地球的圈層構造

從花蓮的地震波，讀出兩千多公里下的祕密

2024年4月3日清晨，花蓮外海發生規模 7.2 的強震，全台搖晃。對居民而言，那是天搖地動的恐懼；但對地球科學家而言，那一刻釋放出的地震波(seismic wave)，其實是一封來自地球深處的「信件」。我們無法把鏟子挖到兩千多公里深，人類目前最深的鑽井(科拉超深鑽孔)也只達到約 12 公里，連地殼都還沒鑽穿。那麼，我們究竟是怎麼知道地球內部分成地殼、地函、地核的？

答案是：每一次地震，地震波都會穿過地球內部，像醫院的超音波或電腦斷層(CT)一樣，把不同深度物質的「軟硬」與「狀態」轉譯成波速的變化。台灣正好位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界，地震頻繁，密布的地震測站每天都在替我們「掃描」腳下的世界。這篇文章，就讓我們順著地震波的路徑，一層一層往地心走。

兩種分層方式：別把「成分」和「狀態」搞混

談地球內部最常見的迷思，就是把兩套分層系統混為一談。地球的圈層其實有兩種互相獨立的劃分方式，分別依據不同的物理性質：

第一種：依「化學成分」分層——分成地殼(crust)、地函(mantle)、地核(core)。這是依組成元素與礦物的不同來劃分。

第二種：依「力學性質(是否容易流動變形)」分層——分成岩石圈(lithosphere)、軟流圈(asthenosphere)、中間圈(mesosphere)、外核、內核。這是依物質在受力時「硬而易碎」或「軟而能緩慢流動」來劃分。

關鍵在於：岩石圈並不等於地殼。岩石圈包含了地殼加上最上部那一層較冷、較硬的地函；而軟流圈則完全位在地函之內。也就是說，板塊運動所搬動的「板塊(plate)」，指的是岩石圈板塊，它由地殼與上部地函共同組成，而不是只有地殼。理解這一點，是讀懂後面所有內容的前提。

地殼、地函、地核：成分的三層蛋糕

依成分劃分，由外而內是：

地殼(crust)：地球最薄的外皮。海洋地殼平均厚約 5–10 公里，主要由較重的玄武岩(basalt)構成；大陸地殼平均厚約 30–40 公里，在高山下方可厚達 70 公里，主要由較輕的花崗岩質(granitic)岩石構成。地殼只佔地球體積不到 1%。

地函(mantle)：從地殼底部一直延伸到約 2900 公里深，佔了地球體積約 84%，是地球的主體。地函主要由富含鐵、鎂的矽酸鹽礦物(如橄欖石 olivine、輝石 pyroxene)構成。這裡要破除另一個常見迷思：地函絕大部分是固態的岩石，不是岩漿(magma)。它的溫度雖高(從上部約 1000°C 到底部超過 3500°C)，但因為壓力極大，使礦物維持固態。地函能「流動」，是指它在數百萬年的尺度上像極黏稠的瀝青一樣緩慢對流(convection)，而不是像水或岩漿那樣到處流。

地核(core)：從約 2900 公里深直達地心(約 6371 公里)，主要由鐵與鎳組成。地核又分為液態的外核(outer core)與固態的內核(inner core)，這個區別後面會用地震波證明。

莫氏不連續面：地殼與地函的分界線

1909 年，克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇(Andrija Mohorovičić)在分析一次地震紀錄時發現：地震波在某個深度會突然加速。他推論這代表物質性質在該深度發生劇烈改變——這就是地殼與地函的界面，後人稱為莫氏不連續面(Mohorovičić discontinuity)，簡稱莫荷面(Moho)。

莫荷面之所以能被「看見」，正因為地震波速與介質密度、剛性有關。當波從較疏鬆的地殼進入較緻密的地函，波速會明顯跳升(P 波速度大約從每秒 6–7 公里跳到約 8 公里)。這種「波速不連續」就是內部分層的指紋。同樣地，地函與地核的交界(深約 2900 公里)有古氏不連續面(Gutenberg discontinuity)，而外核與內核之間則有雷氏不連續面(Lehmann discontinuity)。

