第三讲地震波

1、2022-3-4Page 12022-3-4Institute of Disaster Prevention page2 2.2 地震波地震波 波的特点波的特点 地震波的特点地震波的特点 波形转换波形转换 斯奈尔定律斯奈尔定律 面波的特点面波的特点 频散现象频散现象 地震波序列：震相地震波序列：震相2022-3-4Institute of Disaster Prevention page3波动波动 介质质点围绕平介质质点围绕平衡位置做往复运动，衡位置做往复运动，一个质点的振动将带一个质点的振动将带动相邻质点振动，振动相邻质点振动，振动随之向远端传播，动随之向远端传播，形成了波。波动方程形成了波

2、。波动方程描述介质各质点在不描述介质各质点在不同时刻的状态，振动同时刻的状态，振动方程则描述某个（或方程则描述某个（或某些）质点在不同时某些）质点在不同时刻的状态。刻的状态。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page4波长波长和周期和周期T 正弦波两个相邻波峰间正弦波两个相邻波峰间的距离称为波长的距离称为波长, 行进这一行进这一距离所需时间称为周期距离所需时间称为周期 T；亦；亦即质点振动完成一个循回所经即质点振动完成一个循回所经历的时间。历的时间。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page5频率和

3、圆频率频率和圆频率 周期的倒数 f=1/T 称为频率；单位为赫兹，表示在单位时间内完成的振动循环次数。 圆频率 2f2022-3-4Institute of Disaster Prevention page6波速波速V、视波速、视波速C和波数和波数k波速波速V取决于波动传播介质的力学特性（密取决于波动传播介质的力学特性（密度和弹性模量等）。度和弹性模量等）。观察或测量波动时往往并不观察或测量波动时往往并不 沿着波动的传播方向，这时沿着波动的传播方向，这时 观测到的波速称为观测到的波速称为视波速。视波速。波数波数k也是常用的描述波动的参数，定义为也是常用的描述波动的参数，定义为2 长度中所包含的

4、波长长度中所包含的波长的个数。的个数。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page7波动基本性质波动基本性质波在传播介质的界面上能产生波在传播介质的界面上能产生反射反射和和折射折射 弹性波叠加时遵守波的弹性波叠加时遵守波的叠加叠加原理原理 两束或两束以上的同频波叠加时能产生两束或两束以上的同频波叠加时能产生干涉干涉现现象；能量汇集形成象；能量汇集形成驻波驻波 弹性波在传播过程中遇到障碍物边缘或孔洞时弹性波在传播过程中遇到障碍物边缘或孔洞时将发生弯折现象，称为波的将发生弯折现象，称为波的绕射绕射（衍射衍射）；）； 某些波具有某些波具有偏振偏振现象，既

5、传播介质质点的振动现象，既传播介质质点的振动发生在垂直于传播方向的平面内发生在垂直于传播方向的平面内 波在传播过程中会有幅值波在传播过程中会有幅值衰减衰减的现象。的现象。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page8波的干涉波的干涉2022-3-4Institute of Disaster Prevention page9波的绕射（衍射）波的绕射（衍射）地震波地震波地震波是照亮地球内部的一盏明灯2022-3-4Institute of Disaster Prevention page102022-3-4Institute of Disaster

6、Prevention page11 断层破裂激发地震波，引起地震动。断层破裂激发地震波，引起地震动。地震波是地震学和工程地震学研究的基地震波是地震学和工程地震学研究的基本现象。主要依据地震波的观测和分析，本现象。主要依据地震波的观测和分析，人类了解了地球内部构造并确定地震发人类了解了地球内部构造并确定地震发生位置和地震震级；基于强地震动的观生位置和地震震级；基于强地震动的观测和研究，得以确定工程结构的地震动测和研究，得以确定工程结构的地震动输入。输入。 地震波地震波地震波传播实例地震波传播实例 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page13地震波

7、理论的起源和发展地震波理论的起源和发展1821年 纳维（L.Navier）力的平衡方程和振动方程 1828年 泊松（Simeon-Denis Poisson）纵波和横波1839年 格林（G.Green）应变能函数，弹性波的反 射和折射1887年 瑞利（L.Rayleigh）弹性面波1892-1903 洛夫（A.E.H.Love）发展面波理论1904年 兰姆（H.Lamb）层状介质中地震波传播的 基本理论。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page14P波和波和S波波P波又称初波，亦称纵波或波又称初波，亦称纵波或胀缩波，其质点运动发生在胀缩波，其质

8、点运动发生在沿波动传播方向的直线上。沿波动传播方向的直线上。S波又称次波，亦称横波、波又称次波，亦称横波、剪切波、旋转波或畸变波，剪切波、旋转波或畸变波，是一种偏振波，其质点运动是一种偏振波，其质点运动发生在垂直于传播方向的平发生在垂直于传播方向的平面内；当质点运动处于水平面内；当质点运动处于水平面内时，称为面内时，称为SH波，当质点波，当质点运动处于竖直面内时，称为运动处于竖直面内时，称为SV波。波。P波和波和S波统称体波。波统称体波。P波波波波速大于速大于S波波速波波速 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page152022-3-4Insti

