地震縱波和橫波
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我們最熟悉的波動是觀察到水波。當向池塘里扔一塊石頭時水面被擾亂,以石頭入水處為中心有波紋向外擴展。這個波列是水波附近的水的顆粒運動造成的。然而水并沒有朝著水波傳播的方向流;如果水面浮著一個軟木塞,它將上下跳動,但并不會從原來位置移走。這個擾動由水粒的簡單前后運動連續地傳下去,從一個顆粒把運動傳給更前面的顆粒。這樣,水波攜帶石擊打破的水面的能量向池邊運移并在岸邊激起浪花。地震運動與此相當類似。我們感受到的搖動就是由地震波的能量產生的彈性巖石的震動。

假設一彈性體,如巖石,受到打擊,會產生兩類彈性波從源向外傳播。第一類波的物理特性恰如聲波。聲波,乃至超聲波,都是在空氣里由交替的擠壓(推)和擴張(拉)而傳遞。因為液體、氣體和固體巖石一樣能夠被壓縮,同樣類型的波能在水體如海洋和湖泊及固體地球中穿過。在地震時,這種類型的波從斷裂處以同等速度向所有方向外傳,交替地擠壓和拉張它們穿過的巖石,其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向后運動,換句話說,這些顆粒的運動是垂直于波前的。向前和向后的位移量稱為振幅。在地震學中,這種類型的波叫P波,即縱波,它是首先到達的波。

彈性巖石與空氣有所不同,空氣可受壓縮但不能剪切,而彈性物質通過使物體剪切和扭動,可以允許第二類波傳播。地震產生這種第二個到達的波叫S波。在S波通過時,巖石的表現與在P波傳播過程中的表現相當不同。因為S波涉及剪切而不是擠壓,使巖石顆粒的運動橫過運移方向。這些巖石運動可在一垂直向或水平面里,它們與光波的橫向運動相似。P和S波同時存在使地震波列成為具有獨特的性質組合,使之不同于光波或聲波的物理表現。因為液體或氣體內不可能發生剪切運動,S波不能在它們中傳播。P和S波這種截然不同的性質可被用來探測地球深部流體帶的存在。

S波具有偏振現象,只有那些在某個特定平面里橫向振動(上下、水平等)的那些光波能穿過偏光透鏡。穿過的光波稱之為平面偏振光。太陽光穿過大氣是沒有偏振的,即沒有光波振動的優選的橫方向。然而晶體的折射或通過特殊制造的塑料如偏光眼睛,可使非偏振光成為平面偏振光。

當S波穿過地球時,它們遇到構造不連續界面時會發生折射或反射,并使其振動方向發生偏振。當發生偏振的S波的巖石顆粒僅在水平面中運動時,稱為SH波。當巖石顆粒在含波傳播方向的水質平面里運動時,這種S波稱為SV波。

大多數巖石,如果不強迫它以太大的振幅振動,具有線性彈性,即由于作用力而產生的變形隨作用力線性變化。這種線性彈性表現稱為服從虎克定律,是以與牛頓同時代的英國數學家羅伯特.虎克(1635~1703年)而命名的。相似的,地震時巖石將對增大的力按比例地增加變形。在大多數情況下,變形將保持在線彈性范圍,在搖動結束時巖石將回到原來位置。然而在地震事件中有時發生重要的例外表現,例如當強搖動發生于軟土壤時,會殘留永久的變形,波動變形后并不總能使土壤回到原位,在這種情況下,地震烈度較難預測。

彈性的運動提供了極好的啟示,說明當地震波通過巖石時能量是如何變化的。與彈簧壓縮或伸張有關的能量為彈性勢,與彈簧部件運動有關的能量是動能。任何時間的總能量都是彈性能量和運動能量二者之和。對于理想的彈性介質來說,總能量是一個常數。在最大波幅的位置,能量全部為彈性勢能;當彈簧振蕩到中間平衡位置時,能量全部為動能。我們曾假定沒有摩擦或耗散力存在,所以一旦往復彈性振動開始,它將以同樣幅度持續下去。這當然是一個理想的情況。在地震時,運動的巖石間的摩擦逐漸生熱而耗散一些波動的能量,除非有新的能源加進來,像振動的彈簧一樣,地球的震動將逐漸停息。對地震波能量耗散的測量提供了地球內部非彈性特性的重要信息,然而除摩擦耗散之外,地震震動隨傳播距離增加而逐漸減弱現象的形成還有其他因素。

由于聲波傳播時其波前面為一擴張的球面,攜帶的聲音隨著距離增加而減弱。與池塘外擴的水波相似,我們觀察到水波的高度或振幅,向外也逐漸減小。波幅減小是因為初始能量傳播越來越廣而產生衰減,這叫幾何擴散。這種類型的擴散也使通過地球巖石的地震波減弱。除非有特殊情況,否則地震波從震源向外傳播得越遠,它們的能量就衰減得越多。

 

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