地震波速

地震波速 （Seismic velocity）

1989年10月17日當洛馬普瑞特地震襲擊時，我在伯克利家中突然感到房屋搖動，我開始計時。10秒鐘後搖動突然變的特別厲害，這表示S波已經到達。P波總是首先從震源來到，因為它們沿同一路徑傳播時比S波速度快。利用波的這一特性，我可以計算出這個地震的震源在80多千米以外。

P波和S波的實際傳播速度取決於岩石的密度和內在的彈性。對線彈性物質而言，當波與運行方向無關時，波速僅取決於兩個彈性性質，稱為彈性模量：岩石的體積模量k和剪切模量μ。

當向岩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作為所需壓力大小的度量，稱為體積模量。當P波穿過地球內部傳播時發生的就是這種類型的變形；因為它只引起體積變化，所以在流體中也可以發生，與在固體中一樣。通常體積模量越大，P波的速度就越大。

第二種變形類型是，在向岩石立方塊體兩相對的面上施加方向相反的切向力時，這體積方塊將受剪切而變形，而沒有體積變化。同樣，圓柱狀岩心兩頭受大小相等方向相反力扭曲時也發生這種變形。岩石對剪切或扭曲應力的抵抗越大，其剛性就越大。S波通過剪切岩石而傳播，剪切模量給出其速度的量度。通常是剪切模量越大，S波速度就越大。

P波和S波速度的簡單公式在下面給出。這些表達式與已經提到的波的重要性質一致：因為流體的剪切模量是0，剪切波在水中的速度為0，因為兩個彈性模量總是正的，所以P波比S波傳播得快。

因為地球內部的強大壓力，岩石的密度隨深度增大。由於密度在P波和S波速度公式中的分母項上，表面看來，波速度應隨其在地球的深度增加而減小。然而體積模量和剪切模量隨深度而增加，而且比岩石密度增加得更快(但當岩石熔融時，其剪切模量下降至0)。這樣，在我們的地球內部P和S地震波速一般是隨深度而增加的，在第6章中將進一步討論。

雖然某一給定岩石彈性模量是常數，但在一些地質環境裏岩石不同方向上的性質可以顯著變化。這種情況叫各向異性，這時，P波和S波向不同方位傳播時具有不同速度。通過這種各向異性性質的探測，可以提供有關地球內部地質狀況的信息，這是當今廣泛研究的問題。但在以下的討論中將限制在各向同性的情況，絕大多數地震運動屬於這種情況。

P波，速度vP =√(k+4/3μ)/ρ。

花崗岩： vP=5.5千米/秒；

水： vP=1.5千米/秒。

S波，速度vS=√μ/ρ。

花崗岩: vS=3.0千米/秒；

水： vS=0千米/秒。