地震波

地震波

地震波是指從震源產生向四外輻射的彈性波。地震發生時,震源區的介質發生急速的破裂和運動,這種擾動構成一個波源。由于地球介質的連續性,這種波動就向地球內部及表層各處傳播開去,形成了連續介質中的彈性波。是三字地質學術語,在中國地質和地球科學和地震學上都有專門術語研究。

  • 中文名稱
    地震波
  • 外文名稱
    seismic waves
  • 原理
    震源區的介質發生震動構成波源
  • 傳播介質
    地球介質
  • 傳播方式
    縱波、橫波和面波
  • 種類
    實體波、表面波
  • 測量儀器
    地震儀、檢波器

​基本介紹

地震波是指從震源產生向四外輻射的彈性波。地球內部存在著地震波速度突變的基幹介面、莫霍面和古登堡面,將地球內部分為地殼、地幔和地核三個圈層。

發生原因

英文seismic wave.地震震源發出的在地球介質中傳播的彈性波。地球內部存在著地震波速度突變的基幹介面、莫霍面和古登堡面,將地球內部分為地殼、地幔和地核三個圈層。地震震源發出的在地球介質中傳播的彈性波。地震發生時,震源區的介質發生急速的破裂和運動,這種擾動構成一個波源。由于地球介質的連續性,這種波動就向地球內部及表層各處傳播開去,形成了連續介質中的彈性波。

地震波按傳播方式分為三種類型:縱波、橫波和面波。縱波是推進波,地殼中傳播速度為5.5~7千米/秒,最先到達震中,又稱P波,它使地面發生上下振動,破壞性較弱。橫波是剪下波:在地殼中的傳播速度為3.2~4.0千米/秒,第二個到達震中,又稱S波,它使地面發生前後、左右抖動,破壞性較強。面波又稱L波,是由縱波與橫波在地表相遇後激發產生的混合波。其波長大、振幅強,隻能沿地表面傳播,是造成建築物強烈破壞的主要因素。

震波介紹

我們最熟悉的波動是觀察到的水波。當向池塘裏扔一塊石頭時水面被擾亂,以石頭入水處為中心有波紋向外擴展。這個波列是水波附近的水的顆粒運動造成的。然而水並沒有朝著水波傳播的方向流;如果水面浮著一個軟木塞,它將上下跳動,但並不會從原來位置移走。這個擾動由水粒的簡單前後運動連續地傳下去,從一個顆粒把運動傳給更前面的顆粒。這樣,水波攜帶石擊打破的水面的能量向池邊運移並在岸邊激起浪花。地震運動與此相當類似。我們感受到的搖動就是由地震波的能量產生的彈性岩石的震動。

假設一彈性體,如岩石,受到打擊,會產生兩類彈性波從源向外傳播。第一類波的物理特徵恰如聲波。聲波,乃至超音波,都是在空氣裏由交替的擠壓(推)和擴張(拉)而傳遞。因為液體、氣體和固體岩石一樣能夠被壓縮,同樣類型的波能在水體如海洋和湖泊及固體地球中穿過。在地震時,這種類型的波從斷裂處以同等速度向所有方向外傳,交替地擠壓和拉張它們穿過的岩石,其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向後運動,換句話說,這些顆粒的運動是垂直于波前的。向前和向後的位移量稱為振幅。在地震學中,這種類型的波叫P波,即縱波,它是首先到達的波。

彈性岩石與空氣有所不同,空氣可受壓縮但不能剪下,而彈性物質通過使物體剪下和扭動,可以允許第二類波傳播。地震產生這種第二個到達的波叫S波,即橫波。在S波通過時,岩石的表現與在P波傳播過程中的表現相當不同。因為S波涉及剪下而不是擠壓,使岩石顆粒的運動橫過運移方向。這些岩石運動可在一垂直向或水準面裏,它們與光波的橫向運動相似。P和S波同時存在使地震波列成為具有獨特的性質組合,使之不同于光波或聲波的物理表現。因為液體或氣體內不可能發生剪下運動,S波不能在它們中傳播。P和S波這種截然不同的性質可被用來探測地球深部流體帶的存在。

性質介紹

敲擊音叉產生的純音調具有某種頻率。那個頻率表示聲波在一秒鍾內擠壓和擴張的次數,或對水波和其他類型的震動,在一秒鍾內起落的次數。頻率單位以赫表示,寫為Hz,這一個度量單位是為紀念亨利·赫茲而命名的,他是德國物理學家,1887年首次發現電磁波。1赫等于每秒一個旋回的漲落。峰脊之間的時間是波動周期;等于相應的波的頻率的倒數。

