固體地球物理學(xué)概論第五章(1)教材

1、第五章第五章 地震波傳播與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)地震波傳播與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu) 地球內(nèi)部構(gòu)造、地球內(nèi)部的物質(zhì)構(gòu)成及地球內(nèi)部構(gòu)造、地球內(nèi)部的物質(zhì)構(gòu)成及其性質(zhì)其性質(zhì)是地球物理研究中的一個重要方是地球物理研究中的一個重要方面。面。 然而然而 由于地球是一個堅實(shí)的球體，對地由于地球是一個堅實(shí)的球體，對地球的直接觀測僅限于表面或表層球的直接觀測僅限于表面或表層 (目前最目前最大鉆探不過十幾公里大鉆探不過十幾公里)，獲取地球內(nèi)部信，獲取地球內(nèi)部信息更多地依賴于息更多地依賴于間接的觀測資料間接的觀測資料，地震，地震觀測是了解地球內(nèi)部的一個重要手段。觀測是了解地球內(nèi)部的一個重要手段。 著名地震學(xué)家傅承義曾說過著名地震學(xué)家傅承

2、義曾說過:“地震仿佛是地震仿佛是盞燈盞燈;每次發(fā)震都照亮了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每次發(fā)震都照亮了地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”。 地震發(fā)生后，地震波貫穿于整個地球傳播，地震發(fā)生后，地震波貫穿于整個地球傳播，它回到地表時帶回了豐富的地球內(nèi)部的信它回到地表時帶回了豐富的地球內(nèi)部的信息。息。 研究地震波在地球內(nèi)部的產(chǎn)生、傳播，不研究地震波在地球內(nèi)部的產(chǎn)生、傳播，不僅有助于我們從本質(zhì)上了解地震這一自然僅有助于我們從本質(zhì)上了解地震這一自然現(xiàn)象本身，而且還可從中解譯出許多與地現(xiàn)象本身，而且還可從中解譯出許多與地球本身有關(guān)的信息。球本身有關(guān)的信息。 因此，因此，有關(guān)地震波的知識是地球物理學(xué)中有關(guān)地震波的知識是地球物理學(xué)中的重要組

3、成部分。的重要組成部分。 本章通過介紹有關(guān)地震波傳播的基本知本章通過介紹有關(guān)地震波傳播的基本知識，重點(diǎn)探討識，重點(diǎn)探討地震波速度地震波速度、地震波傳播地震波傳播與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而從而揭示地球揭示地球的的基本構(gòu)造與地球介質(zhì)的物理參數(shù)，基本構(gòu)造與地球介質(zhì)的物理參數(shù)，最最后簡要介紹地震波的記錄和地震波的應(yīng)后簡要介紹地震波的記錄和地震波的應(yīng)用。用。 5.1 地震波傳播地震波傳播 地震是由于地下巖石的突然破裂而引起地震是由于地下巖石的突然破裂而引起的大地振動，這種振動以彈性波的形式的大地振動，這種振動以彈性波的形式向周圍介質(zhì)傳播。向周圍介質(zhì)傳播。 為了理解地震波在地球介質(zhì)中

4、的傳播，須為了理解地震波在地球介質(zhì)中的傳播，須先介紹有關(guān)彈性波的基本知識。先介紹有關(guān)彈性波的基本知識。 一、彈性形變與彈性體一、彈性形變與彈性體 物體受外力作用后會產(chǎn)生體積或形狀的改物體受外力作用后會產(chǎn)生體積或形狀的改變。變。 物體的形變物體的形變: 在物體內(nèi)部，則表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)在物體內(nèi)部，則表現(xiàn)為質(zhì)點(diǎn)之間相對位置的變化，這就是之間相對位置的變化，這就是物體的形變物體的形變。 彈性形變：彈性形變：若外力撤除，形變也隨之消失，若外力撤除，形變也隨之消失，物體恢復(fù)原來的體積和形狀，物體恢復(fù)原來的體積和形狀， 則稱這種可則稱這種可恢復(fù)的形變叫做彈性形變?；謴?fù)的形變叫做彈性形變。 彈性體：彈性體：能夠產(chǎn)生

