圈層結(jié)構(gòu)，同一圈層在橫向上物質(zhì)組分、狀態(tài)也會(huì)存在差異，就像我們的地表既有高山平原，又有江河湖海一樣，這種明顯的差異反映了地球的演化過程。我們常討論的板塊的運(yùn)動(dòng)就是一種橫向不均勻性，不同的板塊具有不同的演化歷史和物質(zhì)組分，當(dāng)其在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中拼貼在一起時(shí)，其縫合線兩側(cè)具有明顯的物性差異。最明顯的就是大陸板塊和大洋板塊的界限，后者通常呈楔狀插入到大陸板塊之下。大洋地殼通常為硅鎂質(zhì)地殼，其速度和密度相對(duì)于大陸的硅鋁質(zhì)地殼要高，兩者存在明顯的物性差異，地球物理方法在跨越不同地體兩側(cè)進(jìn)行勘測(cè)過程中，會(huì)得到明顯的觀測(cè)異常（圖4 ）。
圖4 不同塊體拼合的地球物理異常示意圖
另外，深部地球物理還會(huì)討論深部局部異常。局部異常也是地球內(nèi)部演化的產(chǎn)物，以一個(gè)深部巖漿囊來舉例說明，巖漿囊主要是一些熔融物質(zhì)，通常來自于可能更深層，其密度和速度通常高于周圍的巖石，且可能具有磁性，其導(dǎo)電性一般較差，因此表現(xiàn)為高速、高密度、高電阻率、高磁性的異常體。在地球物理探測(cè)中，每一種方法都是針對(duì)其中的某類屬性，得到這種屬性的剖面圖或者曲線圖（圖5）。
圖5 局部異常的地球物理響應(yīng)示意圖
上述過程講的是地球物理正問題，即什么樣的地球深部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)什么樣的地球物理異常。而我們地球物理研究地球深部結(jié)構(gòu)則是反問題，即通過觀測(cè)異常推斷深部結(jié)構(gòu)。這就需要我們綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)，將觀測(cè)到的地球物理異常結(jié)合地質(zhì)與地球化學(xué)資料進(jìn)行綜合分析。同時(shí)，還需要提高對(duì)地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)的利用率，使得觀測(cè)異常轉(zhuǎn)化為直觀與精確。
目前，我國(guó)給地球做CT，讓地球成為“透明地球”，不僅有地震層析成像法，還有電磁波層析成像法，不僅應(yīng)用于石油天然氣等能源礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，而且還應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)、水汽礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域，為我國(guó)礦業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。
