第二章-地震波

1、地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波第二章第二章 地震波地震波 斷層破裂激發(fā)地震波，引起地震動。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；基于強地震動的觀測和研置和地震震級；基于強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。究，得以確定工程結(jié)構(gòu)的地震動輸入。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波第二章第二章 地震波地震波第一節(jié)第一節(jié) 波的性質(zhì)簡述波的性質(zhì)簡述第二節(jié)第二節(jié) 地震

2、波地震波第三節(jié)第三節(jié) 地震波的類型地震波的類型第四節(jié)第四節(jié) 地震波的波序地震波的波序地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 波動波動是振動的傳播過程是振動的傳播過程。機械波：機械振動在介質(zhì)中的傳播過程。機械波：機械振動在介質(zhì)中的傳播過程。電磁波：變化的電場和變化的磁場在空電磁波：變化的電場和變化的磁場在空 間的傳播過程。間的傳播過程。第一節(jié)第一節(jié) 波的性質(zhì)簡述波的性質(zhì)簡述地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波彈性介質(zhì)彈性介質(zhì) 注：波動是波源的振動狀態(tài)或振動能量在介質(zhì)中注：波動是波源的振動狀態(tài)或振動能量在介質(zhì)中 的傳播，介質(zhì)的質(zhì)點并不隨

3、波前進。的傳播，介質(zhì)的質(zhì)點并不隨波前進。波源波源產(chǎn)生機械振動的振源產(chǎn)生機械振動的振源傳播機械振動的介質(zhì)傳播機械振動的介質(zhì)地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波2.2.橫波和縱波橫波和縱波橫波：橫波：質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直。質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直。 注注：在固體中可以傳播橫波或縱波，在液體、在固體中可以傳播橫波或縱波，在液體、 氣體氣體( (因無剪切效應(yīng)因無剪切效應(yīng)) )中只能傳播縱波。中只能傳播縱波。縱波：縱波：質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向平行。質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向平行。振動方向振動方向傳播方向傳播方向波谷波谷波峰波峰波密波密波疏波疏地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波

4、當(dāng)波源作簡諧振動時，介質(zhì)中各個質(zhì)點也作簡當(dāng)波源作簡諧振動時，介質(zhì)中各個質(zhì)點也作簡諧振動，這時的波動稱為諧振動，這時的波動稱為簡諧波簡諧波( (正弦波或余弦波正弦波或余弦波) )?？v波和橫波的傳播過程：縱波和橫波的傳播過程：地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波3.3.波陣面和波射線波陣面和波射線波線：波線：沿波的傳播方向作的一些帶箭頭的線。波線沿波的傳播方向作的一些帶箭頭的線。波線的指向表示波的傳播方向。的指向表示波的傳播方向。波陣面：波陣面：在波動過程中，把振動相位相同的點連成在波動過程中，把振動相位相同的點連成的的面面( (簡稱波面簡稱波面) )。波前：波前：在任何時刻，波面有無數(shù)多個，最前方

5、的波在任何時刻，波面有無數(shù)多個，最前方的波面即是波前。波前只有一個。面即是波前。波前只有一個。平面波平面波：波面為平面波面為平面球面波球面波：波面為球面波面為球面柱面波柱面波：波面為柱面波面為柱面地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波陣面和波射線波陣面和波射線平面波平面波球面波球面波波波線線波波陣陣面面波波陣陣面面波波線線1、在各向同性介質(zhì)中傳播時，波線和波陣面垂直。、在各向同性介質(zhì)中傳播時，波線和波陣面垂直。注：注：2、在遠離波源的球面波波面上的任何一個小部份，、在遠離波源的球面波波面上的任何一個小部份，都可視為平面波。都可視為平面波。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波球面波、柱面波的形成過程

