第三講地震波

2023/2/2Page1第二章地震及地震波2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage2

2.2地震波

波的特點

地震波的特點

波形轉(zhuǎn)換

斯奈爾定律

面波的特點

頻散現(xiàn)象

地震波序列：震相2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage3波動

介質(zhì)質(zhì)點圍繞平衡位置做往復(fù)運動，一個質(zhì)點的振動將帶動相鄰質(zhì)點振動，振動隨之向遠(yuǎn)端傳播，形成了波。波動方程描述介質(zhì)各質(zhì)點在不同時刻的狀態(tài)，振動方程則描述某個（或某些）質(zhì)點在不同時刻的狀態(tài)。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage4波長λ和周期T

正弦波兩個相鄰波峰間的距離稱為波長λ,行進(jìn)這一距離所需時間稱為周期T；亦即質(zhì)點振動完成一個循回所經(jīng)歷的時間。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage5頻率和圓頻率

周期的倒數(shù)f=1/T稱為頻率；單位為赫茲，表示在單位時間內(nèi)完成的振動循環(huán)次數(shù)。

圓頻率

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage6波速V、視波速C和波數(shù)k波速V取決于波動傳播介質(zhì)的力學(xué)特性（密度和彈性模量等）。觀察或測量波動時往往并不沿著波動的傳播方向，這時觀測到的波速稱為視波速。波數(shù)k也是常用的描述波動的參數(shù)，定義為2π

長度中所包含的波長λ的個數(shù)。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage7波動基本性質(zhì)波在傳播介質(zhì)的界面上能產(chǎn)生反射和折射

彈性波疊加時遵守波的疊加原理兩束或兩束以上的同頻波疊加時能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象；能量匯集形成駐波

彈性波在傳播過程中遇到障礙物邊緣或孔洞時將發(fā)生彎折現(xiàn)象，稱為波的繞射（衍射）；某些波具有偏振現(xiàn)象，既傳播介質(zhì)質(zhì)點的振動發(fā)生在垂直于傳播方向的平面內(nèi)波在傳播過程中會有幅值衰減的現(xiàn)象。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage8波的干涉2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage9波的繞射（衍射）地震波地震波是照亮地球內(nèi)部的一盞明燈2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage102023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage11

斷層破裂激發(fā)地震波，引起地震動。地震波是地震學(xué)和工程地震學(xué)研究的基本現(xiàn)象。主要依據(jù)地震波的觀測和分析，人類了解了地球內(nèi)部構(gòu)造并確定地震發(fā)生位置和地震震級；基于強(qiáng)地震動的觀測和研究，得以確定工程結(jié)構(gòu)的地震動輸入。

地震波地震波傳播實例

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage13地震波理論的起源和發(fā)展1821年納維（L.Navier）力的平衡方程和振動方程

1828年泊松（Simeon-DenisPoisson）縱波和橫波1839年格林（G.Green）應(yīng)變能函數(shù)，彈性波的反射和折射1887年瑞利（L.Rayleigh）彈性面波1892-1903洛夫（A.E.H.Love）發(fā)展面波理論1904年蘭姆（H.Lamb）層狀介質(zhì)中地震波傳播的基本理論。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage14P波和S波P波又稱初波，亦稱縱波或脹縮波，其質(zhì)點運動發(fā)生在沿波動傳播方向的直線上。S波又稱次波，亦稱橫波、剪切波、旋轉(zhuǎn)波或畸變波，是一種偏振波，其質(zhì)點運動發(fā)生在垂直于傳播方向的平面內(nèi)；當(dāng)質(zhì)點運動處于水平面內(nèi)時，稱為SH波，當(dāng)質(zhì)點運動處于豎直面內(nèi)時，稱為SV波。P波和S波統(tǒng)稱體波。P波波速大于S波波速2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage152023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage16S波的偏振狀態(tài)2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage17體波的反射和折射：波形轉(zhuǎn)換

波形轉(zhuǎn)換：當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞降厍騼?nèi)某一巖石界面時，例如P波以某個角度斜入射向界面時，它不但產(chǎn)生反射的P波和折射的P波，還要產(chǎn)生反射的SV波和折射的SV波，因為界面巖石不僅受擠壓，還受剪切。波傳播至界面處產(chǎn)生的波型變化，稱為波型轉(zhuǎn)換。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage18體波的反射和折射

斯奈爾定律2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage19解：4/Sin30=5/Sin(b1)b1=38.7

臨界角a1(P波折射角為90）

4/Sin(a1)=5/Sin90a1=53.1

臨界角a2(P波反射角為90）

4/Sin(a2)=6/Sin90a2=41.8作業(yè)：求P波反射角c1和Sv波折射角b已知：Sv波入射角a=30

求：P波的折射角b1Sv波的臨界入射角

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage20界面波

波動入射至界面，還會發(fā)生更復(fù)雜的轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。例如，當(dāng)折射波或反射波的波速大于入射波波速時，折射角或反射角將大于入射角，90°的折射角或反射角對應(yīng)的入射角稱為臨界入射角。當(dāng)入射角大于臨界入射角時，將生成沿界面?zhèn)鞑サ哪芰考杏诮缑娓浇姆蔷鶆蚱矫娌?，稱為界面波，地震學(xué)和地震工程學(xué)中稱其為面波。地震面波有瑞利波、拉夫波和斯通利波三種。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage21瑞利波

