地震与地震波研究

摘要：地震波,意指在地球内部传递的波，一般而言，地震波是由构造地震所产生。本文通过介绍地震波传播的基本问题, 地震波传播动力学的基本问题,初步探讨地震波在地震灾害中的应用以及地震波在防震中应用的展望。

关键词：地震波纵波横波

中图分类号： P315.1文献标识码：A 文章编号：

1地震波的产生原理和地震波和分类

1.1产生原理

地震的原因是断层破裂。断层破裂时，两侧的岩体会相对移动，并释放出累积的能量，强大压力大大超过岩石的极限强度，岩石遭到破坏形成一个破坏圈。随着离开震源距离的增大，压力减小，但仍超过岩石的弹性限度。此时岩石虽不发生破碎，但发生塑性形变，形成一些辐射状或环状裂隙。塑性带以外，随着离开震源距离的进一步增加，压力降低到弹性限度以内；又因为震源所产生的是一个延续时间很短的作用力，所以这一区域的岩石发生弹性形变。所以地震波实质上就是一种在岩层中传播的弹性波。

1.2地震波的分类

按波在传播过程中质点振动的方向来区分，可以分为纵波和横波。形变使质点振动的方向与波传播的方向一致。即主要产生纵波。又称P波。它使地面发生上下振动，破坏性较弱。质点沿着与波传播方向相垂直的振动，形成横波。即S波。横波为震动方向与波的传播方向相垂直的波，横波使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。

根据波动所能传播的空间范围，地震波又可分为体波和面波。

体波：在无限均匀介质中只产生纵波和横波。纵波和横波可以在介质的整个立体空间中传播，所以把它们合称为体波。

面波：地表面是岩石和空气接触的分界面(称为自由表面)。在地下也有许多不同岩层的分界面。这时，除了纵波与横波外，还会产生一些与自由表面或岩层分界面有关的特殊的波。只在自由表面或不同弹性的介质分界面附近观测到，其强度随离开界面的距离加大而迅速衰减的波，称为面波。

2地震波传播规律

2.1反射和透射，当波入射到两种介质分界面时，会发生反射和透射。

2.2反射定律和透射定律

反射定律：反射线位于入射面内，反射角等于入射角，=

透射定律：透射线也位于入射面内，而且：

2.3斯奈尔定律：

对于水平层装介质，各层的纵波，横波速度分别用

表示入射波为纵波，入射角为，各层纵横波的反射角和透射角分别为，表示则 p为射线系数

2.4 费马原理：

波在各种介质中的传播路线满足所用时间为最短的路径传播

2.5惠更斯原理：

行进中的波阵面上任一点都可看作是新的次波源，而从波阵面上各点发出的许多次波所形成的包络面，就是原波面在一定时间内所传播到的新波面。

3地震波在地震灾害中的应用

在探测震源破裂过程方面，最可信赖的信息就是地震波。让我们来看一下断层运动与地震波振动的关系。这里为了简便起见，假设是在均匀的弹性体中，且观测点位于远处，并设震源与观测点的距离为r，P波和S波的振动位移可近似地表示为：

式中，P为介质的密度，c为P波和S波的速度，R为由震源几何产状决定的振幅方位分布，(f)为位移时间变化的函数(也称为震源时间函数或瞬时速度函数)。

图l所示的振幅方位分布是由断层的走向和观测点的位置决定的。沿断层面方向，P波的振幅为零，S波的振幅为最大。如果利用这样的性质，由被观测的P波、S波的振幅和方向，可以知道断层的几何产状。因为在3个点以上进行观测的话，就能确定断层的位置(方位和距离)，所以确定了(1)式中的R就可以由观测到的地震记录u(t)求出震源时间函数(f)。震源时间函数对研究破裂的过程特别重要。震源区扩展小的时候，将错动速度v在断层面上积分，近似得出：

