地震概论第三章地震波

地震概论第三章地震波第1页，共71页，2023年，2月20日，星期一

地震时地面波动的描述唐山地震发生在1976年7月28日凌晨3点多钟。当时笔者（陈颙）住在北京前门附近一个非常破旧的二层木制结构的楼房里，楼房至少有五十年历史了，除了外墙是砖砌的，地板和骨架都是木质的，一走起路来地板就发出”咯吱咯吱”的呻吟声。那时正好是夏天，天气出奇的闷热，难以让人入睡。我刚躺着一会儿，迷迷糊糊中就觉得床有些大幅度上下跳动，地板甚至整个楼房都发出”嘎吱”的声音。我立刻意识到”有大地震发生了”。长年从事地震工作的我被晃醒后没有立即下床，而是躺在床上开始数数，”一、二、三，……”，数着数着床的晃动变小了。当数到第二十的时候，突然又来了一次晃动，比第一次更厉害，整个楼层都在忍受剧痛似的”哗哗啦”乱响。这短短的20秒钟间隔就是纵波和横波到达的时间差（地震通常会产生纵波和横波，纵波在地球介质中传播得快，最先到达我们脚下，引起地表的上下运动；横波跑得慢，我们感到的第二次强烈震动就是横波造成的，地面表现出水平方向运动。由于横波携带了地震产生的大部分能量，因此它对地表建筑物的破坏更为严重），反映了观测者和震源的距离，差1秒钟，表明约8公里远处发生了地震，20秒钟则说明这次地震事件发生在约160公里处。于是，我有了一个初步判断：地震不在北京–在距离北京160公里的地方有大地震发生了。这和雷雨闪电的原理是一样的：天空两片雷雨云相遇时，发出闪电和雷声，闪电（电磁波）跑得快，雷声（空气中得声波）跑得慢，我们先看见闪光，后听见雷声，闪光和雷声之间得时间差，就表示发出闪光和雷电的云距我们的距离。第2页，共71页，2023年，2月20日，星期一复习一、波动波动方程波速、波长、周期、波频率、初相位、简谐波与复杂波第3页，共71页，2023年，2月20日，星期一3.1地震波一、体波地震在地球内部会产生两种体波：P波（Primarywaves）和S波（Secondarywaves）。1、P波:是跑的最快的波，它可以在固体、液体和气体中传播。P波与空气中的声波很相似，质点沿着波的传播方向做压缩和拉伸运动。第4页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、S波S波:S波跑的比P波慢，它只可以在固体传播。在S波传播时，质点的运动方向与S波的传播方向互相垂直，介质中产生剪切应力。由于流体不能承受剪切应力，因此S波不能在液体和气体中传播。P波和S波的速度由介质的密度和弹性常数决定。第5页，共71页，2023年，2月20日，星期一第6页，共71页，2023年，2月20日，星期一第7页，共71页，2023年，2月20日，星期一体波传播示意图第8页，共71页，2023年，2月20日，星期一二、面波面波是沿地球表面附近传播的一种弹性波。面波传播的速度都比体波慢。最重要的面波有两种：Rayleigh波（R波）和Love波（L波），它们的命名是为了纪念这些波的发现者，英国科学家LordRayleigh和A.E.H.Love。第9页，共71页，2023年，2月20日，星期一图Rayleigh波传播时，质点在沿着波传播方向的垂直的平面做逆时针的椭圆运动，波到来时，地面的运动和水面上的波浪运动一样

第10页，共71页，2023年，2月20日，星期一Love波（L波）传播时，质点水平运动，而且运动方向与波传播方向的垂直，地面上质点运动最大，越往地下深处运动的幅度越小。

