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2015-12-01談談「古氏」與「雷氏」不連續面
552 期
Author 作者
龔慧貞／成大地球科學系副教授，專長為高壓實驗，研究地球內部物質在地球內部條件下的物理及化學性質行為。
若人在事件上有重要影響或重要發現時，我們習慣將此事件發現或發明冠上此人的姓氏，例如：「阿基米德」原理或「希格斯」玻色子等。在地球科學領域裡也有許多諸如此類的例子，如「莫氏」不連續面，是以克羅埃西亞籍的地震學家莫霍洛維奇（Andrija Mohorovičić）命名，代表地球內部被觀察到最淺的速度不連續面，它在「大陸地殼」區的平均深度為30~40公里處，在「海洋地殼」區則不到10公里深。
然而，筆者發現現行的國高中「地球科學」課本、大學地球科學相關科系的教科書或網站內容中，多將「核幔邊界」及「外-內核邊界」分別以「古氏不連續面（Gutenberg discontinuity）」及「雷氏不連續面（Lehmann discontinuity）」為名，此實非一般地震及地球物理學者討論時所用。為釐清「基礎教育」與「學術界」慣用之差異，故筆者欲藉此文說明「古氏」及「雷氏」不連續面的深度所在問題。
地球內部的不連續面
若是談到「固體地球」，不免會提起地球內部有如洋蔥狀的結構。這些層與層之間的界面在地球內部稱為「不連續面（Discontinuity）」。然而，地球內為什麼會形成界面？主因是這些界面上、下的地球物質密度改變量極大，導致震波在界面的傳播速度有明顯且不連續的變化。
物質密度在界面呈現急遽改變的原因可能有：（1）物質成分改變（核-函或核-幔邊界），如固態的矽酸鹽及氧化物變為熔融狀態的鐵鎳合金；（2）物質狀態改變，地核中的鐵鎳合金自外核到內核從流體變成固體；（3）物質結晶結構狀態改變，如地函（地幔）中的不連續面，因矽酸鹽礦物「橄欖石」在不同深度受到不同溫度、壓力影響而產生一系列晶體結構改變或化學成份分解所造成。這些物質變化在地球內部的不同深度形成所謂的速度不連續面（帶），分別位於400（或410）、670、2890（核-函邊界）以及5149公里（外核-內核邊界）。
學術與教學上的名稱差異
當筆者還在國外讀書、工作時,在學術討論上對前段所提及的幾個不連續面皆以「410公里」、「670公里」、「核 - 函邊界(core-mantle boundary)」、「外 - 內核邊界(outer-inner core boundary)」為意見交流時所使用的名詞，而非國內教材將「核幔邊界」及「外 - 內核邊界」稱為「古氏」不連續面及「雷氏」不連續面。
但若回溯探討地球內部構造模型的重要地球物理或地震科學文獻，則會發現並無此描述。倒是在 1980年代之後所發表的地球內部構造文獻中，將較淺的上部地函（即410 公里深以上）所觀察到的震波速異常帶，分別在50~180公里及平均220公里處被冠上「古氏」及「雷氏」不連續面。顯然，非地震學家與地球物理／地震學者之間，對於地球內部不連續面（帶）被冠上「古氏」及「雷氏」之稱的認知並不相同。
早年布倫（K. E. Bullen）以傑佛里斯（J. H. Jeffreys）所得到的波速- 深度關係 ，把地球內部分為A~G（圖一）。但此之前，古騰堡（Beno Gutenberg）及雷曼（Inge Lehmann）已分別於1914 和1936 年時確認「核函邊界」的深度及提出「固態內核」的理論。直到 1981年，哈佛大學茨翁斯基（A. Dziewonski）和加州理工大學安德生（D. Anderson）教授匯集大量地震波地球物理觀測資料及精進的分析方法後，發表描述地球一維內部構造模型（PREM model）。根據這些地球物理資料，地球內部以400（或410）、670、2890、5149公里深的震波速度不連續帶區分為：上部地函、過渡帶、下部地函、外核及內核，「過渡帶」被定義在410到670公里深， 「核函邊界」為2890 公里處，「外- 內核邊界」則在5149 公里（圖二）。截自此時，這些指標的文獻皆未將「核函邊界」及「外-內核邊界」冠上「古氏」及「雷氏」不連續面之稱。
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圖一：1947 年布倫發表的地球內部構造簡述。
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圖二：地球的不連續面。
「古氏」及「雷氏」之名究竟從何而來？
第一次在書面文獻上將「核函邊界」及「外- 內核邊界」稱為「古氏」及「雷氏」不連續面的確切時間，似乎已不可考。筆者所能尋獲的英文書面資料中，將核函邊界稱為「古氏」不連續面者，有美國地質學會出版之第五版《地質辭典（Glossary of Geology）》及培生（Pearson） 出版之第八版《地球系統 : 物理地理學導論（Geosystems: An Introduction to Physical Geography）》。但這兩份書面資料並未指出任何來源。