5、彈性形變的物體叫做彈性能夠產(chǎn)生彈性形變的物體叫做彈性體。體。 完全彈性體：完全彈性體：如果物體的形變能完全恢復(fù)，如果物體的形變能完全恢復(fù)，不產(chǎn)生任何剩余形變，則稱之為不產(chǎn)生任何剩余形變，則稱之為完全彈性體。完全彈性體。 一物體能否稱作彈性體，取決于它所受外一物體能否稱作彈性體，取決于它所受外力的大小和外力作用時間的長短。力的大小和外力作用時間的長短。 對于整個地球而言，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地球介質(zhì)對于整個地球而言，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地球介質(zhì)時，地震波施加于地球介質(zhì)的時，地震波施加于地球介質(zhì)的作用力非常小，作用力非常小，作用時間也非常短作用時間也非常短，在遠(yuǎn)離震源的地方，當(dāng)，在遠(yuǎn)離震源的地方，當(dāng)?shù)卣鸩ㄟ^去后，

6、地震波過去后，地球介質(zhì)不會留下任何形變。地球介質(zhì)不會留下任何形變。 因此，我們在所究地震波在地球內(nèi)部的因此，我們在所究地震波在地球內(nèi)部的傳播時傳播時將整個地球視為彈性體。將整個地球視為彈性體。 而且我們還假設(shè)而且我們還假設(shè)地球是完全彈性、分層地球是完全彈性、分層均勻和各向同性的。均勻和各向同性的。 二、應(yīng)力與應(yīng)變二、應(yīng)力與應(yīng)變 體力：體力：物體所受的力，若作用于物體的物體所受的力，若作用于物體的每一質(zhì)點(diǎn)上每一質(zhì)點(diǎn)上，如重力、電場力等，如重力、電場力等，稱之稱之為體力；為體力； 面力：面力：若作用于物體與物體之若作用于物體與物體之接觸面接觸面或或物體物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的接觸面上內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的接觸面

7、上 (不忽略質(zhì)不忽略質(zhì)點(diǎn)之體積點(diǎn)之體積)，則稱之為，則稱之為面力。面力。 應(yīng)力：應(yīng)力應(yīng)力：應(yīng)力是彈性體受外力作用后其內(nèi)是彈性體受外力作用后其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生的一種阻礙彈性形變的部質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生的一種阻礙彈性形變的內(nèi)力，其單位是內(nèi)力，其單位是Pa ( N/m 2 )。 應(yīng)力與壓力并不相同應(yīng)力與壓力并不相同，盡管二者都表示，盡管二者都表示單位面積上所受到的面力。單位面積上所受到的面力。 壓力是物體之間的相互作用，是外力；壓力是物體之間的相互作用，是外力； 應(yīng)力是物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用，應(yīng)力是物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用，是內(nèi)力。是內(nèi)力。 彈性體受外力作用后，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間有彈性體受外力作用后，內(nèi)部質(zhì)

8、點(diǎn)之間有應(yīng)力產(chǎn)生，應(yīng)力產(chǎn)生，這種應(yīng)力引起彈性體的變形。這種應(yīng)力引起彈性體的變形。 彈性體的變形有三種情形彈性體的變形有三種情形: 1、伸長或縮短、伸長或縮短 若一彈性體受垂直于截面的均勻拉力若一彈性體受垂直于截面的均勻拉力 (或壓力或壓力) f 作用，則彈性體內(nèi)任一橫截作用，則彈性體內(nèi)任一橫截面上的面上的應(yīng)力應(yīng)力是：是： fS 這種應(yīng)力叫做正應(yīng)力。這種應(yīng)力叫做正應(yīng)力。 彈性體受力后伸長彈性體受力后伸長 (或縮短或縮短) L，其相對，其相對伸長伸長 (或縮短或縮短)為為 (5.1.1)LL 比值比值叫做線應(yīng)變，叫做線應(yīng)變，正應(yīng)力與線應(yīng)變之間正應(yīng)力與線應(yīng)變之間滿足滿足虎克定律虎克定律: (5.1.