地震波：探照地心的兩種光

地震發生時會產生兩種主要的體波(body wave)，它們的行為差異是解讀地球內部的核心工具：

P 波(P-wave，初達波/縱波)：質點振動方向與波前進方向平行(壓縮—疏張)，速度最快，因此最先抵達。最關鍵的是：P 波可以通過固體、液體與氣體。

S 波(S-wave，次達波/橫波)：質點振動方向與波前進方向垂直(剪切振動)，速度較慢。決定性的特徵是：S 波無法通過液體。因為液體沒有抵抗剪切變形的剛性(剛性模數 $\mu = 0$)，剪切波無法在其中傳播。

波速與介質性質的關係可寫成：

$$v_P = \sqrt{\frac{K + \frac{4}{3}\mu}{\rho}}, \qquad v_S = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}}$$

其中 $K$ 為體積模數(bulk modulus)、$\mu$ 為剪切模數(shear modulus)、$\rho$ 為密度。當 $\mu = 0$(液體)時，$v_S = 0$——S 波直接消失。這條簡單的公式，正是後面證明「外核為液態」的鑰匙。

看一個例子：用 P 波與 S 波的時間差估算震央距離

地震波的這些性質不只用來探測深層構造，也是日常定位震央的基礎。因為 P 波比 S 波快，兩者抵達同一測站的時間差(稱為 S-P 時間)會隨距離拉長。

假設某測站量到 P 波先到、S 波在 8 秒後才到。若該地區 P 波平均速度約 $v_P = 6.0$ km/s、S 波約 $v_S = 3.5$ km/s，設震央距離為 $d$，則：

$$\Delta t = \frac{d}{v_S} - \frac{d}{v_P} = d\left(\frac{1}{3.5} - \frac{1}{6.0}\right)$$

代入 $\Delta t = 8$ 秒：

$$8 = d\,(0.2857 - 0.1667) = d \times 0.1190$$

$$d = \frac{8}{0.1190} \approx 67 \text{ 公里}$$

這就是「越早收到、震央越近」的量化版本。當至少三個測站各自算出距離後，以各測站為圓心、距離為半徑畫圓，三圓交點即為震央——這就是台灣中央氣象署能在地震發生後數十秒內定位並發布地震速報的原理。順帶一提，芮氏規模(Richter magnitude)也建立在波的振幅上，其形式為 $M = \log_{10} A - \log_{10} A_0$，每增加 1 級，振幅約增為 10 倍、能量約增為 $10^{1.5} \approx 32$ 倍。

密度與成分分層：為什麼鐵會沉到中心？

為什麼地球會分成這樣的層次？根本原因是密度差異與重力分選。地球早期曾因頻繁撞擊與放射性元素衰變而部分熔融，在這種「鐵災變(iron catastrophe)」時期，較重的鐵、鎳因密度大而向中心沉降，形成地核；較輕的矽酸鹽則上浮形成地函與地殼。這個過程稱為行星分化(planetary differentiation)。

我們可以用平均密度來驗證這個圖像。地球的整體平均密度約為 $5.5\ \mathrm{g/cm^3}$，但我們腳下的地殼岩石密度只有約 $2.7\ \mathrm{g/cm^3}$。既然表面這麼輕，整體平均卻這麼重，就代表內部一定藏著密度遠高於 5.5 的物質——地核的密度估計高達 $10\text{–}13\ \mathrm{g/cm^3}$，正好與「鐵鎳核心」相符。地球科學就是這樣用一個簡單的平均，反推出看不見的內部結構。

值得一提的是，岩石圈板塊之所以會在隱沒帶(subduction zone)下沉，並不是因為它「浮不住」掉進岩漿，而是因為較老、較冷的海洋岩石圈密度略高於下方溫熱的軟流圈，於是緩慢地隱沒拉動整個板塊。台灣東部的花東縱谷，正是菲律賓海板塊與歐亞板塊碰撞、岩石圈相互推擠的縫合帶。

重點回顧

• 地球有兩套分層系統：依成分分地殼／地函／地核；依力學性質分岩石圈／軟流圈／中間圈／外核／內核。岩石圈 = 地殼 + 上部硬地函，並不等於地殼。
• 地函絕大部分是固態岩石，能在百萬年尺度上緩慢對流，不是岩漿；板塊「浮在岩漿上」是錯誤觀念。
• 莫氏不連續面(Moho) 是地殼與地函的界線，由地震波速突然加快被偵測出來。
• P 波可穿過固體與液體，S 波只能穿過固體($v_S = \sqrt{\mu/\rho}$，液體 $\mu=0$ 則 S 波消失)。這是探測地球內部狀態的關鍵。
• 地球平均密度 $5.5\ \mathrm{g/cm^3}$ 遠高於地殼岩石，證明內部有高密度的鐵鎳地核，源於早期的行星分化。