若以中英文關鍵字（古氏不連續面、Gutenberg discontinuity）在網路上搜尋，搜尋結果大概除了地球物理及地震學的科學文獻外，皆將「核函邊界」稱為「古氏」不連續面，甚至有些美國大學地科系的英文教材也是如此！「雷氏」不連續面的搜尋結果則比較有趣，在上述所提及的地質辭典對其定義的深度（200~250公里處）與地球物理／地震學文獻一致。中文網站幾乎都將「外-內核」邊界稱為「雷氏」不連續面，而在英文網站對於兩種說法則是各佔一半。
如前所提，「古氏」及「雷氏」不連續面之名詞，約從1980年左右開始出現於地球物理或地震科學文獻。地震學文獻中第一次使用「雷氏不連續面」這個名詞應是加州理工大學安德生教授（D. L. Anderson） 在1979年所發表的文章中， 他將雷曼於1959、1961年的文獻裡所提及之深度150~220公里的波速異常區域，稱之為「雷氏」不連續帶；而「古氏」不連續面明確在地震學文獻中被提到，應是1991 年時芮蒙納（J. Revenaugh）及喬丹（T. H. Jordan）將古騰堡於1948 年撰寫之文章中，所討論的50~150 公里深處的波速異常區域，稱為「古氏」不連續帶。
古騰堡與雷曼的貢獻
為何1980年後，地球物理或地震學家會把「古氏」及「雷氏」的名字冠在較淺的速度異常區？這或許可在芮蒙納及喬丹於 1991 年發表其專論「上部地函」之文章中見到端倪。文章內容指出，這些在400公里以上區域所偵測到的波速異常帶皆以著名的地震學家命名：海斯（A. L. Hales）、古騰堡及雷曼（圖三）。原因為以上三位學者皆觀察到這些波速異常區，並著文專門探討其波速異常機制。自此地球物理、地震學及實驗學（即礦物物理學）學者在討論淺層不連續面成因時，皆傾向於使用芮蒙納及喬丹的定義。
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圖三：上部地函淺層不連續面。（改自Revenaugh & Jordan, 1991）
由上述可知，古騰堡及雷曼在研究地球內部構造時，在深部或較淺處都有極大的貢獻。顯然在地球科學不同領域裡對「不連續面」的命名，會因考量不同而有所差異。
從地震學歷史文獻顯示，第一個「看」到地核的人並不是古騰堡，而是奧爾德姆 （R. Oldham）。他分別在1900及1906年的文章中已相繼指出地核的存在，但當時奧爾德姆是將「核函」不連續面置於深度3900公里處。直到1914年古騰堡才重新將此界面深度定於2900公里深，與現今地球物理界常用的PREM模型只有10公里的差別，就當時的資料及技術而言是相當精確的。
至於「外-內核」不連續面，雷曼在其1936年的著作中提出地核有「固態核」，是提出固態內核理論的第一人。但確認「固態內核」存在的研究工作，卻往後延續了將近四、五十年。包括了1950年代實驗學的間接證據及1970、1980年代詳細的地震波資料才確立了地核的外- 內核結構（詳見D. L. Anderson 2007 年著書《New theory of the Earth》第十章）。由此可知地球科學家們對於地核內的不連續面的認識，從發現到確定其深度其實是累積了許多長久努力的結果。但是否因為在這樣的研究歷史的演變中，使地球物理及地震學家長久以來沒將「核-函」及「外-內核」不連續面直接冠上「古氏」及「雷氏」的名字，就不得而知了。
無論「古氏」或「雷氏」不連續面代表哪個深度的界面，都是地球科學不同領域對古騰堡及雷曼二人在地球內部構造研究的肯定。當談到固體地球，則免不了提及內部地震波速度不連續面的知識。然而，修習地球物理、地震學與地球內部構造有關的大學生或研究生會發現，他們會因中學所學的名詞與學術界所慣用名詞有所差異而產生困擾。故筆者欲藉此文說明「古氏」及「雷氏」不連續面的深度問題，希望能給予對於地球內部構造有興趣的讀者有更深入的認識。也希望此文能對地球科學教育工作者了解此二不連續面所在深度在「基礎教育」與「學術界」的差異，並希望對於課堂講解有所幫助。若為消除名詞所造成的差異與困擾，未來有可能在編排國高中地科教材時，直接使用1980 年後地球物理或地震學上有明確文獻紀錄的冠名。
延伸閱讀
1. Birch, F., Elasticity and constitution of the Earth's interior, Journal of Geophysical Research, Vol. 57: 227-286, 1952.
2. Dziewonski, A. M. and Anderson, D. L., Preliminary reference Earth model, Physics of the Earth and Planetary Interior, Vol. 25: 297-356, 1981.
3. Revenaugh, J. and Jordan, T. H., Mantle layering from ScS reverberation: 3. The upper mantle, Journal of Geophysical Research, Vol. 96: 19781-19810, 1991.