地震波傳播

地震發生時，震源區的介質發生急速的破裂和運動，這種擾動構成一個波源。由於地球介質的連續性，這種波動就向地球內部及表層各處傳播開去，形成了連續介質中的彈性波。 ^[1] 

地震波是指從震源產生向四外輻射的彈性波。地球內部存在着地震波速度突變的基幹界面、莫霍面和古登堡面，將地球內部分為地殼、地幔和地核三個圈層。在地球內部傳播的地震波稱為體波，分為縱波和橫波。體波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和麪波。 ^[1] 

縱波是推進波，振動方地震波的傳播向與傳播方向一致的波為縱波（P波）。地殼中傳播速度為5．5~7千米/秒，最先到達震中，它使地面發生上下振動，破壞性較弱 ^[1]  。

橫波是剪切波：來自地下的縱波引起地面上下顛簸振動。振動方向與傳播方向垂直的波為橫波（S波）。來自地下的橫波能引起地面的水平晃動。在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個到達震中，它使地面發生前後、左右抖動，破壞性較強。 ^[1] 

面波又稱L波，沿地面傳播的地震波稱為面波，分為勒夫波和瑞利波。是由縱波與橫波在地表相遇後激發產生的混合波。其波長大、振幅強，只能沿地表面傳播，當體波到達岩層界面或地表時，會產生沿界面或地表傳播的幅度很大的波。面波傳播速度小於橫波，所以跟在橫波的後面，是造成建築物強烈破壞的主要因素。 ^[1] 

由於縱波在地球內部傳播速度大於橫波，所以地震時，縱波總是先到達地表，而橫波總落後一步。這樣，發生較大的近震時，一般人們先感到上下顛簸，過數秒到十幾秒後才感到有很強的水平晃動。橫波是造成破壞的主要原因。 ^[1] 

我們最熟悉的波動是觀察到的水波。當向池塘裏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。然而水並沒有朝着水波傳播的方向流；如果水面浮着一個軟木塞，它將上下跳動，但並不會從原來位置移走。這個擾動由水粒的簡單前後運動連續地傳下去，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並在岸邊激起浪花。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岩石的震動。

假設一彈性體，如岩石，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，都是在空氣裏由交替的擠壓(推)和擴張(拉)而傳遞。因為液體、氣體和固體岩石一樣能夠被壓縮，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岩石，其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向後運動，換句話説，這些顆粒的運動是垂直於波前的。向前和向後的位移量稱為振幅。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。

彈性岩石與空氣有所不同，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，即橫波。在S波通過時，岩石的表現與在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，使岩石顆粒的運動橫過運移方向（圖2.1）。這些岩石運動可在一垂直向或水平面裏，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，使之不同於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

帶偏光眼鏡以減弱散射光的人可能熟悉光的偏振現象，只有S波具有偏振現象。只有那些在某個特定平面裏橫向振動(上下、水平等)的那些光波能穿過偏光透鏡。傳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製造的塑料如偏光眼鏡，可使非偏振光成為平面偏振光。

當S波穿過地球時，他們遇到構造不連續界面時會發生折射或反射，並使其振動方向發生偏振。當發生偏振的S波的岩石顆粒僅在水平面中運動時，稱為SH波。當岩石顆粒在包含波傳播方向的垂直平面裏運動時，這種S波稱為SV波。

大多數岩石，如果不強迫它以太大的幅度振動，具有線性彈性，即由於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。這種線性關係由圖2.2所示的加重物的彈簧伸展來表示。如果重物的質量加倍，線性彈簧的伸展也加倍，如果重物回到原來大小，則彈簧回到原來位置。相似地，地震時岩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範圍，在搖動結束時岩石將回到原來位置。然而在地震事件中有時發生重要的例外表現，例如，當強搖動發生於軟土壤時，會殘留永久的變形，波動變形後並不總能使土壤回到原位，在這種情況下，地震烈度較難預測。我們將在本書後面談到這些關鍵的非線性效果。

彈簧的運動提供了啓示，説明當地震波通過岩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。對於理想的彈性介質來説，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；當彈簧振盪到中間平衡位置時，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，運動的岩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。

由於聲波傳播時其波前面為一擴張的球面，攜帶的聲音隨着距離增加而減弱。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岩石的地震波減弱。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。