第11页，共71页，2023年，2月20日，星期一三、P波和S波的速度提问：地震发生时，房屋怎么摇晃？

A:一直上下晃

B:一直左右摇

C:先上下摇，后左右晃

D:先左右摇，后上下晃第12页，共71页，2023年，2月20日，星期一P波和S波的速度P波和S波的速度决定于岩石的密度和内在的弹性.即两个弹性性质---弹性模量:体积模量K=P/ΔV/VP压力V体积ΔV受力后体积变化剪切模量μ表示其刚性花岗岩:K约27X1010达因/厘米2;水:K约为2X1010达因/厘米2花岗岩:µ约为1.6x1010达因/厘米2;水:µ为0。

第13页，共71页，2023年，2月20日，星期一P波和S波的速度表达式P波，速度Vp=V(K+3/4µ)/ρ

花岗岩: Vp=5.5千米/秒;

水: Vp=1.5千米/秒

ρ为密度S波，速度Vs=Vµ/ρ

花岗岩: Vs=3.0千米/秒;

水: Vs=0千米/秒第14页，共71页，2023年，2月20日，星期一花岗岩水P波速度5.5千米/秒1.5千米/秒S波速度3.0千米/秒0在同样条件下P波速度大于S波第15页，共71页，2023年，2月20日，星期一第16页，共71页，2023年，2月20日，星期一四、地震波传播地震波在物质介面上传播地震波在地面传播地震波在地壳内部传播（近震＼远震）地震波走时曲线第17页，共71页，2023年，2月20日，星期一按震中距大小不同分类

地方震:

震中距小于100公里

直达波纵横波之间时间差小于3S，振动持续时间通常为1-2min之间

近震

:震中距100-1000公里

首波纵横波之间时间差小于1min43S，振动持续时间通常为3-5min之间

远震:

震中距1000公里以上

第18页，共71页，2023年，2月20日，星期一1、地震波在介质界面上第19页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、地震波在地球内部的传播第20页，共71页，2023年，2月20日，星期一地球的结构及波的传播第21页，共71页，2023年，2月20日，星期一1968年1月19日在内华达进行的代号为“无暇”的地下核试验在蒙大拿州地震图上的记录曲线垂直比例尺表示地面运动的大小；200纳米仅是紫光波长的一半；从外核及内核反弹回来的回波（PcP和PKiKP）角度仅为10度

第22页，共71页，2023年，2月20日，星期一第23页，共71页，2023年，2月20日，星期一

纵波、

横波

在地

球内

部的

传播

方式第24页，共71页，2023年，2月20日，星期一3、直达波、界面反谢波、首波第25页，共71页，2023年，2月20日，星期一5、远震地震波第26页，共71页，2023年，2月20日，星期一

远震波不但传播路径长.而且波射线向地球内部穿透的也深.

由于地球内部存在许多层面,波射线遇到这些层面将发生反射、折射现象，从而产生出新的波。地幔折射波、地表反射转换波、核面反射转换波、地核穿透波第27页，共71页，2023年，2月20日，星期一6、深震地震波第28页，共71页，2023年，2月20日，星期一从穿过地幔的P波走时作出的地震走时曲线最简单的地震走时表第29页，共71页，2023年，2月20日，星期一7、地震波在地表面传播红线表示P和PP体波在地球内部传播后到达地处。第30页，共71页，2023年，2月20日，星期一红线表示P和PP体波在地球内部传播后到达地处。面波是发散的，这意味着它们在传播时不断向外扩散。黄色条带表示任一时刻受面波影响的区域。第31页，共71页，2023年，2月20日，星期一汶川地震波第32页，共71页，2023年，2月20日，星期一第33页，共71页，2023年，2月20日，星期一观测点接收到地震波第34页，共71页，2023年，2月20日，星期一现代地震仪工作原理第35页，共71页，2023年，2月20日，星期一8、地震波的记录第36页，共71页，2023年，2月20日，星期一第37页，共71页，2023年，2月20日，星期一第38页，共71页，2023年，2月20日，星期一五、地震波的波序第39页，共71页，2023年，2月20日，星期一第40页，共71页，2023年，2月20日，星期一由于不同地震波类型的不同，它们到达时间也就先后不同，从而形成一组序列－－称为地震波序纵波最快，横波次之，而面波最慢波到达顺序：P波S波L波（勒夫波）R波尾波（掉队的混合波）波传播效果：垂直摇动侧向晃动（时间较长）摇摇动（时间长）纵向、垂直向摇滚运动（时间长）复杂运动第41页，共71页，2023年，2月20日，星期一第42页，共71页，2023年，2月20日，星期一在不同距离上“看”到的地震波