9、2) 這里這里E是楊氏模量。它表示彈性材料抵抗是楊氏模量。它表示彈性材料抵抗拉伸拉伸(或壓縮或壓縮)的能力。的能力。 E越大，說明彈性體越難變形。越大，說明彈性體越難變形。E 彈性體縱向伸長彈性體縱向伸長 (或縮短或縮短) L 后，后，其橫其橫向也會有向也會有d的變化的變化，且滿足，且滿足: (51.3) 叫做泊松系數(shù)，叫做泊松系數(shù)，式中負(fù)號表示縱向應(yīng)變式中負(fù)號表示縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變方向相反，為保證與橫向應(yīng)變方向相反，為保證為正而取為正而取的。的。 泊松系數(shù)僅與材料本身性質(zhì)有關(guān)。泊松系數(shù)僅與材料本身性質(zhì)有關(guān)。LLdd/ 實(shí)驗(yàn)表明，對于一切介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明，對于一切介質(zhì)， 介于介于0到到1/2之間

10、，金屬介于之間，金屬介于1/4到到1/3之間。之間。 對于地球介質(zhì)，常取對于地球介質(zhì)，常取1/4表示表示地幔的大部地幔的大部分，分，對于對于地球外核地球外核 (液態(tài)液態(tài))，取為取為1/2 2、體積應(yīng)變、體積應(yīng)變 在實(shí)際的地球介質(zhì)中，只受單向壓力或在實(shí)際的地球介質(zhì)中，只受單向壓力或拉力的情形很少。一般情況下，是各個拉力的情形很少。一般情況下，是各個方向都受力，最常見的是方向都受力，最常見的是液態(tài)靜壓力。液態(tài)靜壓力。 彈性體在靜壓力彈性體在靜壓力P作用下體積變化作用下體積變化V 則有關(guān)系則有關(guān)系: PKVV 其中其中K為體變模量。為體變模量。 體變模量體變模量K可以從楊氏模量可以從楊氏模量E和泊松

11、系數(shù)和泊松系數(shù) 推導(dǎo)出來。推導(dǎo)出來。經(jīng)簡單推導(dǎo)，可得：經(jīng)簡單推導(dǎo)，可得： 體變模量又稱容積模量。體變模量又稱容積模量。 體變模量雖然與楊氏模量有關(guān)，但它們體變模量雖然與楊氏模量有關(guān)，但它們的物理意義不同：的物理意義不同：)21(3EK K反映的是三維空間的體積變化，反映的是三維空間的體積變化， 而而E反映的是一維空間的長度變化。反映的是一維空間的長度變化。 K與與E是通過是通過 建立聯(lián)系的。建立聯(lián)系的。 從上式可知，從上式可知，當(dāng)當(dāng) =l/3時，時，K=E； l/3時，時，KE； 13時，時，KE。 當(dāng)然，這是當(dāng)然，這是在各向同性、均勻、完全彈在各向同性、均勻、完全彈性的情況下才有的。性的情況

12、下才有的。 3、切應(yīng)變、切應(yīng)變 切應(yīng)力：切應(yīng)力：若彈性體受到平行于截面方向若彈性體受到平行于截面方向的均勻外力的均勻外力 f 作用，則彈性體內(nèi)部任一作用，則彈性體內(nèi)部任一平行平行 f 的截面上所受應(yīng)力的截面上所受應(yīng)力fS，這種，這種應(yīng)力叫做應(yīng)力叫做切應(yīng)力切應(yīng)力，如圖，如圖511。 物體受切應(yīng)力作用后每一截面都會相互錯動物體受切應(yīng)力作用后每一截面都會相互錯動 (如同一疊卡片在最上一片施加一個緊貼卡片如同一疊卡片在最上一片施加一個緊貼卡片的力量，除最下面一片沒有移動外，其余各的力量，除最下面一片沒有移動外，其余各片程度不等的移向一側(cè)片程度不等的移向一側(cè))，使得彈性體變化了，使得彈性體變化了角度角度