9、tute of Disaster Prevention page16S波的偏振状态波的偏振状态2022-3-4Institute of Disaster Prevention page17体波的反射和折射：体波的反射和折射：波形转换波形转换 波形转换：波形转换：当地震波入射到地球内某一岩石界面时，例如P波以某个角度斜入射向界面时，它不但产生反射的P波和折射的P波，还要产生反射的SV波和折射的SV波，因为界面岩石不仅受挤压，还受剪切。波传播至界面处产生的波型变化，称为波型转换波型转换。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page18体波的反射和折射

10、体波的反射和折射 斯奈尔定律斯奈尔定律sinsinsinsinsin21211svsvpppvvvvv2022-3-4Institute of Disaster Prevention page19解：4/Sin30=5/Sin(b1) b1=38.7 临界角a1(P波折射角为90） 4/Sin(a1)=5/Sin90 a1=53.1 临界角a2(P波反射角为90） 4/Sin(a2)=6/Sin90 a2=41.8作业：求作业：求P波反射角波反射角c1和和Sv波折射角波折射角b已知：Sv波入射角a=30 求：P波的折射角b1 Sv波的临界入射角 2022-3-4Institute of Dis

11、aster Prevention page20界面波界面波 波动入射至界面，还会发生更复杂的波动入射至界面，还会发生更复杂的转换现象。例如，当折射波或反射波的波转换现象。例如，当折射波或反射波的波速大于入射波波速时，折射角或反射角将速大于入射波波速时，折射角或反射角将大于入射角，大于入射角，90的折射角或反射角对应的折射角或反射角对应的入射角称为的入射角称为临界入射角临界入射角。当入射角大于。当入射角大于临界入射角时，将生成沿界面传播的能量临界入射角时，将生成沿界面传播的能量集中于界面附近的非均匀平面波，称为界集中于界面附近的非均匀平面波，称为界面波，地震学和地震工程学中称其为面波。面波，地震

12、学和地震工程学中称其为面波。地震面波有地震面波有瑞利波瑞利波、拉夫波拉夫波和和斯通利波斯通利波三三种。种。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page21瑞利波瑞利波 瑞利波瑞利波是是P波与波与SV波干涉波干涉的结果，理论上的结果，理论上是沿着半无限弹性介质是沿着半无限弹性介质自由表面传播的波。瑞自由表面传播的波。瑞利波在距震源较远处被利波在距震源较远处被观测到，其破坏力比纵观测到，其破坏力比纵波和横波大得多；具有波和横波大得多；具有低速，低频和强振幅；低速，低频和强振幅；俗称地滚波。沿深度增俗称地滚波。沿深度增加迅速衰减，波速略小加迅速衰减，波

13、速略小于同介质中的于同介质中的S波。波。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page22勒夫波和斯通利波勒夫波和斯通利波 勒夫波勒夫波是在水平成层介质界面上产生的是在水平成层介质界面上产生的SH型面波型面波，勒夫波能量主要集中于界面上的覆盖层，勒夫波能量主要集中于界面上的覆盖层中，在下卧岩层中随深度增加而迅速衰减。该波中，在下卧岩层中随深度增加而迅速衰减。该波沿水平方向传播，波速介于上下层的沿水平方向传播，波速介于上下层的S波速之间。波速之间。传播勒夫波的介质质点在水平面内垂直于传播方传播勒夫波的介质质点在水平面内垂直于传播方向振动，因振幅很大而

14、具破坏性，俗称蛇形波。向振动，因振幅很大而具破坏性，俗称蛇形波。 斯通利波斯通利波是在水平成层介质界面上产生的是在水平成层介质界面上产生的P-SV型面波，上下层介质波速相当接近是产生型面波，上下层介质波速相当接近是产生斯通利波的条件；此种波可视为瑞利波的特例，斯通利波的条件；此种波可视为瑞利波的特例，但尚未在实测中被观察到。但尚未在实测中被观察到。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page23面波的频散面波的频散 面波有不同的频率成分，其重面波有不同的频率成分，其重要特性是要特性是频散频散。地球结构是成层。地球结构是成层的，各层介质的力学特性不同

15、，的，各层介质的力学特性不同，这将导致不同频率波的传播速度这将导致不同频率波的传播速度发生变化，发生变化，某些频率的波相对其某些频率的波相对其他频率的波行进较快，造成地震他频率的波行进较快，造成地震波波形的变化，这一现象称为频波波形的变化，这一现象称为频散散；频散规律；频散规律c=c()称为频散曲称为频散曲线，线，c为波速，为波速，为圆频率。波速为圆频率。波速随波长增大而增加的频散现象称随波长增大而增加的频散现象称为正常频散，如实测勒夫波的为正常频散，如实测勒夫波的“长波快长波快”（即波长较大的波比（即波长较大的波比波长小的波行进更快）现象。波长小的波行进更快）现象。 2022-3-4Inst

