地震波的振幅

Question

地震波的振幅

Answer 1

我们感受到的摇动就是由地震波的能量产生的弹性岩石的震动.
第一类波的物理特性恰如声波.声波,乃至超声波,都是在空气里由交替的挤压(推)和扩张(拉)而传递.因为液体、气体和固体岩石一样能够被压缩,同样类型的波能在水体如海洋和湖泊及固体地球中穿过.在地震时,这种类型的波从断裂处以同等速度向所有方向外传,交替地挤压和拉张它们穿过的岩石,其颗粒在这些波传播的方向上向前和向后运动,换句话说,这些颗粒的运动是垂直于波前的.向前和向后的位移量称为振幅.在地震学中,这种类型的波叫P波,即纵波,它是首先到达的波.
弹性岩石与空气有所不同,空气可受压缩但不能剪切,而弹性物质通过使物体剪切和扭动,可以允许第二类波传播.地震产生这种第二个到达的波叫S波.在S波通过时,岩石的表现与在P波传播过程中的表现相当不同.因为S波涉及剪切而不是挤压,使岩石颗粒的运动横过运移方向.这些岩石运动可在一垂直向或水平面里,它们与光波的横向运动相似.P和S波同时存在使地震波列成为具有独特的性质组合,使之不同于光波或声波的物理表现.因为液体或气体内不可能发生剪切运动,S波不能在它们中传播.P和S波这种截然不同的性质可被用来探测地球深部流体带的存在.
S波具有偏振现象,只有那些在某个特定平面里横向振动(上下、水平等)的那些光波能穿过偏光透镜.穿过的光波称之为平面偏振光.太阳光穿过大气是没有偏振的,即没有光波振动的优选的横方向.然而晶体的折射或通过特殊制造的塑料如偏光眼睛,可使非偏振光成为平面偏振光.
当S波穿过地球时,它们遇到构造不连续界面时会发生折射或反射,并使其振动方向发生偏振.当发生偏振的S波的岩石颗粒仅在水平面中运动时,称为SH波.当岩石颗粒在含波传播方向的竖直平面里运动时,这种S波称为SV波.
大多数岩石,如果不强迫它以太大的振幅振动,具有线性弹性,即由于作用力而产生的变形随作用力线性变化.这种线性弹性表现称为服从虎克定律,是以与牛顿同时代的英国数学家罗伯特·虎克(1635~1703年)而命名的.相似的,地震时岩石将对增大的力按比例地增加变形.在大多数情况下,变形将保持在线弹性范围,在摇动结束时岩石将回到原来位置.然而在地震事件中有时发生重要的例外表现,例如当强摇动发生于软土壤时,会残留永久的变形,波动变形后并不总能使土壤回到原位,在这种情况下,地震烈度较难预测.
弹性的运动提供了极好的启示,说明当地震波通过岩石时能量是如何变化的.与弹簧压缩或伸张有关的能量为弹性势,与弹簧部件运动有关的能量是动能.任何时间的总能量都是弹性能量和运动能量二者之和.对于理想的弹性介质来说,总能量是一个常数.在最大波幅的位置,能量全部为弹性势能；当弹簧振荡到中间平衡位置时,能量全部为动能.我们曾假定没有摩擦或耗散力存在,所以一旦往复弹性振动开始,它将以同样幅度持续下去.这当然是一个理想的情况.在地震时,运动的岩石间的摩擦逐渐生热而耗散一些波动的能量,除非有新的能源加进来,像振动的弹簧一样,地球的震动将逐渐停息.对地震波能量耗散的测量提供了地球内部非弹性特性的重要信息,然而除摩擦耗散之外,地震震动随传播距离增加而逐渐减弱现象的形成还有其他因素.
由于声波传播时其波前面为一扩张的球面,携带的声音随着距离增加而减弱.与池塘外扩的水波相似,我们观察到水波的高度或振幅,向外也逐渐减小.波幅减小是因为初始能量传播越来越广而产生衰减,这叫几何扩散.这种类型的扩散也使通过地球岩石的地震波减弱.除非有特殊情况,否则地震波从震源向外传播得越远,它们的能量就衰减得越多.