6、：球面波、柱面波的形成過程：波陣面和波射線波陣面和波射線地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波4.4.波長和頻率波長和頻率頻率和周期只決定于波源，和介質(zhì)種類無關(guān)。頻率和周期只決定于波源，和介質(zhì)種類無關(guān)。頻率頻率：周期的倒數(shù)。：周期的倒數(shù)。周期周期：傳播一個波長距離所用的時間。：傳播一個波長距離所用的時間。波長波長：在同一條波線上，相差為：在同一條波線上，相差為 的質(zhì)點間的距離。的質(zhì)點間的距離。2波速、周期和波長之間存在如下關(guān)系：波速、周期和波長之間存在如下關(guān)系：fTvv波速波速T周期周期波長波長f頻率頻率地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波長、頻率和波速之間的關(guān)系波長、頻率和波速之間的關(guān)系u個個

7、當(dāng)波長遠大于介質(zhì)分子間的距離時，宏觀上介質(zhì)當(dāng)波長遠大于介質(zhì)分子間的距離時，宏觀上介質(zhì)可視為是連續(xù)的；若波長小到分子間距尺度時，介質(zhì)可視為是連續(xù)的；若波長小到分子間距尺度時，介質(zhì)不再具備連續(xù)性，此時不能傳播彈性波。不再具備連續(xù)性，此時不能傳播彈性波。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波數(shù)波數(shù)k也是常用的描述波動的參數(shù)，定義為也是常用的描述波動的參數(shù)，定義為2 長度中所包含的波長長度中所包含的波長的個數(shù)。的個數(shù)。練習(xí)題1、太平洋上有一次形成的洋波速度為740km/h，波長為300km，這種洋波的頻率是多少？波數(shù)是多少？ 2、據(jù)報到，1976年唐山大地震時，當(dāng)?shù)啬尘用裨幻偷叵蛏蠏伷?m高，設(shè)地震橫

8、波為簡諧波，且頻率為1Hz，波速為3km/s，它的波長多大，振幅多大？12cfTkcTfc2地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 我們見到的波動很少是單頻率的，它們通常是不同頻率波動我們見到的波動很少是單頻率的，它們通常是不同頻率波動的混合。的混合。 在更多的情況下，盡管一種特定的波并不是單一頻率的，在在更多的情況下，盡管一種特定的波并不是單一頻率的，在這種波的波譜中卻有一個或幾個起主要作用的優(yōu)勢頻率。對這種波的波譜中卻有一個或幾個起主要作用的優(yōu)勢頻率。對于光波來說，不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的顏色，而對于聲于光波來說，不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的顏色，而對于聲波來說，不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的音調(diào)

9、。當(dāng)涉及頻率或波來說，不同的優(yōu)勢頻率決定了不同的音調(diào)。當(dāng)涉及頻率或周期的時候，我們指的一般都是這種優(yōu)勢頻率或優(yōu)勢周期。周期的時候，我們指的一般都是這種優(yōu)勢頻率或優(yōu)勢周期。 我們可以用波前來描述波的傳播。在高頻近似的情況下，我我們可以用波前來描述波的傳播。在高頻近似的情況下，我們也可以使用波射線來描述波的傳播。這種情況與在光學(xué)中們也可以使用波射線來描述波的傳播。這種情況與在光學(xué)中所見到的情形是相似的：在那里，我們可以使用光線來描述所見到的情形是相似的：在那里，我們可以使用光線來描述光波的傳播，光線不僅能描述光的傳播，而且還可以很好地光波的傳播，光線不僅能描述光的傳播，而且還可以很好地描述光在不同

10、介質(zhì)的分界面上的反射和折射。但是，如果涉描述光在不同介質(zhì)的分界面上的反射和折射。但是，如果涉及到光波的干涉、散射和衍散，那么光線的概念就不再適用，及到光波的干涉、散射和衍散，那么光線的概念就不再適用，我們還得回到光波的概念。我們還得回到光波的概念。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波動基本性質(zhì)波動基本性質(zhì) 波在傳播介質(zhì)的界面上能產(chǎn)生反射反射和折射折射 彈性波疊加時遵守波的疊加疊加原理原理 兩束或兩束以上的同頻波疊加時能產(chǎn)生干涉干涉現(xiàn)現(xiàn)象象；能量匯集形成駐波駐波 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，稱為波的波的繞射繞射（衍射衍射）； 某些波具有偏振偏振現(xiàn)象，既傳播介質(zhì)質(zhì)點的