16、itute of Disaster Prevention page24相速度、波包和群速度相速度、波包和群速度 前面所述的波速是对前面所述的波速是对应某一频率波的波速，称为应某一频率波的波速，称为相速度相速度。地震波是多种频率。地震波是多种频率的波的叠加，其能量不能由的波的叠加，其能量不能由单一频率的波决定。为描述单一频率的波决定。为描述地震能量的传播可引入地震能量的传播可引入群速群速度度的概念。群速度是地震波的概念。群速度是地震波包的传播速度。将两个频率包的传播速度。将两个频率接近的正弦波相加，可以得接近的正弦波相加，可以得到连串的形状不变的到连串的形状不变的波包波包，某一观测点的振动依波包

17、起某一观测点的振动依波包起伏，从一个波包中心到另一伏，从一个波包中心到另一个相邻波包中心的行进速度个相邻波包中心的行进速度称为群速度。称为群速度。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page25 在非频散介质中，波包形状只与波的在非频散介质中，波包形状只与波的频率差有关，频率差有关，群速度等于相速度；但在存群速度等于相速度；但在存在频散的情况下，群速度小于相速度。在频散的情况下，群速度小于相速度。 群速度和相速度的关系可以用电钻钻群速度和相速度的关系可以用电钻钻孔做形象的比喻：利用电钻钻孔，视觉看孔做形象的比喻：利用电钻钻孔，视觉看到钻头螺纹飞速旋

18、转，但实际钻孔的深入到钻头螺纹飞速旋转，但实际钻孔的深入很慢；钻头螺纹旋转好比相速度，电钻推很慢；钻头螺纹旋转好比相速度，电钻推进的速度则为群速度进的速度则为群速度。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page262022-3-4Institute of Disaster Prevention page27地震波序列地震波序列 由于不同类型地震波的速度不同，地震中各种波的传播形成一组由于不同类型地震波的速度不同，地震中各种波的传播形成一组序列。记录仪器可记录到地震波序列传播过程中地面质点的振动状态。序列。记录仪器可记录到地震波序列传播过程中地面质点

19、的振动状态。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page28 P震相和S震相 在震中距为105的范围以内，P震相是地震图上的初至震相。其后是S震相，其振幅、周期都比P震相大，质点运动垂直于传播方向。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page29 浅源近震浅源近震P波的传播波的传播2022-3-4Institute of Disaster Prevention page30反射后的体波震相反射后的体波震相 体波传至地球表面的过程中可发生一次体波传至地球表面的过程中可发生一次或多次反射，在反射时如不改变

20、其波的性质，或多次反射，在反射时如不改变其波的性质，则反射后的震相分别用则反射后的震相分别用PP、PPP、SS、SSS等表示。等表示。 反射后，波的性质也可能发生转换，如反射后，波的性质也可能发生转换，如SP、PPS等，等，SP震相表示入射到地表面时为震相表示入射到地表面时为S波，经反射后转换为波，经反射后转换为P波。波。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page31核震相核震相 穿过地核又回到穿过地核又回到地面的体波称为地面的体波称为地核穿地核穿透波透波，相应的震相称为，相应的震相称为核震相核震相。外核只能传播。外核只能传播纵波纵波,以以K表示

21、在外核中表示在外核中传播的波。传播的波。PKP（简写（简写为为P）、）、SKS（简写为（简写为S）、）、PKS、SKP分别分别表示表示4种不同的地核穿种不同的地核穿透波。透波。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page32核震相核震相 地球的内核既能传地球的内核既能传播纵波，也能传播横波。播纵波，也能传播横波。在内核内部的纵波用在内核内部的纵波用I表表示，内核内部的横波用示，内核内部的横波用J表示。表示。PKIKP表示在传表示在传播中没有改变性质而入播中没有改变性质而入射到地球表面的射到地球表面的P波；波；PKJKP则表示地震波是则表示地震波是

22、以横波形式穿过内核的。以横波形式穿过内核的。 2022-3-4Institute of Disaster Prevention page33地方震震相地方震震相持续时间短持续时间短震相简单，主震相震相简单，主震相为为Pg、Sg和和P11、S11地震波周期短，为地震波周期短，为0.30.6秒秒分辨不出面波分辨不出面波2022-3-4Institute of Disaster Prevention page34近震震相近震震相持续时间为持续时间为35分，分，随震级增加。随震级增加。主震相为主震相为Pg、Sg、P11、S11、Pn、Sn， Sg、 Sn往往往往 难以识别。难以识别。周期较地方震明显周期较地方震明显 增加，可达数秒。增加，可达数秒。短周期面波出现。短周期面波出现。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page35远震震相远震震相 持续时间长，震相种类多，周期长，面波持续时间长，震相种类多，周期长，面波震相突出。震相突出。2022-3-4Institute of Disaster Prevention page36震中距为震中距为135度的极远震记录度的极远震记录 PKHKP是穿越内核的PKIKP