深入探討（研究所視角）

折射、反射與「陰影區」如何揭露核—函界面

地震波在穿越地球時並非走直線。由於地函內波速隨深度漸增，根據司乃耳定律(Snell's law) $\frac{\sin\theta_1}{v_1} = \frac{\sin\theta_2}{v_2}$，波路徑會持續折射(refraction)而向上彎曲，呈現弧形。當波遇到性質劇變的界面，則會同時發生反射(reflection)與折射，產生多種震相(seismic phase)。

最有力的證據來自所謂的P 波陰影區(P-wave shadow zone)。觀測發現，在距震源約 103° 到 143° 的角度範圍內，地表測站幾乎收不到直接的 P 波。這個現象只能用一種模型解釋：地球內部在約 2900 公里深處存在一個波速驟降的界面——當 P 波從高速的地函下方進入低速的外核，依司乃耳定律會被大角度向內折射，使得本應抵達 103°–143° 區間的波路徑被「彎開」，形成沒有直達 P 波的陰影帶。這個界面，就是古氏不連續面，也就是核—函邊界(core-mantle boundary, CMB)。陰影區的角度範圍，反過來可用來精確反演核的半徑。

外核為液態的決定性證據：S 波陰影區

如果說 P 波陰影區揭露了核的存在，那麼S 波的全面缺席則揭露了核的狀態。觀測顯示：在距震源超過約 103° 的整個對側半球，地表完全收不到直接穿過地核的 S 波——這是一個範圍遠大於 P 波陰影區的S 波陰影區(S-wave shadow zone)。

這個現象只有一種解釋：S 波在抵達外核時被完全攔截，無法繼續傳播。回到前面的公式 $v_S = \sqrt{\mu/\rho}$：剪切波需要介質具備抵抗剪切變形的剛性 $\mu$；液體的 $\mu = 0$，因此 $v_S = 0$，S 波在液體中根本不存在。S 波到了外核就「斷在門口」，正是外核為液態的決定性證據。地球科學家因此能斷言：那層厚約 2200 公里、由熔融鐵鎳組成的外核，是液態的。

而液態外核的存在絕非僅是學術細節：它是地球磁場的發電機。熔融的導電鐵鎳在自轉與熱對流驅動下流動，依發電機理論(geodynamo) 產生並維持地球磁場，為地表生命屏蔽宇宙高能粒子。

內核：在液態之中重新出現的固體

1936 年，丹麥地震學家英格·雷曼(Inge Lehmann)注意到，在本應一片寂靜的 P 波陰影區內，竟仍有微弱的 P 波訊號。她推論：外核之內必定還有一個固態的內核，將部分穿入的 P 波反射或折射回地表。這個界面即雷氏不連續面。

內核同樣由鐵鎳組成，但儘管溫度高達約 5000°C 以上，極端的壓力(超過 $3.6 \times 10^{11}$ Pa)仍將其壓成固態。內核也並非靜止：研究指出它可能以與地函略有差異的速度自轉(差異自轉, differential rotation)，且其結晶結構具有地震波速的各向異性(anisotropy)——沿地球自轉軸方向傳播的 P 波，比沿赤道方向略快，暗示內核鐵晶體存在優選排列方向。近年更有研究提出內核自轉可能正在減速甚至反轉，至今仍是地球深部動力學的前沿課題。

連結到板塊構造與台灣

回到地表：地函對流是驅動板塊運動的引擎，而板塊在隱沒帶下沉的「冷板塊(slab)」可被地震波層析成像(seismic tomography)追蹤，有些甚至一路沉到核—函邊界。台灣正是這套全球系統的縮影——菲律賓海板塊以每年約 8 公分的速度向西北推擠歐亞板塊，造就了台灣島的快速隆升、頻繁的地震，以及供我們「掃描」地心的源源不絕的地震波。下次再讀到一則地震速報時，不妨想想：那串看似可怕的波，其實也是地球持續向我們透露自身結構的訊息。