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(diǎn)

地震波的特點(diǎn)

波形轉(zhuǎn)換

斯奈爾定律

面波的特點(diǎn)

頻散現(xiàn)象

地震波序列：震相2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage3波動(dòng)

介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)圍繞平衡位置做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)將帶動(dòng)相鄰質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，振動(dòng)隨之向遠(yuǎn)端傳播，形成了波。波動(dòng)方程描述介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的狀態(tài)，振動(dòng)方程則描述某個(gè)（或某些）質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的狀態(tài)。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage4波長(zhǎng)λ和周期T

正弦波兩個(gè)相鄰波峰間的距離稱為波長(zhǎng)λ,行進(jìn)這一距離所需時(shí)間稱為周期T；亦即質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)完成一個(gè)循回所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)間內(nèi)完成的振動(dòng)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(dòng)傳播介質(zhì)的力學(xué)特性（密度和彈性模量等）。觀察或測(cè)量波動(dòng)時(shí)往往并不沿著波動(dòng)的傳播方向，這時(shí)觀測(cè)到的波速稱為視波速。波數(shù)k也是常用的描述波動(dòng)的參數(shù)，定義為2π

長(zhǎng)度中所包含的波長(zhǎng)λ的個(gè)數(shù)。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage7波動(dòng)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(shí)遵守波的疊加原理兩束或兩束以上的同頻波疊加時(shí)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(shí)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(diǎn)的振動(dòng)發(fā)生在垂直于傳播方向的平面內(nèi)波在傳播過程中會(huì)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(dòng)。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(cè)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(jí)；基于強(qiáng)地震動(dòng)的觀測(cè)和研究，得以確定工程結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)輸入。

地震波地震波傳播實(shí)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(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在沿波動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在垂直于傳播方向的平面內(nèi)；當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)處于水平面內(nèi)時(shí)，稱為SH波，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)處于豎直面內(nèi)時(shí)，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(shí)，例如P波以某個(gè)角度斜入射向界面時(shí)，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?yàn)榻缑鎺r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(dòng)入射至界面，還會(huì)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(shí)，折射角或反射角將大于入射角，90°的折射角或反射角對(duì)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(shí)，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āＨ鹄ㄔ诰嗾鹪摧^遠(yuǎn)處被觀測(cè)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(diǎn)在水平面內(nèi)垂直于傳播方向振動(dòng)，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(shí)測(cè)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(duì)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(zhǎng)增大而增加的頻散現(xiàn)象稱為正常頻散，如實(shí)測(cè)勒夫波的“長(zhǎng)波快”（即波長(zhǎng)較大的波比波長(zhǎng)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(duì)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(gè)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)依波包起伏，從一個(gè)波包中心到另一個(gè)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(shí)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(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(jiǎn)寫為P’）、SKS（簡(jiǎn)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(shí)間短震相簡(jiǎn)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(shí)間為3～5分，隨震級(jí)增加。主震相為Pg、Sg、P11、S11、Pn、Sn，Sg、Sn往往難以識(shí)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(shí)間長(zhǎng)，震相種類多，周期長(zhǎng)，面波震相突出。2023/2/2InstituteofDisasterPreventionpage36