11、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幅值衰減衰減的現(xiàn)象。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波的干涉波的干涉地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波波的繞射（衍射）波的繞射（衍射）地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波主要簡化和基本理論1、地震波的復(fù)雜性 地震激發(fā)的機械波大部分在固體地球中傳播，因此既有縱波又有橫波，這比聲波和電磁波更為復(fù)雜。 地球是個有界體，內(nèi)外物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)差別是很大的。對于地震波的傳播而言，地球表面是個尖銳的界面；地球內(nèi)部的化學(xué)成分、力學(xué)性質(zhì)（密度、彈性參數(shù)等）是不均勻的，因此也形成許多界面（地震學(xué)中稱為間斷面）或梯度區(qū)。縱、橫波在這些間斷面上發(fā)生反射、折射、波

12、型轉(zhuǎn)換、散射以及衍射，使疊加在一起形成的總波場變得十分復(fù)雜。 同時，地球介質(zhì)是非完全彈性的，對機械波具有吸收和頻散作用，這不僅使彈性波的振幅發(fā)生衰減，也會使波形發(fā)生改變。 另外，天然地震的震源過程本身也相當(dāng)復(fù)雜，所以輻射出的彈性波場也是非常復(fù)雜的。所有這些，使得我們在研究地震波傳播時遇到的問題十分復(fù)雜，如果不進行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，根本沒有辦法進行深入研究。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波2、分析地震波時的主要簡化假設(shè) 忽略次要因素，突出主要因素，使問題簡化、易于處理，從而得出地震波在地球中傳播的基本規(guī)律。我們可以把地球介質(zhì)簡化為均勻分層、各向同性的完全線彈性的連續(xù)介質(zhì)。 （1）小變形和完全彈性

13、假設(shè) （2）絕熱假設(shè) （3）各向同性假設(shè) （4）重力的影響 （5）實際地球各種分界面幾何形狀的近似地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波3、地震波理論的主要內(nèi)容 針對簡化后的地球介質(zhì)模型，一般對地震波在地球內(nèi)部傳播的研究主要有兩類方法：動力學(xué)方法和運動學(xué)方法。 動力學(xué)方法動力學(xué)方法通過求解滿足相應(yīng)邊界條件的波動方程，研究平面波在平界面上的反射、折射，均勻半空間及平行分層空間中的地震面波，以及針對球?qū)ΨQ模型的自重地球的自由振蕩。 運動學(xué)方法運動學(xué)方法將波動方程的求解進一步簡化成關(guān)于波傳播的射線理論，利用“地震射線”這一概念，研究地震波在地球內(nèi)部傳播的運動學(xué)特征，并在次基礎(chǔ)上獲得地球內(nèi)部的相關(guān)結(jié)構(gòu)信息

14、。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波第二節(jié)第二節(jié) 地震波地震波 地震波是一種由地震震源發(fā)出在地球內(nèi)部傳播的波。至今為止,人們對地球內(nèi)部的認識主要來自地震學(xué)，因為人們不能直接達到地球內(nèi)部，只能靠地震激發(fā)的地震波來研究它。 當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,從震源輻射出各種類型的波,有些波通過地球內(nèi)部傳播,有些沿著表面?zhèn)鞑ァ倪@些波的走時，頻率和振幅特性或頻散性質(zhì)，可以確定地球內(nèi)部的波速和深度的關(guān)系。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波一、彈性介質(zhì)及彈性常量1、彈性介質(zhì) 巖石或地層的連續(xù)性并不好,而且?guī)r石的化學(xué)成分和物理性質(zhì)也常有變化。但是,我們所討論的地震波,其波長一般大于數(shù)百米以至數(shù)千米,因此地球介質(zhì)通?？梢哉J為

15、是均勻和連續(xù)的。 對于天然地震和人工爆破,除了在源附近外,介質(zhì)所受的力一般都是很小的, 延續(xù)的時間很短, 通?？梢砸暯橘|(zhì)為完全彈性體。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 介質(zhì)的性質(zhì)(elastic)：DLs s應(yīng)變： e=DL/LDL/L=s/E應(yīng)力： sF/As=Ee:未加載 加載卸載地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 介質(zhì)的 脆性脆性 性質(zhì)(brittle)DLs s未加載 加載卸載地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 介質(zhì)的性質(zhì)(plastic):DLs s未加載 加載卸載卸載不能完全恢復(fù)原狀，有“永久殘余變形”。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波Stress-Strain Relati

