地震波與地球圈層

1、地震波與地球內(nèi)部圈層劉繼龍10210124地震波是由地震震源發(fā)出的在地球介質(zhì)中傳播的彈性波。地震發(fā)生時，震源釋放 出巨大的能量。震源區(qū)的介質(zhì)在這股能量的驅(qū)動下發(fā)生劇烈的振動和破裂，這種振動 構(gòu)成一個波源。由于地球介質(zhì)的連續(xù)性，這種波動就向地球內(nèi)部及其表層各處傳播出 去，形成了連續(xù)介質(zhì)中的彈性波。地震震源施放出的能量沿振動波傳播到地表，給地 面的建筑物造成強烈的破壞。按介質(zhì)內(nèi)質(zhì)元振動方向與波傳播方向的關(guān)系對波分類，最基本的有橫波與縱波。波 傳播時，介質(zhì)的每個體元均在自己的平衡位置附近振動。若介質(zhì)中各體元振動的方向 與波傳播的方向垂直，叫做橫波。其中一種典型是具有剪切彈性的固體中的橫波。若 介質(zhì)中

2、各體元振動的方向和波傳播的方向平行，叫做縱波。這時，介質(zhì)內(nèi)諸體元時而 靠近、時而疏遠(yuǎn)?？v波在具有拉伸壓縮彈性或有膨脹壓縮體變彈性的介質(zhì)中傳播。固 體內(nèi)部可以產(chǎn)生切應(yīng)力和拉伸壓縮應(yīng)力，從而可傳播橫波和縱波。液體和氣體具有體 積壓縮彈性，可以傳播彈性縱波。在兩種介質(zhì)的表面上還可以傳播表面波。例如水面 波傳播時，水的微團(tuán)沿圓或橢圓軌道運動。地震波主要分為兩種，一種是實體波，一種是表面波。表面波只在地表傳遞，實 體波能穿越地球內(nèi)部。實體波在在地球內(nèi)部傳遞，又分成P波和S波兩種。P波為一 種縱波，粒子振動方向和波前進(jìn)方平行，在所有地震波中，前進(jìn)速度最快，也最早抵 達(dá)。P波能在固體、液體或氣體中傳遞。S波

3、前進(jìn)速度僅次于P波，粒子振動方向垂 直于波的前進(jìn)方向，是一種橫波。，波只能在固體中傳遞，無法穿過液態(tài)外地核。表 面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。表面波有低頻率、 高震幅和低頻散的特性，只能沿地表傳播，是造成建筑物強烈破壞的主要因素。根據(jù)對波動方程七72九=0的分析可以得到：地震波的傳播速度由下式?jīng)Q定。Ev = V該式中E為介質(zhì)的彈性模量，P為介質(zhì)的密度。P波的傳播是由介質(zhì)沿傳播方向的振動導(dǎo)致的。這種振動的效果是介質(zhì)體元體 積的變化。當(dāng)向巖石立方塊表面施加一均勻壓力時，其體積將減小，其單位體積的 體積變化所需壓力大小的度量稱為體積彈性模量K。P波的波速可以表示為：S波的

4、傳播是由垂直于傳播方向的介質(zhì)振動導(dǎo)致的。這種振動的效果是介質(zhì)體 元的剪切變形。在向巖石體元兩相對的面上施加方向相反的切向力時，這體元將受 剪切而變形，而沒有體積變化。其單位體積的剪切形變所需壓力大小的度量稱為剪 切彈性模量R。S波的波速可以表示為：vS地球巖石介質(zhì)的平均體積彈性模量Eq2.7X109N/m2，平均切變彈性模量R -1.6 X109 N / m2。由該數(shù)據(jù)我們可以得到：P波的傳播速度比S波的傳播速度快。利用P波與S波傳播速度的差異，我們只需要測量出P波與S波抵達(dá)地震臺站 的時間差心就能得到震中距r ：r r A =At從上式中就能得到:r = Vp Vs Atv v研究地震波傳播

5、速度的另一個目的就是確定地球內(nèi)部圈層的結(jié)構(gòu)。地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)是根據(jù)地震波來劃分的。這幅圖給出了地震波的概念，并在V橫波-(S)pV1_1古登堡界面地震波速度與地球內(nèi)部構(gòu)造圈400050006000彳Wz地殼莫霍界面3000外核2000深度千米）1000速度:千米/秒）I 3691215圖面上顯示了 P波 （乙）和S波（甲）的傳播及其特點。地 震波傳播的速度與其 通過的介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。 如果介質(zhì)是均質(zhì)體， 地震波是等速直線傳 播的。當(dāng)介質(zhì)性質(zhì)發(fā) 生變化時，地震波傳 播速度會有變化，特 別是地震波通過性質(zhì)完全不同的兩種物質(zhì)的分解面時，波速會發(fā)生突然變化（突快、 突慢或突然消失）。這樣，地震波就可以

6、帶來地球內(nèi)部的信息，利用這些信息就可以 推測地球內(nèi)部構(gòu)造和物質(zhì)狀態(tài)。地震波在地球內(nèi)部傳播的速度一般隨深度遞增，但又 不是勻速增加，通常在若干深度處發(fā)生突然變化，這種縱向上的不均勻性，說明地球 內(nèi)部物質(zhì)成同心圈層構(gòu)造。從圖中可知：在地下約33千米處，地震波的縱波和橫波的波速，由地表向下突然加大。這說明 該深度處上下物質(zhì)在成份或狀態(tài)上有改變，這個深度就是上下兩種物質(zhì)的分界面，我 們稱之為不連續(xù)面。1909年，奧地利地震學(xué)家莫霍洛維契奇根據(jù)地震資料，首先發(fā)現(xiàn) 了這一不連續(xù)面，故命名為莫霍洛維契奇面，簡稱莫霍界面。在地下2900千米處，地震波橫波突然消失，縱波的速度明顯下降，說明此深度處 地球內(nèi)部物質(zhì)

7、也有明顯差異，也稱為不連續(xù)面。1914年，德國地震學(xué)者古登堡最早研 究了這一不連續(xù)面，故命名為古登堡界面。莫霍界面和古登堡界面將地球內(nèi)部劃分為三個圈層：地殼、地幔、地核。地殼位于莫霍界面之外，是地球表面一層薄薄的，由巖石組成的堅硬外殼。它厚 薄不一，大陸部分比較厚，大洋部分比較薄，平均厚度約為17km。地幔位于莫霍界面與古登堡界面之間，厚度為2800多km。根據(jù)地震波波速的變 化，把地幔分為上地幔與下地幔兩層。在上地幔頂層存在一個軟流層，一般認(rèn)為這里 可能是巖漿的主要發(fā)源地。地核以古登堡界面與地幔分界，厚度為3400多km。地震波的波速在古登堡界面 至地心之間的地下5100千米處，也存在一定的變化，稱為次級不連續(xù)面。這個次級不 連續(xù)面將地核分為外核和內(nèi)核。地核的溫度很高，密度和壓力很大。地震作為一種破壞性的自然災(zāi)害，對人民生命與社會財產(chǎn)有巨大