地震波理论研究.doc

地震波理论概述 摘要 本文主要论述了我国的地震波理论研究,对地震波理论基础做了一个系统性的介绍。包括地震波及其分类，地震波的传播速度和在传播过程中的反射、折射和转换以及传播过程中的能量变化。关键词 地震波分类 地震波传播 波速 衰减 地震波动力学Theoretical Overview of seismic wave Abstract This article discusses the theoretical study of the seismic waves,the theoretical basisof seismic wavesmade asystematic introduction.Including seismic wave propagation velocityand classification of seismic wave propagation and reflection in the process of refraction and the conversion process and the dissemination of energy change.Keywords seismic classificationof seismic wave propagation velocity of seismic wave attenuation kinetics引言 地球每天都在发生着地震，给人类带来很多的灾难。但是，在给人类带来无穷灾难的同时，地震也为人类认识地球提供了丰富的信息。地震波可以穿透地球深部，并能把地球内部的信息带回地面。目前，关于地球深部的结构、组成、过程和状态灯知识大多来自天然地震所产生的地震波的信息。同时，天然地震产生的地震波信号能量强，是研究整个地球内部的有力工具。科学家们根据地震波所携带的有关地球内部结构的信息，揭示了地球内部的许多秘密。因此地震波理论研究有着非常重要的现实意义。一、地震波及其分类地震波是由地震震源发出向四外辐射的在地球介质中传播的弹性波。地震波分为体波和面波。体波有分为两种：一种是压缩波或膨胀波，其质点振动方向与传播方向一致，称为纵波。另一种是剪切波，其质点振动方向与传播方向垂直，称为横波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.57千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。纵波的物理特征恰如声波，能在流体（如海洋和湖泊）及固体地球中穿过。横波是剪切波,在地壳中的传播速度为3.24.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。因流体不能产生剪切，故横波只能在固体地球中传播，而不能在流体中传播。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。这些波沿界面传播，而且质点的振动振幅随深度的增加而急剧衰减。根据质点振动特征，分为勒夫波和瑞利波。瑞利波介质质点既有垂直向振动，又有水平向振动，质点运动轨迹为一个逆进的的椭圆，而勒夫波只有水平方向的振动。面波波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。二、地震波的传播 1地球介质的变化特征和地震波速 地震波的传播主要取决于地震波的速度，地震波的速度与地球介质有关。地球内部介质性质的变化，主要有以下情形：（1） 上下介质的性质、状态迥然不同，出现明显的分界面，地震波速度出现阶梯状跳跃，如地壳与地幔、地幔与地核之间。地壳是固体，外核是液体，地幔介于固态与液态之间。地震波通过壳幔分界面时P波速度从7.8千米/秒突增到8.4千米/秒，S波速度从3.7千米/秒突增到4.7千米/秒，地震波通过核幔分界面时P波速度从13.6千米/秒突降至8.0千米/秒，S波速度从7.2千米/秒降至0。（2） 上下介质的状态基本相同，但性质变化显著，呈现明显的分界面。地震波在分界面上的速度也有显著的变化。（3） 在同一层内，地球介质也不是均匀分布的。一般来讲，由于地球介质是分层均匀、各向同性的，地球介质的密度、弹性参数等随深度增加而增加，地震波速度也随深度的增加而增加。但有两种特殊情形：一种是速度随深度增加而减小（称为低速层）；另一种是随着深度增加速度异常增加（称为高速层）。 2、地震波的折射、反射和转换 地震波在地球内部的传播过程中，当遇到一些介质分界面时会发生反射和折射和波型转换等现象，通过这些反射和折射波的运动学特征及振幅等就可以推断这些界面的位置和性质。为了找出复杂的地震波在地球介质里传播的基本规律，需做一些简化处理。在地震波理论中，通常把地球介质当做均匀、各向同性和完全弹性介质来处理，只是一种简化的假定。实践证明，这种假定可以使分析大大简化，并且在多数情况下可以得到与观测结果颇为符合的结果。地壳及地球内部可以简化成分层结构，内部有不少分层面，地表也可看作是一个界面。震源产生的地震波波阵面在各向同性的均匀介质中是成球形的一层层向外传播，称为球面波。但当距离震源足够远时，也就是当震源到接收点的距离比波长大得多时，可以把它看做平面波来处理。 如图1所示，取自由表面xz平面，z轴垂直向下，入射面为垂直面xz。L为P波传播方向，N垂直于L。S波分解为SV波和SH波，SV波为入射面内的横波分量，沿N方向，SH为垂直入射面的横波分量。 x SV N SH L P z 图1 P波和S波振动分量图对于近震而言，地球的分层界面可以视为水平的。