16、on (based on experimental result)Linear range(Hookes Law)Elastic rangefailurePlastic deformationPermanent strain0Strain(e)Stress(s)Failure(brittle)地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 應(yīng)力、應(yīng)變及廣義胡克定律seE1hhDe hDhAF截面積：作用在A上的拉力胡克定律： AFs應(yīng)力：應(yīng)變：式中：E為拉壓彈性模量。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波內(nèi)力內(nèi)力假想切開物體，截面兩邊互相作用假想切開物體，截面兩邊互相作用 的力（合力和合力矩的力（合力和合力矩

17、)，稱為內(nèi)力，稱為內(nèi)力。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波應(yīng)力應(yīng)力截面上某一點處，單位截面面積上的 內(nèi)力值。xxyyx（量綱）（表示） 面上沿 向正應(yīng)力， 面上沿 向切應(yīng)力。（符號）應(yīng)力成對出現(xiàn)，坐標(biāo)面上的應(yīng) 力以正面正向，負面負向為正。12.ML Txx地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波正應(yīng)變 ，以伸長為正。形變形變 形狀的改變。以通過一點的沿坐標(biāo) 正向微分線段的正應(yīng)變 和切應(yīng) 變 來表示。切應(yīng)變 , 以直角減小為正,用弧度表示。e, xyeexy地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波2、彈性常量楊氏模量(E) 在線應(yīng)變(純伸長或純壓縮)情況下,應(yīng)力與應(yīng)變滿足

18、式中DL是縱向應(yīng)力引起的長度變化,E為楊氏模量。 LLESFD地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波泊松比( ) 當(dāng)樣品受到縱向拉力,在縱向發(fā)生伸長的同時,在橫向上也必然發(fā)生相應(yīng)的縮短,反之,縱向壓縮,必伴隨橫向的擴張。設(shè)樣品的橫截面線度為d,其變化量為Dd,則橫向線度的相對變化率Dd/d與縱向長度的相對變化率DL/L之比為常數(shù),此常數(shù)即為泊松比,即 式中 稱為泊松比。實驗表明,對于一切介質(zhì), 介于0到1/2之間,金屬介于1/4到1/3之間。對于地球介質(zhì),常取1/4表示地幔的大部分,對于地球外核(液態(tài))取為1/2。式中的負號表明Dd與DL變化方向相反。 LLddDD地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震

19、波體變模量(K) 在地球介質(zhì)中,最常見的是液體靜壓力,即各個方向都受到壓力,且大小相等。體變模量則表示在這種情況下應(yīng)力與應(yīng)變的比值,即 式中K稱為體變模量,DV是靜壓力引起的體積變化量。 VVKSFD地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波切變模量() 在單純發(fā)生剪切應(yīng)力(力的方向與受力面平行)時,應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為切變模量。切應(yīng)變時不發(fā)生體積變化,僅發(fā)生形狀變化?？梢员硎境?式中是在切變情況下的偏轉(zhuǎn)角度,為切變模量,或叫剛性系數(shù)。SF地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波在彈性介質(zhì)中，存在兩種基本類型的彈性波：縱波縱波（Longitudinal wave, or Compressional wave

20、) -質(zhì)點振動方向與振動（能量）傳播方向 -傳播速度為：EVP(2) （Transverse wave, or Shear wave) -質(zhì)點振動方向與振動（能量）傳播方向 -傳播速度為：SV縱波速度比橫波速度大（一般為： ）因此，在地震記錄上縱波總是首先到達。所以，縱波也被稱為P波（Primary wave） 橫波也被稱為S波（Secondary wave）SpVV 3地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 如果切變模量0,則橫波速度Vs=0。這說明在切變模量為零的介質(zhì)(液體)中,橫波不能通過。地球的外核由于沒有橫波通過,應(yīng)當(dāng)屬于液態(tài)性質(zhì)。 很多固體,特別是地表附近的巖石,它的泊松比接近于1/4