13、。 由于由于 f 很小很小 ，所以，所以 角也很小，角也很小， 這一這一角是反映彈性體形狀變化的，稱之為角是反映彈性體形狀變化的，稱之為切應(yīng)變。切應(yīng)變。 切應(yīng)力與切應(yīng)變之間也滿足胡克定律切應(yīng)力與切應(yīng)變之間也滿足胡克定律: 其中其中 為切變模量，或叫做剛性系數(shù)，為切變模量，或叫做剛性系數(shù)，它表示彈性體抵抗體積變形的能力。它表示彈性體抵抗體積變形的能力。 可以證明，可以證明， 切變模量切變模量可以由楊氏模量可以由楊氏模量E和泊松系數(shù)和泊松系數(shù)推導(dǎo)出來，其關(guān)系為推導(dǎo)出來，其關(guān)系為: E2（1 ） 因?yàn)橐驗(yàn)?00.5，故，故 /E =0.5 0.3，即切，即切變模量不足楊氏模量的一半。變模量不足楊氏模

14、量的一半。 一般來說，介質(zhì)容易發(fā)生扭曲破裂，而一般來說，介質(zhì)容易發(fā)生扭曲破裂，而不易發(fā)生壓縮破裂，其道理就在這里。不易發(fā)生壓縮破裂，其道理就在這里。 正因?yàn)槿绱耍ㄟ^震源機(jī)制研究得知，正因?yàn)槿绱?，通過震源機(jī)制研究得知， 天然地震所對應(yīng)的介質(zhì)破裂基本上屬于天然地震所對應(yīng)的介質(zhì)破裂基本上屬于剪切破裂。剪切破裂。 上面所提到的正應(yīng)力、切應(yīng)力是應(yīng)力分上面所提到的正應(yīng)力、切應(yīng)力是應(yīng)力分別在垂直和平行截面方向上的兩個分量，別在垂直和平行截面方向上的兩個分量，與之相應(yīng)的線應(yīng)變與切應(yīng)變也是應(yīng)變的與之相應(yīng)的線應(yīng)變與切應(yīng)變也是應(yīng)變的兩個分量。兩個分量。 用一句話來概括，應(yīng)變是彈性體體積或用一句話來概括，應(yīng)變是彈性

15、體體積或形狀的相對改變。形狀的相對改變。三三 地震波的類型地震波的類型 彈性波：彈性波：在均勻、無限的固體彈性介質(zhì)在均勻、無限的固體彈性介質(zhì)中，一質(zhì)點(diǎn)的振動必然牽引其周圍介質(zhì)中，一質(zhì)點(diǎn)的振動必然牽引其周圍介質(zhì)一塊運(yùn)動，從而使二個點(diǎn)的振動通過周一塊運(yùn)動，從而使二個點(diǎn)的振動通過周圍介質(zhì)傳播出去，周圍介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動圍介質(zhì)傳播出去，周圍介質(zhì)對質(zhì)點(diǎn)振動的集體響應(yīng)就是的集體響應(yīng)就是彈性波。彈性波。 從應(yīng)力應(yīng)變的角度來講，彈性波就是質(zhì)從應(yīng)力應(yīng)變的角度來講，彈性波就是質(zhì)點(diǎn)之間應(yīng)力與應(yīng)變的交替?zhèn)鬟f，所傳遞點(diǎn)之間應(yīng)力與應(yīng)變的交替?zhèn)鬟f，所傳遞的是能量，波是傳遞的形式。的是能量，波是傳遞的形式。 我們知道，固體彈性介