以地球为参照物，地震震源与接收点之间的关系可以分成四种：地震就在“脚下”，地震在

100千米范围内，地震在100～1000千米范围内，地震在1000千米之外。在这四种情况下，起

决定性作用的地震波是不同的。

（1）对于地震“就在脚下”和地震在100千米范围内的情况，可以清楚地“看”到走在前面的纵

波和走在后面的横波及其尾波，由于震源与观测者之间的距离比较近，所以地震波的高频成

分还没有被衰减掉。正是这些高频成分造成了地面上的普通建筑物的被破坏。

（2）对于地震在100～1000千米范围内的情况，除了纵波、横波及其尾波之外，还有一类特殊的

地震波——首波。首波的出现主要是因为在地壳下方的波速比地壳中的波速高，所以走在地

壳下方的波反而比走在地壳中的波“先行到达”。此外，来自地壳下部以及地壳内部的间断

面的反射和转换波也经常能“看”得到。在一些情况下，还可以见到“发育”得不是特别好

的面波。

（3）对于地震在1000千米之外的情况，地震波可以分成两类，沿地球表面传播的面波此时具有广

阔的空间去“驰骋”，而体波则可以穿透到更深的地球内部。由于体波的几何衰减是“立体

”的，而面波的几何衰减是“平面”的，所以面波的衰减自然比体波慢得多，在这种情况下

，面波变成了地震波的主角，不过体波也有丰富的表现。只是由于震源与地震台站之间的距

离比较大，所以高频成分大部衰减掉了，此时地震波以长周期为主。

第43页，共71页，2023年，2月20日，星期一⒉振幅分布规律

⑴纵波的振幅小于横波的振幅,面波的振幅大于横波的振幅。

⑵首波的振幅比直达波的振幅弱。

⑶反射波的振幅比直达波略强。

⑷横波转换成的纵波比原生纵波振幅强。

第44页，共71页，2023年，2月20日，星期一⒋能量规律

⑴震级越大,能量越强,振动持续时间越长。

⑵震中距越大,各波列的振动持续时间越长。

⑶纵波在垂直分量及靠近震中方位的一个水平分量能量较强；横波在水平分量能量强,垂直于震中方向的水平分量能量更强些，这种现象随着震中距的加大,更趋明显。

⑷由SV波遇界面产生的瑞利波,在垂直分量及靠近震中的水平分量能量强；由SH波生成的勒夫波,在水平分量能量强。在垂直向无能量分配。第45页，共71页，2023年，2月20日，星期一六、地震波与地球内部结构

体波之所以对地球内部结构比较敏感，是因为在地球内部的不同部分，地震波传播速度不同

，在不同部分的分界面上发生的反射、折射和波型转换，既影响体波的“行走时间”，又影

响体波的振幅和形状。

把面波的波长延伸到整个地球的尺度，我们还有一个专用的名词：地球自由振荡。这时，地

球好像是一口铜钟被大地震重重地敲击一下，余音缭绕，经久不绝。不同形状、不同结构的

铜钟具有不同的音色；类似地，不同形状、不同结构的星球也具有不同的自由振荡的形式。

地震学家就像一位钢琴调音师那样，通过倾听地球的“音乐”，辨认出地球内部的结构。

第46页，共71页，2023年，2月20日，星期一地震现象地震波地震监测先上下摇再左右晃P波S波时间地点震级地球结构第47页，共71页，2023年，2月20日，星期一地震波在研究地壳结构上的应用一、地球两个界面的发现二、地核的发现三、地球内核的发现第48页，共71页，2023年，2月20日，星期一地球内岩石平均密度和穿过它们运行的P波和S速度随深度的变化曲线