21、。這時=,于是有 ,這種關(guān)系式稱為泊松關(guān)系式,滿足此關(guān)系式的介質(zhì)稱為泊松介質(zhì)。 SPVV3地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波P波速度：S波速度：其中：k為體積模量， 為剪切模量， 介質(zhì)的密度 。/ )4/3( kvp/sv表2.1.1-1 花崗巖和水的彈性模量及其中的彈性波波速介質(zhì)體積模量k（達因/厘米2）剪切模量（達因/厘米2）P波波速（千米/秒）S波波速（千米/秒）花崗巖2710101.610105.53.0水2101001.50地球內(nèi)部地球內(nèi)部隨深度變化隨深度變化速度怎么速度怎么變化的變化的？地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波第三節(jié)第三節(jié) 地震波的類型地

22、震波的類型 在無限、各向同性的均勻彈性介質(zhì)中,僅有兩種類型的彈性波傳播,即縱波和橫波。 但是在半無限、各向同性的均勻彈性介質(zhì)或成層介質(zhì)中,有可能出現(xiàn)一種彈性波,這種波的特點是：擾動的幅度隨著離開界面距離的增加而迅速衰減,或者說,擾動只局限于界面附近。通常稱這種波為面波。 由于地球具有邊界和內(nèi)部分層構(gòu)造,地震波不僅有縱波和橫波,還有面波和地球自由振蕩。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波1.體波 體波是指可以在地球內(nèi)部三維空間中向任何方向傳播的波，包括P波和S波。彈性波的傳播,實際是介質(zhì)中彈性形變的傳播,任何復(fù)雜的彈性應(yīng)變都可分解為兩種基本應(yīng)變體變和切變來表示,與體變相應(yīng)的為縱波,與切變相應(yīng)的為

23、橫波。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波1、體波、體波 P波又稱初波，亦稱縱波或初波，亦稱縱波或脹縮波脹縮波，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、次波，亦稱橫波、剪切波、旋轉(zhuǎn)波或畸變波，剪切波、旋轉(zhuǎn)波或畸變波，是一種偏振波是一種偏振波，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)稱體波體波。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波縱波橫波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波縱波橫波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 S波可以分解成兩個分量,S波平行于界面的位移分量為SH波,S波在入射

24、線和界面法線構(gòu)成的平面上(稱為入射面)的位移分量為SV波 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波P波和S波的主要差異 （1）P波的傳播速度比S波快，地震圖上先出現(xiàn)P波。 （2）P波和S波的質(zhì)點振動（偏振）方向相互垂直。 （3）一般情況下，三分量地震圖上P波的垂直分量相對較 強，S波的水平分量相對較強。 （4）S波的低頻成分比P波豐富。 （5）天然地震的震源破裂通常剪切破裂和剪切錯動為主，震源向外輻射的S波的能量比P波的強。 （6）P波通過時，質(zhì)元無轉(zhuǎn)動運動，而有體積變化，P波是一種無旋波。S波通過時，質(zhì)元有轉(zhuǎn)動，而無體積變化， S波一種無散的等容波。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 波動入射至界

25、面，還會發(fā)生更復(fù)雜的波動入射至界面，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，折射角或反射角將速大于入射波波速時，折射角或反射角將大于入射角，大于入射角，90的折射角或反射角對應(yīng)的折射角或反射角對應(yīng)的入射角稱為的入射角稱為臨界入射角臨界入射角。當(dāng)入射角大于。當(dāng)入射角大于臨界入射角時，將生成沿界面?zhèn)鞑サ哪芰颗R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?，稱為界集中于界面附近的非均勻平面波，稱為界面波，地震學(xué)和地震工程學(xué)中稱其為面波。面波，地震學(xué)和地震工程學(xué)中稱其為面波。地震面波有地震面波有瑞利波瑞利波、拉夫波兩拉

