地震波与地球圈层

地震波与地球内部圈层刘继龙10210124地震波是由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时，震源释放出巨大的能量。震源区的介质在这股能量的驱动下发生剧烈的振动和破裂，这种振动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及其表层各处传播出去，形成了连续介质中的弹性波。地震震源施放出的能量沿振动波传播到地表，给地面的建筑物造成强烈的破坏。按介质内质元振动方向与波传播方向的关系对波分类，最基本的有横波与纵波。波传播时，介质的每个体元均在自己的平衡位置附近振动。若介质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直，叫做横波。其中一种典型是具有剪切弹性的固体中的横波。若介质中各体元振动的方向和波传播的方向平行，叫做纵波。这时，介质内诸体元时而靠近、时而疏远。纵波在具有拉伸压缩弹性或有膨胀压缩体变弹性的介质中传播。固体内部可以产生切应力和拉伸压缩应力，从而可传播横波和纵波。液体和气体具有体积压缩弹性，可以传播弹性纵波。在两种介质的表面上还可以传播表面波。例如水面波传播时，水的微团沿圆或椭圆轨道运动。地震波主要分为两种，一种是实体波，一种是表面波。表面波只在地表传递，实体波能穿越地球内部。实体波在在地球内部传递，又分成P波和S波两种。P波为一种纵波，粒子振动方向和波前进方平行，在所有地震波中，前进速度最快，也最早抵达。P波能在固体、液体或气体中传递。S波前进速度仅次于P波，粒子振动方向垂直于波的前进方向，是一种横波。，波只能在固体中传递，无法穿过液态外地核。表面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。表面波有低频率、高震幅和低频散的特性，只能沿地表传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。根据对波动方程七72九=0的分析可以得到：地震波的传播速度由下式决定。Ev=—V该式中E为介质的弹性模量，P为介质的密度。P波的传播是由介质沿传播方向的振动导致的。这种振动的效果是介质体元体积的变化。当向岩石立方块表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化所需压力大小的度量称为体积弹性模量K。P波的波速可以表示为：

S波的传播是由垂直于传播方向的介质振动导致的。这种振动的效果是介质体元的剪切变形。在向岩石体元两相对的面上施加方向相反的切向力时，这体元将受剪切而变形，而没有体积变化。其单位体积的剪切形变所需压力大小的度量称为剪切弹性模量R。S波的波速可以表示为：vSvS地球岩石介质的平均体积弹性模量Eq2.7X109N/m2，平均切变弹性模量R-1.6X109N/m2。由该数据我们可以得到：P波的传播速度比S波的传播速度快。利用P波与S波传播速度的差异，我们只需要测量出P波与S波抵达地震台站的时间差心就能得到震中距r：rrA———=At从上式中就能得到:r=Vp—VsAt

vv研究地震波传播速度的另一个目的就是确定地球内部圈层的结构。地球的内部圈层结构是根据地震波来划分的。这幅图给出了地震波的概念，并在V——横波-(S)〔p〕V ■1_1古登堡界面地震波速度与地球内部构造圈400050006000彳Wz地壳莫霍界面3000外核2000深度〔千米）1000速度〔:千米/秒）「古登堡界面地震波速度与地球内部构造圈400050006000彳Wz地壳莫霍界面3000外核2000深度〔千米）1000速度〔:千米/秒）「I3 6 9 12 15的传播及其特点。地震波传播的速度与其通过的介质性质有关。如果介质是均质体，地震波是等速直线传播的。当介质性质发生变化时，地震波传播速度会有变化，特别是地震波通过性质完全不同的两种物质的分解面时，波速会发生突然变化（突快、突慢或突然消失）。这样，地震波就可以带来地球内部的信息，利用这些信息就可以推测地球内部构造和物质状态。地震波在地球内部传播的速度一般随深度递增，但又不是匀速增加，通常在若干深度处发生突然变化，这种纵向上的不均匀性，说明地球内部物质成同心圈层构造。从图中可知：在地下约33千米处，地震波的纵波和横波的波速，由地表向下突然加大。这说明该深度处上下物质在成份或状态上有改变，这个深度就是上下两种物质的分界面，我们称之为不连续面。1909年，奥地利地震学家莫霍洛维契奇根据地震资料，首先发现了这一不连续面，故命名为莫霍洛维契奇面，简称"莫霍界面"。在地下2900千米处，地震波横波突然消失，纵波的速度明显下降，说明此深度处地球内部物质也有明显差异，也称为不连续面。1914年，德国地震学者古登堡最早研究了这一不连续面，故命名为"古登堡界面"。莫霍界面和古登堡界面将地球内部划分为三个圈层：地壳、地幔、地核。地壳位于莫霍界面之外，是地球表面一层薄薄的，由岩石组成的坚硬外壳。它厚薄不一，大陆部分比较厚，大洋部分比较薄，平均厚度约为17km。地幔位于莫霍界面与古登堡界面之间，厚度为2800多km。根据地震波波速的变化，把地幔分为上地幔与下地幔两层。在上地幔顶层存在一个软流层，一般认为这里可能是岩浆的主要发源地。地核以古登堡界面与地幔分界，厚度为3400多km。地震波的波速在古登堡界面至地心之间的地下5100千米处，也存在一定的变化，称为次级不连续面。这个次级不连续面将地核分为外核和内核。地核的温度很高，密度和压力很大。地震作为一种破坏性的自然灾害，对人民生命与社会财