人類可以察覺20~20 000赫頻率之間的聲音。一地震的P波可從岩石表面折射到大氣中去,如果其頻率是在聽得見的頻率之內,人耳就可能聽到這個波運行時的轟鳴聲。在波動頻率低于20赫時,人們將感覺到地面振動而聽不到地震波運行的聲音。

簡諧波

最簡單的波是簡諧波,即具有單一頻率和單一振幅的正弦波,如框圖2.1所示。實際地震記錄波形包含著多種波長的波,短波長的波疊加在較長波長的波上,如圖2.10所示。由法國物理學家傅裏葉首次于1822年將復雜的波列定量表達為各種不同頻率和振幅的簡諧波的疊加,如圖2.3所示。較高階的諧波的頻率是最低頻的基波頻率的整數倍。實際記錄的地面運動可用傅裏葉方法,即由電腦分別考察各諧波組分來進行分析

描述參量

波動可用一些特定的參量來描述。考察框圖2.1中以實線畫出的正弦波,它表示時刻t位于x處的質點波動位移為y。假設波的最大幅度為A,波長λ是兩個相鄰波峰之間的距離。

一完整的波(從一個波峰到下一個波峰)走過一個波長的時間稱為周期T。這樣,波速v是波長除以周期。

v =λ/T

波的頻率f,是每秒鍾走過的完整波的數目,所以

f = 1/T

一個波的確實位置取決于它相對于波起始的時間和與起始點的距離,圖中細線描繪的波是第一個波向前面移動一個短距離,稱之為由于這一移動而出現了相移。

波列也可在時間上向前或向後推移,這樣,峰值不再在原來的時間或地點發生。當這些移動的波疊加在一起時形成,復雜的波形,雖然其組合成分在幅度和頻率上完全相同。這個移動的大小是以一個重要的叫“相位”的量來度量的,它是波相對其起始點的距離。我們將看到它在地震對大型建築物結構的破壞上有很大影響

相關性質

帶偏光眼鏡以減弱散射光的人可能熟悉光的偏振現象,隻有S波具有偏振現象。隻有那些在某個特定平面裏橫向振動(上下、水準等)的那些光波能穿過偏光透鏡。傳過的光波稱之為平面偏振光。太陽光穿過大氣是沒有偏振的,即沒有光波振動的優選的橫方向。然而晶體的折射或通過特殊製造的塑膠如偏光眼鏡,可使非偏振光成為平面偏振光。

當S波穿過地球時,他們遇到構造不連續介面時會發生折射或反射,並使其振動方向發生偏振。當發生偏振的S波的岩石顆粒僅在水準面中運動時,稱為SH波。當岩石顆粒在包含波傳播方向的垂直平面裏運動時,這種S波稱為SV波。

大多數岩石,如果不強迫它以太大的幅度振動,具有線性彈性,即由于作用力而產生的變形隨作用力線性變化。這種線性彈性表現稱為服從虎克定律,是以與牛頓同時代的英國數學家羅伯特·虎克(1635~1703年)而命名的。這種線性關系由圖2.2所示的加重物的彈簧伸展來表示。如果重物的質量加倍,線性彈簧的伸展也加倍,如果重物回到原來大小,則彈簧回到原來位置。相似地,地震時岩石將對增大的力按比例地增加變形。在大多數情況下,變形將保持線上彈性範圍,在搖動結束時岩石將回到原來位置。然而在地震事件中有時發生重要的例外表現,例如,當強搖動發生于軟土壤時,會殘留永久的變形,波動變形後並不總能使土壤回到原位,在這種情況下,地震烈度較難預測。我們將在本書後面談到這些關鍵的非線性效果。

彈簧的運動提供了極好的啓示,說明當地震波通過岩石時能量是如何變化的。與彈簧壓縮或伸張有關的能量為彈性勢,與彈簧部件運動有關的能量是動能。任何時間的總能量都是彈性能量和運動能量二者之和。對于理想的彈性介質來說,總能量是一個常數。在最大波幅的位置,能量全部為彈性勢能;當彈簧振蕩到中間平衡位置時,能量全部為動能。我們曾假定沒有摩擦或耗散力存在,所以一旦往復彈性振動開始,它將以同樣幅度持續下去。這當然是一個理想的情況。在地震時,運動的岩石間的摩擦逐漸生熱而耗散一些波動的能量,除非有新的能源加進來,像振動的彈簧一樣,地球的震動將逐漸停息。對地震波能量耗散的測量提供了地球內部非彈性特徵的重要信息,然而除摩擦耗散之外,地震震動隨傳播距離增加而逐漸減弱現象的形成還有其他因素。