16、質(zhì)中可以傳播兩我們知道，固體彈性介質(zhì)中可以傳播兩種彈性波種彈性波: 縱波和橫波。縱波和橫波。 對于地球而言，對于地球而言， 當(dāng)?shù)厍騼?nèi)部某一震源點(diǎn)當(dāng)?shù)厍騼?nèi)部某一震源點(diǎn)振動時，其振動也會通過地球介質(zhì)向周振動時，其振動也會通過地球介質(zhì)向周圍傳播而形成地震波。圍傳播而形成地震波。 由于地球具有邊界以及地球內(nèi)部具有由于地球具有邊界以及地球內(nèi)部具有分分層構(gòu)造層構(gòu)造，地震波地震波不僅有不僅有縱波和橫波縱波和橫波，還，還有有面波面波和和自由振蕩波。自由振蕩波。 1、體波、體波(Body Waves) ： 地震縱波和地地震縱波和地震橫波是貫穿于整個地球傳播的波，所震橫波是貫穿于整個地球傳播的波，所以將這兩種波叫

17、做體波以將這兩種波叫做體波 地震縱波地震縱波(Longitudinal or P Waves) 是地下巖石介質(zhì)是地下巖石介質(zhì)受正應(yīng)力作用后膨脹或壓受正應(yīng)力作用后膨脹或壓縮而產(chǎn)生的疏密波，縮而產(chǎn)生的疏密波，用符號用符號P表示，表示， 意為意為“壓縮壓縮”(push) 或或“初至初至”（primary），），一般稱之為一般稱之為P波，如圖波，如圖512(a)所示。所示。 P波的傳播方向與振動方向一致，波的傳播方向與振動方向一致，傳播速傳播速度為度為: 其中其中也是一個彈性常數(shù)也是一個彈性常數(shù)，叫做，叫做拉梅常數(shù)拉梅常數(shù)，它可由楊氏模量它可由楊氏模量E與泊松系數(shù)與泊松系數(shù) 來表示來表示;2PV 地震

18、橫波地震橫波(Shear or S Waves) 是地下巖石介質(zhì)受切應(yīng)力作用所產(chǎn)生的是地下巖石介質(zhì)受切應(yīng)力作用所產(chǎn)生的切切變波，變波，用符號用符號S表示，意為表示，意為“剪切剪切” (shear)或或“續(xù)至續(xù)至”(secondary)，一般稱之為一般稱之為S波，波，如圖如圖5.1.2(b)所示。所示。 S波傳播時，其質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播波傳播時，其質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向方向(Particle Motion - perpendicular to the direction the wave is travelling)21)(1(E Results in a change of shape

19、, no change of volume associated Can travel only in solids - materials that can support such a deformation. S波可以分解為兩個分量波可以分解為兩個分量: 質(zhì)點(diǎn)在水平質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)振動且沿水平面內(nèi)振動且沿水平X軸方向傳播的橫波叫軸方向傳播的橫波叫SH 波波，如圖，如圖513(a)所示，所示， 質(zhì)點(diǎn)在入射面內(nèi)振動且沿水平質(zhì)點(diǎn)在入射面內(nèi)振動且沿水平X軸方向傳軸方向傳播的橫波叫播的橫波叫SV波，波，如圖如圖513(b)所示。所示。 橫波的傳播速度為橫波的傳播速度為: 液體中液體中 =0，所以沒有

20、橫波傳播。，所以沒有橫波傳播。SV 對于大多數(shù)巖石來說，泊松系數(shù)對于大多數(shù)巖石來說，泊松系數(shù) =l/4，將將切變模量切變模量 =E2(1+ )代人代人Vs則可得到：則可得到： 因此因此P波速度總是大于波速度總是大于S波速度，波速度，P波初至，波初至，S波續(xù)至，這是地球介質(zhì)特有的性質(zhì)。波續(xù)至，這是地球介質(zhì)特有的性質(zhì)。 Velocity of propagation: the S-wave always less than the P-wave. P-waves arrive first. SSPVVV321)1 (2 2、面波、面波(Surface Waves) 在均勻、無限和各向同性介質(zhì)中，只