式中的是介质的剪切模量。此式含有反映断层运动特征的两个量。除了错动速度v以外，还隐含着断层面积的扩大速度(=dS／df)。断层面并不是瞬间形成的，破裂以某个有限的速度扩展下去。破裂扩展的速度大约为S波速度的0．7倍(2～3km／s)。断层面上的错动是在这种破裂后，某个时间(亦称为上升时间)发生的。

v越大且越大，观测的振幅就越大。而且，观测波形的脉冲宽度(持续时间)也由破裂的传播时间和上升时间共同给出。因为地表和地层边界的反射和折射，实际的地震波要比(1)式给出的函数复杂。可是，如果能用什么方法排除这些影响，只提取由震源直接传播来的波(直达波)，那么其位移波形就表示为震源时间函数。因而研究地震的破裂过程，最重要的一点，就是首先要准确记录地面的晃动(位移)。在时间上对(2)式进行积分，其值为：

被称为地震矩(实际具有[力]×[长度]的量纲)。D，S分别为最终的错动量和断层面积。地震矩和地震波能量，都是表示震源大小的指标。一般来讲，地震矩和地震波能量大致成比例关系。而在“缓慢地震”这种错动速度迟缓的地震中，即使地震矩相同，地震波能量却要小得多。矩震级w可用地震矩M(单位为N·m)定义如下：

log为常用对数，9．1和1．5为常数，当地震不太大的时候，常按由面波振幅定义的普通震级来确定。地球内部的基岩不均匀而又充满裂痕，因此，破裂的过程不会是均匀平稳的，而是在不断扩展和停止中艰难地行进。这时伴随着破裂点的移动，在移动方向的观测点，波的到达时间相对早一点，反之，相反方向的，观测点就迟一些。如果利用这个性质，就能根据各个观测点的地震波形求出破裂的扩散范围和方向。从而达到预测地震目的。

4 地震波应用展望

在人类还没有完全掌握地震预测手段之前，用地震波预警争取时间，将是当前减少地震伤亡的主攻方向。如前所述地震的实体波有两种，一是破坏性较弱的纵波(P波)，在地壳中的传播速度约为5.5~7公里/秒；一是破坏性较强的横波(S波)，在地壳中的传播速度为3.2~4公里/秒。而相比之下，电波的速度为30万公里/秒。目前我国开发出的地震预警系统，就是利用电波的速度比地震波快的特点，来打时间差。需要明确的概念是，地震预警并不同于地震预报。地震预报是指在地震发生之前，对有可能发生的地震进行事先通知；地震预警则是在地震发生之后，在地震波到达受害地表、造成破坏之前发出警报。目前所做的工作，其实是地震发生后几秒钟时间的快速预警，而不是地震发生前的预报。

具体的操作过程是：设在地底深处的地震仪检测到纵波后，立刻传给计算机，计算机则分析震源、震级、地震波到达各个地方的时间与烈度，然后传给气象厅。一旦预测到之后到达地表的横波的破坏性达到一定程度，就通过电视、广播和卫星等数据传输系统紧急地震警报。即使处于关机状态，电视、手机也能马上收到警报。在乡村，当地政府还会发给居民收音机，以确保他们能及时得到疏散的信息。在今年2月19日，部署在云南省昭通市的地震预警系统，就曾提前15秒预警云南昭通和四川凉山交界处的4.9级地震。这是国内地震预警系统首次实现对破坏性地震的成功预警。地震预警系统不是地震预报，而是在地震发生后利用不同地震波传播速度的差异，在地震到达前几秒甚至几十秒获得该地震发生的信息，预警人们采取紧急预防措施，来防止更大的破坏发生。

比如，如果距离成都的A地发生了破坏性地震，成都地震台网接收到纵波信息，利用横波和纵波到达之间几秒甚至10多秒的时间差，及时作出防范措施，包括使正在高铁上高速运行的列车紧急制动。这就是地震的预警。也可以利用在A地的地震装置记录到地震信息后，及时用有线或无线的方式传输到成都，电波的速度比地震波快得多，也可以有数秒或更长的时间差来进行预警。有效的地震预警能大大降低因灾所致的人员伤亡和财产损失。

参考文献：

刘斌.地震学原理与应用.中国科学技术大学出版社,2009.6

钱荣钧.地震波的特性及相关技术分析.石油工业出版社,2008