26、夫波兩種。種。 (Surface waves) 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波瑞利波瑞利波 瑞利波是瑞利波是P波與波與SV波干涉的結(jié)果，理論上波干涉的結(jié)果，理論上是沿著半無限彈性介質(zhì)是沿著半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ牟?，瑞自由表面?zhèn)鞑サ牟ǎ鹄ㄔ诰嗖ㄔ摧^遠處，利波在距波源較遠處，其破壞力比沿空間各方其破壞力比沿空間各方向擴展的縱波和橫波大向擴展的縱波和橫波大得多，是地震工程學(xué)中得多，是地震工程學(xué)中的主要研究對象；低速，的主要研究對象；低速，低頻和強振幅的瑞利波低頻和強振幅的瑞利波俗稱地滾波。俗稱地滾波。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波勒夫波勒夫波 勒夫波是在水平成層介質(zhì)界面上產(chǎn)生的勒

27、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，波速介于上下層的波速之間。沿水平方向傳播，波速介于上下層的波速之間。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。向振動，因振幅很大而具破壞性，俗稱蛇形波。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波面波的頻散面波的頻散 面波有不同的頻率成分，面波有不同的頻率成分，其重要特性是頻散。地球結(jié)構(gòu)是其重要特性是頻

28、散。地球結(jié)構(gòu)是成層的，各層介質(zhì)的力學(xué)特性不成層的，各層介質(zhì)的力學(xué)特性不同、也并不嚴格是彈性、均勻、同、也并不嚴格是彈性、均勻、各向同性的，這將導(dǎo)致不同頻率各向同性的，這將導(dǎo)致不同頻率波的傳播速度發(fā)生變化，某些頻波的傳播速度發(fā)生變化，某些頻率的波相對其他頻率的波行進較率的波相對其他頻率的波行進較快，造成地震波波形的變化，這快，造成地震波波形的變化，這一現(xiàn)象稱為頻散；頻散規(guī)律一現(xiàn)象稱為頻散；頻散規(guī)律c=c()稱為頻散曲線，稱為頻散曲線，c為波速，為波速，為圓頻率。波速隨波長增大而為圓頻率。波速隨波長增大而增加的頻散現(xiàn)象稱為正常頻散，增加的頻散現(xiàn)象稱為正常頻散，如實測勒夫波的如實測勒夫波的“長波快長

29、波快”（即（即波長較大的波比波長小的波行進波長較大的波比波長小的波行進更快）現(xiàn)象。更快）現(xiàn)象。 地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波相速度、波包和群速度相速度、波包和群速度 前面所述的波速是對前面所述的波速是對應(yīng)某一頻率的波速，稱為應(yīng)某一頻率的波速，稱為相速度。地震波是多種頻相速度。地震波是多種頻率的波的疊加，其能量不率的波的疊加，其能量不能由單一頻率的波決定。能由單一頻率的波決定。為描述地震能量的傳播可為描述地震能量的傳播可引入群速度的概念。群速引入群速度的概念。群速度是地震波包的傳播速度。度是地震波包的傳播速度。將兩個頻率接近的正弦波將兩個頻率接近的正弦波相加，可以得到連串的形相加，可以得到

30、連串的形狀不變的波包，某一觀測狀不變的波包，某一觀測點的振動依波包起伏，從點的振動依波包起伏，從一個波包中心到另一個相一個波包中心到另一個相鄰波包中心的行進速度稱鄰波包中心的行進速度稱為群速度。為群速度。地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波頻率頻率相速度相速度S1S2S3S2S1S3Time能量分布；(1) 頻散特征。z簡正振型簡正振型地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 Rayleigh 波波Rayleigh 波波Love 波波Rayleigh 波波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 Love 波波Rayleigh 波波地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波面波在研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題上的應(yīng)用 觀測（地震圖）fc(f)理論計算fc(f)比較地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震學(xué)基礎(chǔ)地震學(xué)基礎(chǔ)第二章 地震波 面波是指沿地球表面?zhèn)鞑サ?在與界面相垂直的方向上,波動的振幅急劇衰減。 在地震記錄上，面波的振幅一般比體波大。 面波的能量被捕獲在表面才能沿著或近地表傳播，在倫敦的圣保羅大教堂 “耳語長廊”或中國天壇回音壁的墻面上捕獲的聲波就是面波。 不同周期的面波,其滲透深度不同；周期愈大的波,其滲透深度愈大。 在半無限的均勻介質(zhì)中,不產(chǎn)生勒夫波,而且它所產(chǎn)生的瑞利波沒有頻散。地