21、有在均勻、無限和各向同性介質(zhì)中，只有P波和波和S波存在。波存在。 面波：面波：當(dāng)當(dāng)P波和波和S波傳播到地球表面或內(nèi)波傳播到地球表面或內(nèi)部界面上時，會產(chǎn)生沿著地表面或內(nèi)界部界面上時，會產(chǎn)生沿著地表面或內(nèi)界面?zhèn)鞑サ牟?，這就是面?zhèn)鞑サ牟?，這就是面波。面波。 Waves that travel at the surface of an object 最見的面波有兩種最見的面波有兩種: 瑞利波瑞利波(Rayleigh)和和勒夫波勒夫波(Love)。 瑞利波瑞利波是沿地球表面?zhèn)鞑サ牟?，它是是沿地球表面?zhèn)鞑サ牟?，它是P縱縱波和波和SV橫波沿界面?zhèn)鞑r相互疊加的結(jié)橫波沿界面?zhèn)鞑r相互疊加的結(jié)果。果。 Part

22、icle Motion - more complex, mixture of P and SV - retrograde elliptical motion (can make you seasick near an earthquake). Rayleigh Waves (LR)- at any surface of a solid. Propagation velocity - more difficult to determine, Special case for a Poisson solid (取取 l/4), 其傳播速度為其傳播速度為 VR= 0.9194 Vs 即即VR略小于略

23、小于S波速度。波速度。 這種波的這種波的特點(diǎn)特點(diǎn)是是: 質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為逆質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為逆進(jìn)橢圓，其長軸垂直于地面，進(jìn)橢圓，其長軸垂直于地面， 其短軸與其短軸與波的前進(jìn)方向一致；波的前進(jìn)方向一致； 質(zhì)點(diǎn)的振動振幅，從地面往下，按指數(shù)質(zhì)點(diǎn)的振動振幅，從地面往下，按指數(shù)銳減銳減 (稱為地面波的道理即在此稱為地面波的道理即在此)，如圖，如圖5.1.4所示所示。 Rayleigh waves are non-dispersive over a pure medium. Describe the penetration depth as about 0.4. Consequently long wav

24、elength Rayleigh waves sense deeper into the earth and provide a measure of the velocity at depth - in a layered earth Rayleigh waves must be dispersive. 勒夫波（勒夫波（Love Waves LQ) Exist only when have a layer over a halfspace. Must have VS1 VS2 。 當(dāng)均勻無限半空間介質(zhì)上覆蓋一薄層，且薄當(dāng)均勻無限半空間介質(zhì)上覆蓋一薄層，且薄層內(nèi)的層內(nèi)的S波傳播速度波傳播速度V

25、S1低于層下的低于層下的S波傳播波傳播速度速度VS2 ，則會產(chǎn)生一種沿表面?zhèn)鞑デ屹|(zhì)點(diǎn)則會產(chǎn)生一種沿表面?zhèn)鞑デ屹|(zhì)點(diǎn)振動僅限于水平面內(nèi)傳播的面波，振動僅限于水平面內(nèi)傳播的面波， 這就是勒這就是勒夫波。夫波。 勒夫波可看成是勒夫波可看成是SH波在薄層的上下界面波在薄層的上下界面之間連續(xù)反射并相互疊加的結(jié)果，之間連續(xù)反射并相互疊加的結(jié)果， 如圖如圖5.1.5所示。它的傳播速度所示。它的傳播速度VQ滿足滿足: VS1VQVS2 勒夫波的低頻成分以接近于勒夫波的低頻成分以接近于VS1的速度傳的速度傳播，勒夫波的高頻成分以接近于播，勒夫波的高頻成分以接近于VS2的速的速度傳播。度傳播。 勒夫波的振幅隨深度按指數(shù)銳勒夫波的振幅隨深度按指數(shù)銳減。減。 體波和面波的不同振動特征如圖體波和面波的不同振動特征如圖5.1.6所所示，體波和面波在地震圖上的記錄特征示，體波和面波在地震圖上的