由于聲波傳播時其波前面為一擴張的球面,攜帶的聲音隨著距離增加而減弱。與池塘外擴的水波相似,我們觀察到水波的高度或振幅,向外也逐漸減小。波幅減小是因為初始能量傳播越來越廣而產生衰減,這叫幾何擴散。這種類型的擴散也使通過地球岩石的地震波減弱。除非有特殊情況,否則地震波從震源向外傳播得越遠,它們的能量就衰減得越多。

波速介紹

P波和S波的速度

1989年10月17日當洛馬普瑞特地震襲擊時,我在伯克利家中突然感到房屋搖動,我開始計時。10秒鍾後搖動突然變的特別厲害,這表示S波已經到達。P波總是首先從震源來到,因為它們沿同一路徑傳播時比S波速度快。利用波的這一特徵,我可以計算出這個地震的震源在80多千米以外。

P波和S波的實際傳播速度取決于岩石的密度和內在的彈性。對線彈性物質而言,當波與運行方向無關時,波速僅取決于兩個彈性性質,稱為彈性模量:岩石的體積模量k和剪下模量μ。

地震波

當向岩石立方塊表面施加一均勻壓力時,其體積將減小,其單位體積的體積變化作為所需壓力大小的度量,稱為體積模量。當P波穿過地球內部傳播時發生的就是這種類型的變形;因為它隻引起體積變化,所以在流體中也可以發生,與在固體中一樣。通常體積模量越大,P波的速度就越大。

第二種變形類型是,在向岩石立方塊體兩相對的面上施加方向相反的切向力時,這體積方塊將受剪下而變形,而沒有體積變化。同樣,圓柱狀岩心兩頭受大小相等方向相反力扭曲時也發生這種變形。岩石對剪下或扭曲應力的抵抗越大,其剛性就越大。S波通過剪下岩石而傳播,剪下模量給出其速度的量度。通常是剪下模量越大,S波速度就越大。

P波和S波速度的簡單公式在下面給出。這些表達式與已經提到的波的重要性質一致:因為流體的剪下模量是0,剪下波在水中的速度為0,因為兩個彈性模量總是正的,所以P波比S波傳播得快。

因為地球內部的強大壓力,岩石的密度隨深度增大。由于密度在P波和S波速度公式中的分母項上,表面看來,波速度應隨其在地球的深度增加而減小。然而體積模量和剪下模量隨深度而增加,而且比岩石密度增加得更快(但當岩石熔融時,其剪下模量下降至0)。這樣,在我們的地球內部P和S地震波速一般是隨深度而增加的,在第6章中將進一步討論。

雖然某一給定岩石彈性模量是常數,但在一些地質環境裏岩石不同方向上的性質可以顯著變化。這種情況叫各向異性,這時,P波和S波向不同方位傳播時具有不同速度。通過這種各向異性性質的探測,可以提供有關地球內部地質狀況的信息,這是當今廣泛研究的問題。但在以下的討論中將限製在各向同性的情況,絕大多數地震運動屬于這種情況。

彈性模量和波速

均質各向同性的固體可由兩個常數: k和μ來描述其彈性,兩常數都可表示為單位面積的力。

k是體積模量,表示不可壓縮性。

花崗岩:k約為27×1010達因/釐米2;

水:k約為2×1010達因/釐米2。

μ是剪下模量,表示其剛性。

花崗岩:μ約為1.6×1010達因/釐米2;

水:μ為0。

密度為ρ的彈性固體內,可以傳播兩種彈性波。

P波,速度vP =√(k+3/4μ)/ρ。

花崗岩: vP=5.5千米/秒;

水: vP=1.5千米/秒。

S波,速度vS=√μ/ρ。

花崗岩:vS=3.0千米/秒;

水: vS=0千米/秒。

相關介紹

像聲、光或水波一樣,地震波也可在一邊界上反射或折射,但和其他波不同的特點是,當地震波入射到地球內的一反射面時,例如一P波以一角度射向邊介面時,它不但分成一反射的P波和一折射的P波,還要產生一反射S波和折射S波,其原因是,在入射點邊界上的岩石不僅受擠壓,還受剪下。

地震波

換句話說,一入射P波產生4種轉換波。由一種波型到另一種波型的波型增殖也發生于SV波斜入射于內部邊界時,會產生反射和折射的P波和SV波。在這種情況下反射和折射的S波總是SV型,這是因為當入射的SV波到達時岩石質點在一與地面垂直的入射面裏橫向運動。

相反,如果入射的S波是水準偏振的SH型,則質點在垂直于入射平面且平行于邊介面的方向上前後運動,在不連續介面上沒有擠壓或鉛垂方向的變形,這樣不會產生相應的新的P波和SV波,隻有SH型的一個反射波和一折射波。

