地球内部结构既看不见，也摸不着，但地震、火山、板块运动、地幔对流这些过程，却都与它息息相关。那么，科学家究竟凭什么讨论地球深部结构，并由此为地震震源性质、变形机制以及演化过程等问题？答案是：他们先努力建立了一套尽可能统一、可靠、可比较的“地球参考模型”。中国地质大学（武汉）郑勇团队系统梳理了地球参考模型从早期分层认识，到PREM模型建立，再到三维模型发展的关键历程。这不仅是一部模型演化史，也是一条人类不断逼近地球内部真实图像的探索之路。相关文章发表在《中国科学：地球科学》2026年第3期。

地球内部为什么要有一张“标准像”？

地球内部结构看不见、摸不着，但地震、火山、板块运动、地幔对流这些过程，全都和它直接相关。问题在于，科学家在讨论这些现象时，不能只靠零散观测，而必须先有一套尽可能统一、可靠、可比较的“地球参考模型”。它就像一张标准底图，让不同研究能够放在同一把尺子下比较。

郑勇团队在《中国科学：地球科学》发表的经典解读文章，系统梳理了地球参考模型从早期分层认识，到PREM建立，再到三维模型发展的关键历程。文章真正精彩的地方，不只是回顾模型演化，更是讲清楚了“为什么需要参考模型，它是怎样一步步建立起来的”。

如图1所示，地球介质的性质决定了地球在各种加载作用下会产生怎样的响应。换句话说，想解释地震波如何传播、板块为什么运动、深部物质怎样对流，就必须先知道地球内部介质大致是什么样。也正因为如此，地球参考模型从来不是边缘工具，而是地球科学研究的基础支撑。

图1 地球介质模型决定地球对各种加载的响应

从“地球有几层”到“建立统一标准”

19世纪末以来，科学家通过地震观测逐步识别出地核、莫霍面、核幔边界和内核等关键界面，逐渐揭示了地球内部的分层框架。但早期模型往往只适用于某一类数据或某一段深度范围，不同模型之间也常常存在差异。

图2就反映了这种早期困境。像1066A模型和Jeffreys-Bullen模型，在上地幔、内核以及主要边界附近并不完全一致。对科学研究来说，这会带来很现实的问题：不同研究用不同模型，结果就难以比较；如果把不同模型的参数拼在一起，结论又很难自洽。于是，建立统一参考模型就不再是“锦上添花”，而成了整个领域继续向前推进的必要条件。

图2 早期地球模型之间存在明显差异

PREM为什么能成为里程碑？

1981年发布的PREM地球模型，正是对这一需求的经典回应。它的重要性，不只是“出现得早”，而在于它第一次系统地将地球内部当成一个整体来描述。在这个模型里，研究者不仅划分了从地表到地心的多个圈层，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。正因为参数体系完整，PREM才真正成为一个可以被广泛采用的标准参考模型。

更关键的是，PREM的成功背后有一套非常成熟的研究策略。作者并没有把自由振荡、面波、体波以及天文和大地测量数据简单叠加，而是根据不同数据对不同深度的敏感性进行组合约束；面对复杂结构，则采用逐层剥离、逐步反演的思路，从浅部到深部稳步推进；对衰减和各向异性这些过去容易被忽略的因素，也一并纳入模型框架。PREM之所以经典，不只是因为结果好用，更因为它展示了如何处理一个复杂系统的研究思路。

图3展示了PREM与后续iasp91、AK135模型之间的关系。它们并不是简单替代，而更像是在同一基础上的不断细化和互补。后续模型在浅部结构和体波走时拟合等方面做得更精细，而PREM在衰减和各向异性方面仍然具有独特价值。这也是为什么几十年过去，PREM依然是很多研究中的默认基准。

图3 PREM、iasp91和AK135等一维模型的对比

从一维走向三维

如果说PREM回答的是“平均意义上的地球内部是什么样”，那么三维模型开始回答的，就是“不同地方到底有什么不同”。随着全球地震台站越来越密、观测资料越来越丰富、反演方法持续进步，科学家开始把地球参考模型从一维推进到三维。

图4展示了这种跨越的意义。当地幔内部不再只用一条平均速度曲线来描述，许多关键的空间差异就能被识别出来，例如俯冲带相关异常、深部高速和低速结构，以及不同深度范围内更复杂的速度变化模式。对于地震学、构造地质学和地球动力学来说，这意味着地下“画像”第一次真正开始接近真实。

图4 地幔三维模型分辨率提升后的结构对比

图5则把这种进展进一步推进到地壳和岩石圈尺度。像Lith1.0这样的模型，不再只关心单一速度参数，而是把地壳厚度、岩石圈结构等信息整合进统一框架。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，这类模型都具有非常重要的基础意义。

图5 Crust1.0和Lith1.0展示的地壳与岩石圈厚度分布

模型建立历程中的科学逻辑更重要

这篇文章最有价值的地方，不只是帮读者记住几个模型名字和年代，而是讲清楚了背后的科学逻辑。它让人看到，地球参考模型的发展并不是一次性完成的，而是在长期积累中不断修正、不断统一、不断提高分辨率的过程。从先发现关键界面，再建立初步结构；从统一的一维模型，到越来越精细的三维模型，这条发展脉络本身就是现代地球科学建立起来的过程。

更进一步说，PREM等经典模型也给出了一个很重要的科研启发：面对复杂系统，不能指望一步解决所有问题，而要先抓住关键参数，明确哪些信息最重要、哪些矛盾最需要优先处理，最终在合理简化中建立可用标准。这也是为什么地球参考模型的影响，早已超出“模型”本身。

未来，“地球底图”还会继续更新

今天，密集台阵、高分辨率成像和人工智能等新技术，正在继续推动地球参考模型升级。未来的目标，已经不仅是建立更好的局部模型，而是进一步发展从地心到地表、跨圈层耦合的全球高分辨率三维参考模型。可以说，地球参考模型的发展史，就是人类不断提高“看见地球内部”能力的历史。

对于普通读者来说，这篇经典解读提醒我们：科学家之所以能讨论地震、火山、板块和深部动力学，是因为在这些热点问题背后，总有人长期做着一项更基础、也更艰难的工作，那就是为整个地球科学建立一张可信的“标准像”。而这张“标准像”的不断更新，也正在持续拓展我们理解地球的边界。

文章出版信息：

郑勇, 刘德川, 马恒. 2026. 地球参考模型的诞生与发展. 中国科学: 地球科学, 56(3): 1213–1220

内容来自：《中国科学》杂志社