第章地震波 - 中国地震信息网.PDF
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第 2 章 地震波
1964 年复活节前星期五近黄昏时候,一个大地震袭击了阿拉
斯加中南部的威廉王子海湾人烟稀少的山区,地震波从震源通
过地球扩展,引起超过 2 万平方千米范围的严重破坏。在显著
破坏的地区,即极震区内,最大城市是安克雷奇,距震中约 130
千米。
在山边庄园中的公寓住宅里,地质学家约翰·维廉斯(John R. Williams )坐在长沙发上回忆道:“起初我
们觉得房子格格作响。初始摇动可能持续了 5~10 秒钟。第一次摇动后没有任何显著的平静时期,接着就
是从东向西的滚动运动。强滚动几秒钟后,我带着儿子跑到通向门厅的门,我打开门并站在门口,以防它
被挤住打不开。我望着大厅的通路并回顾住房,注意到砖块在墙里相互冲撞,有的崩落掉在街上,有的掉
进住房和大厅里。我带着儿子跑向一辆停放的汽车。我看到建筑物沿东西方向摇摆,石块倒下,土地鼓起,
树和电线杆强烈摇摆,山边庄园的建筑全垮了。”
这一生动的讲述,描绘了一次地震时的运动、震波的持续时间和幅度、波到达的形式,乃至地面运动的方
向。地震波的理论为这一描绘提供完整的认识
2.1 地震纵波和横波
我们最熟悉的波动是观察到的水波。当向池塘里扔一块石头时水面被扰乱,以石头入水处为中心有波纹向
外扩展。这个波列是水波附近的水的颗粒运动造成的。然而水并没有朝着水波传播的方向流;如果水面浮
着一个软木塞,它将上下跳动,但并不会从原来位置移走。这个扰动由水粒的简单前后运动连续地传下去,
从一个颗粒把运动传给更前面的颗粒。这样,水波携带石击打破的水面的能量向池边运移并在岸边激起浪
花。地震运动与此相当类似。我们感受到的摇动就是由地震波的能量产生的弹性岩石的震动。
假设一弹性体,如岩石,受到打击,会产生两类弹性波从源向外传播。第一类波的物理特性恰如声波。声
波,乃至超声波,都是在空气里由交替的挤压(推)和扩张(拉)而传递。因为液体、气体和固体岩石一样能
够被压缩,同样类型的波能在水体如海洋和湖泊及固体地球中穿过。在地震时,这种类型的波从断裂处以
同等速度向所有方向外传,交替地挤压和拉张它们穿过的岩石,其颗粒在这些波传播的方向上向前和向后
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运动,换句话说,这些颗粒的运动是垂直于波前的。向前和向后的位移量称为振幅。在地震学中,这种类
型的波叫 P 波,即纵波(图 2.1),它是首先到达的波。
图 2.1 地震 P 波(纵波)和 S 波(横波)运行时弹性岩石运动的形态
弹性岩石与空气有所不同,空气可受压缩但不能剪切,而弹性物质通过使物体剪切和扭动,可以允许第二
类波传播。地震产生这种第二个到达的波叫 S 波,即横波。在 S 波通过时,岩石的表现与在 P 波传播过程
中的表现相当不同。因为 S 波涉及剪切而不是挤压,使岩石颗粒的运动横过运移方向(图 2.1)。这些岩
石运动可在一垂直向或水平面里,它们与光波的横向运动相似。P 和 S 波同时存在使地震波列成为具有独
特的性质组合,使之不同于光波或声波的物理表现。因为液体或气体内不可能发生剪切运动,S 波不能在
它们中传播。P 和 S 波这种截然不同的性质可被用来探测地球深部流体带的存在(见第 6 章)。
带偏光眼镜以减弱散射光的人可能熟悉光的偏振现象,只有 S 波具有偏振现象。只有那些在某个特定平面
里横向振动(上下、水平等)的那些光波能穿过偏光透镜。传过的光波称之为平面偏振光。太阳光穿过大气
是没有偏振的,即没有光波振动的优选的横方向。然而晶体的折射或通过特殊制造的塑料如偏光眼镜,可
使非偏振光成为平面偏振光。
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当 S 波穿过地球时,他们遇到构造不连续界面时会发生折射或反射,并使其振动方向发生偏振。当发生偏
振的 S 波的岩石颗粒仅在水平面中运动时,称为 SH 波。当岩石颗粒在包含波传播方向的垂直平面里运动
时,这种 S 波称为 SV 波。
大多数岩石,如果不强迫它以太大的幅度振动,具有线性弹性,即由于作用力而产生的变形随作用力线性
变化。这种线性弹性表现称为服从虎克定律,是以与牛顿同
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