從物理圖像形象地分析,垂直入射的P波在反射介面上沒有剪下分量,隻有反射的P波,根本沒有反射的SV波或SH波。以上討論的波型轉換的種種限製,在全面理解地面運動的復雜性和解釋地震圖中的地震波各種圖像時是至關重要的。

本書後面要討論到許多特殊的地震效應,它們都能用波的反射和折射完善地加以解釋。例如,考慮一S波從深部震源垂直向上載播到地面。由于在地表入射和反射的波列疊加到一起,因此近地表處波的振幅將加倍,能量則變為4倍。這個預測與許多礦工的經驗是一致的,他們在許多情況下沒有意識到發生了一個強震。

1976年中國唐山破壞性地震就是這種情況。在井下工作的煤礦工人僅感到中等搖動,隻是由于斷電他們才知道發生了問題。但當他們上到地表時,才驚恐地發現整個城市已變為廢墟;這次地震最終造成了24萬人喪失生命。

建築在較厚土壤上的,諸如在沿河流沖積河谷中的沉積物上的建築物,地震時易于遭受嚴重破壞,其原因也是波的放大和增強作用。當我們振動連在一起的兩個彈簧時,弱的彈簧將具有較大的振動幅度。類似地,當S波從地下深處傳上來時,穿過剛性較大的深部岩石到剛性較小的沖積物時,沖積河谷剛性小的軟弱岩石和土壤將使振幅增強4倍或更大,取決于波的頻率和沖積層的厚度。在1989年加利福尼亞的洛馬普瑞特地震時,建在砂上和沖填物上的舊金山濱海區的房屋比附近不遠建在堅固地基上相似的房屋破壞更大。

地震波觀測

地震、地球物理學家和工程師使用地震儀、檢波器(Geophone)來紀錄地震波,早期的儀器使用鍾擺原理和類比信號紀錄地震波,近代的儀器則使用壓電晶體和數位信號處理地震波。地震波在介質改變時會有不同的傳遞速度,並在交介面上產生折射、反射等行為,這些特徵被用來了解地球的內部構造。

地震共振

地震波的反射和折射有時可使地震能量匯集于一地質構造中,如沖積河谷,因為那裏在近地表處有較軟岩石或土壤。稍後將討論的1985年墨西哥城和1989年洛馬普瑞特地震時嚴重破壞的特殊分布區可以用此原因解釋(圖2.7)。其效應與在一個屋子裏面聲波能被牆多次反射形成回音匯集能量一樣。在地震時,P波和S波從遠處傳來,折射入谷地,它們的速度在剛性小的岩石中減低,它們在谷底下傳播直到接近谷邊緣時,部分能量折射回到盆地中。

地震波

這樣,波開始往復傳播,類似池塘中的水波。不同的P波和S波交織,回轉的波峰疊加在射入的波峰上,引起幅度的變化。這時每一疊加波的相位是關鍵,因為當交切的波位相相同時能量會加強。通過這種“正幹涉”,地震能量在某些頻率波段匯集起來。如果沒有波的幾何擴散和摩擦耗散,即振動的岩石和土壤使一些波能轉化為熱,波的幹涉造成的振幅成長真可能造成災難性的後果。

可以從另一種角度去認識在限定的地質構造中地震波的效應。如同在池塘裏看到的交叉水波一樣,幹涉的地震波可產生駐波,表觀上,幹涉波似乎站住不動了,地面似乎純粹作上下震動。同樣地,當弦樂器如豎琴的弦被撥動時,也產生駐波。一般來說,地震時,往往在一河谷或類似的構造中激發許多不同頻率和振幅的P波和S波,松軟土壤能增強在許多頻段上的運動,與音樂中的情況一樣,產生顯著的泛音或高階振型。如果布設足夠的地震波記錄儀器,有時能夠識別出這種泛音。

具體案例

有時大地震可以引起整個地球像鈴一樣振動起來。自18世紀起數學家們分析了一個彈性球的振動。1911年英國數學家勒夫(Love)曾預計,一個像地球同樣大的鋼球將具有周期約一小時的基本振動,並將有周期更小的泛音。然而在勒夫的預言過半個多世紀以後,地震學家對即使是最大的地震是否真具有足夠的能量去搖動地球,並產生深沉的地震音樂仍然沒有把握。不難想象,地震學家們首次觀測到地球自由振蕩時是如何驚喜若狂。

1960年5月智利大地震時,在世界各地當時僅有的少數特長周期的地震儀上,清楚地記錄到極長周期的地震波動持續了許多天,測得的振動最長周期是53分,與勒夫預計的60分相差不多。這些地面運動記錄的分析首次給出了明確的證據,理論上預計的地球的自由振蕩確實被觀測到了。

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