第49页，共71页，2023年，2月20日，星期一第50页，共71页，2023年，2月20日，星期一由P波发现了地核、内核

（4）体波可以从比较小的距离到比较大的距离连续地追踪，但是在大约104°(在地球表面1°

约

等于111.1千米)左右的距离上，体波突然“消声匿迹”，出现了一个“影区”。这种现象的

原因是，地震波在地核的界面上发生了折射。地震学家古登堡正是根据这一现象确认了地核

的存在。原来这一巨大的“影区”竟是地核的影子。从地震波传播的情况来看，地核似乎是

不传播横波的。地震学家因此推测，地核是液态的。

1936年，丹麦女地震学家莱曼在“阴影

”中辨认出地球的固态内核的形象，即在液态的地核之中还有一个固态的地球内核。当时很

多专家对此表示怀疑，但最后还是莱曼胜利了。她的“武器”不是别的，就是地震观测资料

。1996年，华裔科学家发现，地球内核的转动比地壳和地幔快，这一发现引起科学界的普遍关注

。现在科学界正在争论的问题之一是：内核转动究竟是时快时慢呢，还是一直比地壳和地幔

都快呢?1998年，科学家又发现，内核也是有结构的。第51页，共71页，2023年，2月20日，星期一2、地震波在地球内部的传播第52页，共71页，2023年，2月20日，星期一第53页，共71页，2023年，2月20日，星期一地核的发现者——奥尔德姆(1858～1936年)第54页，共71页，2023年，2月20日，星期一地球内核的发现地球内核的发现者英格·莱曼1888～1993年第55页，共71页，2023年，2月20日，星期一英格·莱曼的论文中引用的两幅俄国地震台记录的新西兰1929年6月16日地震图（a）和穿过简单3层地球模型的简化的波的路径（b）

第56页，共71页，2023年，2月20日，星期一地球内部圈层结构及各圈层的主要地球物理数据内部圈层深度km地震波速度密度ρg·cm-3压力PMPa重力gm·s-2温度tC附注纵波Vp横波Vs0335.67.03.44.22.62.90120098198314400-1000岩石圈(固态)地壳

(莫霍面)地幔上地幔608.24.63.3419009841100低速层1007.934.363.4233009841200软流圈(部分熔融)2506508.210.084.55.423.64.646800185009899951900(固态)下地幔(古登堡面)288513.547.235.5613520010693700地核外核41707.989.53009.9811.42252000760(液态地核)过渡层515510.33012.253281004274300固-液态过渡带内核637110.8911.173.463.5012.5136170004500固态地核第57页，共71页，2023年，2月20日，星期一奥尔德姆绘制的P波和S波走时曲线

第58页，共71页，2023年，2月20日，星期一地震波干扰记录第59页，共71页，2023年，2月20日，星期一第60页，共71页，2023年，2月20日，星期一第61页，共71页，2023年，2月20日，星期一第62页，共71页，2023年，2月20日，星期一地球整体振荡可能是T型或S型T型振荡完全由地球岩石的水平运动引起，S型振荡由地球径向位移和水平位移共同引起

第63页，共71页，2023年，2月20日，星期一表6.1地球内部的主要壳层

名称深度范围/千米物理状态

地壳

上地幔：非地壳的岩石圈软流圈下地幔过渡层外地核内地核5～11(大洋)0～40(大陆)

莫霍面到150千米150～670670～27802780～28852885～51555155～6371固态固态

固态固态(上部接近熔融)固态固态(较低的速度)液态固态第64页，共71页，2023年，2月20日，星期一利用