P波入射时，界面上会产生P波、折射P 波，反射转换SV波和折射SV；SV波入射时与P波类似；SH波入射时只有反射SH波和折射SH波产生，没有转换波出现。因为水平面内振动的SH波不可能引起垂直面内振动的P波和SV波（见图2）。 SV P P SH SH SV P SH 图2 P波和SH波入射时的折射和反射 3、地震波的吸收和衰减 无论是体波还是面波，在传播过程中振幅都将衰减。 将地球介质当做是完全弹性体是一种近似，实际上在波动传播过程中，介质会吸收波动的能量转化为热能。地震波的能量消失除由于介质的吸收外，还可由于波的散射。若介质中存在不均匀性，地震波通过时将发生不规则的反射和折射，向不同的方向传播并彼此干涉，最后化成热能而消失或称为某种振动背景。 3、 地震波传播动力学的基本问题 地震波传播动力学的核心是弹性波动方程.波动方程是地震学覆盖或与之交叉相关学科各类分支领域所要研究的核心内容;无论是理论正反演还是实际应用,波动方程的地位至关重要. 不论何种介质模型, 围绕位移变量波动方程的建立均涉及位移、应力和应变三个物理量. 位移与应变、位移与应力和应力与应变三个方程阐明了位移、应力和应变三者之间的内在联系. 这三个方程是建立波动方程的基础.位移与应变关系. 位移与应变之间关系集中表现在: 位移增量方程、位移梯度矩阵的分解方程、位移矢量的散度和旋度方程, 以及应变位移方程即科西( Cauchy ) 方程. 位移与应力关系. 这种关系的核心是运动方程,其本质是弹性动力学中的动量平衡方程. 应用牛顿第二定律可以建立运动方程. 运动方程包含平动运动方程即奈维尔( Naw ier) 方程和转动运动方程即应力张量对称性方程. 应力与应变关系. 地震波与介质是一对关联体,作为载波的介质可以被视为系统, 本构方程即广义胡克( Hooke) 方程描述了介质系统. 在仅考虑传播过程中, 应变作为输入而应力作为输出时, 系统的响应函数就是物性矩阵即弹性矩阵; 当把输入与输出交换时, 可以得到胡克方程的另一种表达形式. 有了波动方程建立中提供的位移与应变、位移与应力和应力与应变三个方程, 可以顺利地得到位移变量的矢量波动方程. 波动方程本身可以涵盖众多理论与应用问题, 能够开展研究的内容也极为广泛. 波动方程的通解即波函数. 求解满足波动方程波函数是一类内容颇多且有一定难度的内容, 这里仅强调波动方程通解的重要性. 通解存在于时间空间域或者频率波数域, 并可以直接表明地震波的传播特性. 另外, 球面波、均匀平面波和非均匀平面波都是波函数的基本表达形式. 波的几何扩散效应和波的视速度定理等均是在确定波的通解中得到的地震波传播的基本现象和所遵循的规律. 几何地震学的许多结论都可以通过对波动方程的通解处理分析后得到.结语 随着社会科学技术进步,特别是人类对资源和环境发展的日益需求,会不断地促进地震波理论及应用持续向前发展。同时,地震波理论内涵的知识空间随着人类整体科学的发展也在逐渐地向外拓展,这也是地震波理论及应用发展的内在动力.地震波理论博大精深,其所含盖的内容广泛而复杂,需要人们长期不断地努力去探索发展.对现有前人的研究成果仍然需要深入的认识和总结,这是进一步发展的基础。参 考 文 献1 刘斌. 地震学原理及应用M 合肥: 中国科学技术大学出版社,20092 赵克常. 地震概论M 北京: 北京大学出版社, 2012.3 王有学. 勘探地球物理学M 北京: 地质出版社, 2011.4 牛滨华.地震波理论研究进展J. 地球物理学进展, 2004,219）：255-263.5 曾融生. 固体地球物理学导论M . 北京: 科学出版社, 1984.6 滕吉文. 固体地球物理学M . 北京: 地震出版社, 2003.7 王妙月. 勘探地球物理学M . 北京: 地震出版社, 2003.8 何樵登. 地震波理论M . 北京: 地质出版社, 1988.9 杨宝俊 勘探地震学导论( 二) M 长春: 吉林科技出版社, 1992.10何樵登 横向各向同性介质中地震波及其数值模拟M 长春: 吉林大学出版社, 1996.11 牛滨华 半空间介质与地震波传播M . 北京: 石油工业出版社, 2002.12 牛滨华, 孙春岩. 各向同性固体连续介质与地震波传播 M .北京: 石油工业出版社, 2002.13 张海明 陈晓非 地震波研究J 地震学报 200314尹军杰,刘学伟,李文慧.地震波散射理论及应用研究综述J.地球物理学进展,2005,20(1):123一134.15 郭自强. 固体中的波M . 北京: 地震出版社, 1982.16 徐果明, 周惠兰. 地震学原理M . 北京: 科学出版社, 1982.17 杜世通. 地震波动力学M . 山东: 石油大学出版社, 1996.18 胡德绥. 弹性波动力学M . 北京: 地质出版社, 1989.19 杨挺青. 粘弹性力学M . 武汉: 华中理工大学出版社, 1990.20 周光泉, 粘弹性理论M . 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1986.21 许云. 粘弹性介质中的地震波M . 北京: 地质出版社, 1981.22 蔡峨. 粘弹性力学基础M . 北京: 航空航天大学出版社,1989.23 萨瓦林斯基. 地震波 M . 段星北译. 北京: 科学出版社, 1981.24 柯劳福德, 著, 卢鹤, 等, 译. 波动学 波克利物理学教程 M . 第三卷. 北京: 科学出版社, 1981.25 M 巴特, 著, 郑治真, 译, 朱传镇, 校. 地震学的数学问题 M . 北京: 科学出版社, 1976.26胡聿贤. 1988. 地震工程学 M . 北京: 地震出版社: 211-216