瑞利波是P波與SV波干涉的結(jié)果，理論上是沿著半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ牟?。瑞利波在距震源較遠(yuǎn)處被觀測到，其破壞力比縱波和橫波大得多；具有低速，低頻和強(qiáng)振幅；俗稱地滾波。沿深度增加迅速衰減，波速略小于同介質(zhì)中的S波。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage22勒夫波和斯通利波

勒夫波是在水平成層介質(zhì)界面上產(chǎn)生的SH型面波，勒夫波能量主要集中于界面上的覆蓋層中，在下臥巖層中隨深度增加而迅速衰減。該波沿水平方向傳播，波速介于上下層的S波速之間。傳播勒夫波的介質(zhì)質(zhì)點在水平面內(nèi)垂直于傳播方向振動，因振幅很大而具破壞性，俗稱蛇形波。

斯通利波是在水平成層介質(zhì)界面上產(chǎn)生的P-SV型面波，上下層介質(zhì)波速相當(dāng)接近是產(chǎn)生斯通利波的條件；此種波可視為瑞利波的特例，但尚未在實測中被觀察到。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage23面波的頻散

面波有不同的頻率成分，其重要特性是頻散。地球結(jié)構(gòu)是成層的，各層介質(zhì)的力學(xué)特性不同，這將導(dǎo)致不同頻率波的傳播速度發(fā)生變化，某些頻率的波相對其他頻率的波行進(jìn)較快，造成地震波波形的變化，這一現(xiàn)象稱為頻散；頻散規(guī)律c=c(ω)稱為頻散曲線，c為波速，ω為圓頻率。波速隨波長增大而增加的頻散現(xiàn)象稱為正常頻散，如實測勒夫波的“長波快”（即波長較大的波比波長小的波行進(jìn)更快）現(xiàn)象。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage24相速度、波包和群速度

前面所述的波速是對應(yīng)某一頻率波的波速，稱為相速度。地震波是多種頻率的波的疊加，其能量不能由單一頻率的波決定。為描述地震能量的傳播可引入群速度的概念。群速度是地震波包的傳播速度。將兩個頻率接近的正弦波相加，可以得到連串的形狀不變的波包，某一觀測點的振動依波包起伏，從一個波包中心到另一個相鄰波包中心的行進(jìn)速度稱為群速度。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage25

在非頻散介質(zhì)中，波包形狀只與波的頻率差有關(guān)，群速度等于相速度；但在存在頻散的情況下，群速度小于相速度。

群速度和相速度的關(guān)系可以用電鉆鉆孔做形象的比喻：利用電鉆鉆孔，視覺看到鉆頭螺紋飛速旋轉(zhuǎn)，但實際鉆孔的深入很慢；鉆頭螺紋旋轉(zhuǎn)好比相速度，電鉆推進(jìn)的速度則為群速度。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage262023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage27地震波序列

由于不同類型地震波的速度不同，地震中各種波的傳播形成一組序列。記錄儀器可記錄到地震波序列傳播過程中地面質(zhì)點的振動狀態(tài)。

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage28P震相和S震相

在震中距為105°的范圍以內(nèi)，P震相是地震圖上的初至震相。其后是S震相，其振幅、周期都比P震相大，質(zhì)點運動垂直于傳播方向。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage29

淺源近震P波的傳播2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage30反射后的體波震相

體波傳至地球表面的過程中可發(fā)生一次或多次反射，在反射時如不改變其波的性質(zhì)，則反射后的震相分別用PP、PPP、SS、SSS等表示。

反射后，波的性質(zhì)也可能發(fā)生轉(zhuǎn)換，如SP、PPS等，SP震相表示入射到地表面時為S波，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為P波。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage31核震相

穿過地核又回到地面的體波稱為地核穿透波，相應(yīng)的震相稱為核震相。外核只能傳播縱波,以K表示在外核中傳播的波。PKP（簡寫為P’）、SKS（簡寫為S′）、PKS、SKP分別表示4種不同的地核穿透波。

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage32核震相

地球的內(nèi)核既能傳播縱波，也能傳播橫波。在內(nèi)核內(nèi)部的縱波用I表示，內(nèi)核內(nèi)部的橫波用J表示。PKIKP表示在傳播中沒有改變性質(zhì)而入射到地球表面的P波；PKJKP則表示地震波是以橫波形式穿過內(nèi)核的。

2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage33地方震震相持續(xù)時間短震相簡單，主震相為Pg、Sg和P11、S11地震波周期短，為0.3～0.6秒分辨不出面波2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage34近震震相持續(xù)時間為3～5分，隨震級增加。主震相為Pg、Sg、P11、S11、Pn、Sn，Sg、Sn往往難以識別。周期較地方震明顯增加，可達(dá)數(shù)秒。短周期面波出現(xiàn)。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage35遠(yuǎn)震震相

持續(xù)時間長，震相種類多，周期長，面波震相突出。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage36