地震波（seismic wave）是由地震震源向四處傳播的振動，指從震源產生向四周輻射的彈性波。按傳播方式可分為縱波（P波）、橫波（S波）（縱波和橫波均屬於體波）和面波（L波）三種類型。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。
地震學的主要內容之一就是研究地震波所帶來的信息。地震波是一種機械運動的傳布，產生於地球介質的彈性。它的性質和聲波很接近，因此又稱地聲波。但普通的聲波在流體中傳播，而地震波是在地球介質中傳播，所以要複雜得多，在計算上地震波和光波有些相似之處。波動光學在短波的情況下可以過渡到幾何光學，從而簡化了計算；同樣地，在一定條件下地震波的概念可以用地震射線來代替而形成了幾何地震學。不過光波只是橫波，地震波卻縱、橫兩部分都有，所以在具體的計算中，地震波要複雜得多。
基本介紹
- 中文名：地震波
- 外文名：seismic waves
- 原理：震源區的介質發生震動構成波源
- 傳播介質：地球介質
- 傳播方式：縱波、橫波和面波
- 種類：實體波、表面波
- 測量儀器：地震儀、檢波器
物理概述,影響範圍,綜述,性質推導,現象介紹,套用領域,地震共振,概念解釋,具體案例,總結,地震面波,地震波序,地震波的種類,
物理概述
地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波。縱波是推進波，地殼中傳播速度為5．5~7千米/秒，最先到達震中，又稱P波，它使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪下波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個到達震中，又稱S波，它使地面發生前後、左右抖動，破壞性較強。面波又稱L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，是造成建築物強烈破壞的主要因素。
地震波
地震波影響範圍
綜述
當水波遇到界面時，如陡岸，會從邊界上反射回來，形成一列向岸外傳出的水波，與向岸內傳來的水波重疊。當海洋波斜射入淺灘時，波在海水深度變淺時走得較慢，落在海水較深處的波的後面。其結果是波向淺水彎曲。於是波前在它們擊岸前轉向越來越平行海灘。折射這一名詞描述波傳播中由於傳播路徑上條件變化產生波前方向變化的現象。反射和折射也是光線通過透鏡和稜柱時人們熟知的性質。
性質推導
彈性模量和波速
均質各向同性的固體可由兩個常數： k和μ來描述其彈性，兩常數都可表示為單位面積的力。
k是體積模量，表示不可壓縮性。
花崗岩：k約為27×1010達因/
；
水：k約為2×1010達因/ 。
μ是剪下模量，表示其剛性。
花崗岩：μ約為1.6×1010達因/ ；
水：μ為0。
密度為ρ的彈性固體內，可以傳播兩種彈性波。
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。
現象介紹
像聲、光或水波一樣，地震波也可在一邊界上反射或折射，但和其他波不同的特點是，當地震波入射到地球內的一反射面時，例如一P波以一角度射向邊界面時，它不但分成一反射的P波和一折射的P波，還要產生一反射S波和折射S波，其原因是，在入射點邊界上的岩石不僅受擠壓，還受剪下。
換句話說，一入射P波產生4種轉換波。由一種波型到另一種波型的波型增殖也發生於SV波斜入射於內部邊界時，會產生反射和折射的P波和SV波。在這種情況下反射和折射的S波總是SV型，這是因為當入射的SV波到達時岩石質點在一與地面垂直的入射面里橫向運動。相反，如果入射的S波是水平偏振的SH型，則質點在垂直於入射平面且平行於邊界面的方向上前後運動，在不連續界面上沒有擠壓或鉛垂方向的變形，這樣不會產生相應的新的P波和SV波，只有SH型的一個反射波和一折射波。從物理圖像形象地分析，垂直入射的P波在反射界面上沒有剪下分量，只有反射的P波，根本沒有反射的SV波或SH波。以上討論的波型轉換的種種限制，在全面理解地面運動的複雜性和解釋地震圖中的地震波各種圖像時是至關重要的。
建築在較厚土壤上的，諸如在沿河流沖積河谷中的沉積物上的建築物，地震時易於遭受嚴重破壞，其原因也是波的放大和增強作用。當我們振動連在一起的兩個彈簧時，弱的彈簧將具有較大的振動幅度。類似地，當S波從地下深處傳上來時，穿過剛性較大的深部岩石到剛性較小的沖積物時，沖積河谷剛性小的軟弱岩石和土壤將使振幅增強4倍或更大，取決於波的頻率和沖積層的厚度。在1989年加利福尼亞的洛馬普瑞特地震時，建在砂上和沖填物上的舊金山濱海區的房屋比附近不遠建在堅固地基上相似的房屋破壞更大。
套用領域
地震、地球物理學家和工程師使用地震儀、檢波器（Geophone）來紀錄地震波，早期的儀器使用鐘擺原理和類比信號紀錄地震波，近代的儀器則使用壓電晶體和數位信號處理地震波。地震波在介質改變時會有不同的傳遞速度，並在交界面上產生折射、反射等行為，這些特性被用來了解地球的內部構造。
2015年3月，美國科學家利用地震波的速度繪製的模擬圖，揭示地下結構。這幅模擬圖展示了太平洋下方的地幔，較慢的地震波呈紅色和橙色，較快的地震波呈綠色和藍色。展現地球內部的3D模擬圖由普林斯頓大學教授傑羅恩-特魯普領導的研究小組繪製。他們進行此項研究的目標是在年底前繪製整個地幔的地圖。地幔的深度達到1865英里（約合3000公里）。
地震共振
概念解釋
地震波的反射和折射有時可使地震能量匯集於一地質構造中，如沖積河谷，因為那裡在近地表處有較軟岩石或土壤。稍後將討論的1985年墨西哥城和1989年洛馬普瑞特地震時嚴重破壞的特殊分布區可以用此原因解釋（圖2.7）。其效應與在一個屋子裡面聲波能被牆多次反射形成回音匯集能量一樣。在地震時，P波和S波從遠處傳來，折射入谷地，它們的速度在剛性小的岩石中減低，它們在谷底下傳播直到接近谷邊緣時，部分能量折射回到盆地中。這樣，波開始往復傳播，類似池塘中的水波。不同的P波和S波交織，迴轉的波峰疊加在射入的波峰上，引起幅度的變化。這時每一疊加波的相位是關鍵，因為當交切的波位相相同時能量會加強。通過這種“正干涉”，地震能量在某些頻率波段匯集起來。如果沒有波的幾何擴散和摩擦耗散，即振動的岩石和土壤使一些波能轉化為熱，波的干涉造成的振幅增長真可能造成災難性的後果。
地震波
地震波可以從另一種角度去認識在限定的地質構造中地震波的效應。如同在池塘里看到的交叉水波一樣，干涉的地震波可產生駐波，表觀上，干涉波似乎站住不動了，地面似乎純粹作上下震動。同樣地，當弦樂器如豎琴的弦被撥動時，也產生駐波。一般來說，地震時，往往在一河谷或類似的構造中激發許多不同頻率和振幅的P波和S波，鬆軟土壤能增強在許多頻段上的運動，與音樂中的情況一樣，產生顯著的泛音或高階振型。如果布設足夠的地震波記錄儀器，有時能夠識別出這種泛音。
具體案例
自18世紀起數學家們分析了一個彈性球的振動。1911年英國數學家勒夫（Love）曾預計，一個像地球同樣大的鋼球將具有周期約一小時的基本振動，並將有周期更小的泛音。然而在勒夫的預言過半個多世紀以後，地震學家對即使是最大的地震是否真具有足夠的能量去搖動地球，並產生深沉的地震音樂仍然沒有把握。不難想像，地震學家們首次觀測到地球自由振盪時是如何驚喜若狂。1960年5月智利大地震時，在世界各地當時僅有的少數特長周期的地震儀上，清楚地記錄到極長周期的地震波動持續了許多天，測得的振動最長周期是53分，與勒夫預計的60分相差不多。這些地面運動記錄的分析首次給出了明確的證據，理論上預計的地球的自由振盪確實被觀測到了。
總結
當一地震源釋放能量之後，地球的共振振動在不再受力的方式下持續，這時其振動頻率僅取決於彈性地球的本身性質。確切的數學模擬基本原理，依然類似於對撥動弦樂器的分析。希臘人在2 000多年前就認識到，音樂的諧波只取決於琴弦的長度、密度和繃緊程度(圖2.8)。這種自由振動叫本徵振動。同樣，被撥動了的地球內的本徵振動，取決於其地質構造的大小、密度和整個內部的彈性模量。
彈性繩的振動狀態
彈性繩的振動狀態彈性球體僅有兩種不同類型的本徵振動。一類叫T型或環型振盪，僅包括地球岩石的水平移動；岩石的顆粒在球面——地球表面或一些內部界面上往復運動。第二類叫S型或球型振盪，球型振盪的運動分量既有沿半徑方向的，也有水平方向的。
地震面波
當P波和S波到達地球的自由面或位於層狀地質構造的界面時，在一定條件下會產生其他類型地震波。這些波中最重要的是瑞利波和勒夫波。這兩類波沿地球表面傳播；岩石振動振幅隨深度增加而逐漸減小至零。由於這些面波的能量被捕獲在表面才能沿著或近地表傳播，否則這些波將向下反射進入地球，在地表只有短暫的生命。這些波類似在倫敦的聖保羅大教堂 “耳語長廊”(譯者註：或中國天壇回音壁)的牆面上捕獲的聲波，只有耳朵靠近牆面時才能聽到從對面牆上傳來的低語。勒夫波是地震面波中最簡單的一種類型。它們是以1912年首次描述它們的勒夫的姓名命名的。如圖2.9所示，這個類型的波使岩石質點運動類似SH波，運動沒有垂向位移。岩石運動在一垂直於傳播方向上在水平面內從一邊到另一邊。雖然勒夫波不包括垂直地面運動的波，但它們在地震中可以成為最具破壞性的，因為它們常具有很大振幅，能在建築物地基之下造成水平剪下。
勒夫波和瑞利波傳播過程中近地表岩石的運動
勒夫波和瑞利波傳播過程中近地表岩石的運動相反，瑞利面波具有相當不同的地面運動。於1885年首次由瑞利（Lord Rayleigh）描述，它們是地震波中最近似水波的。岩石質點向前、向上、向後和向下運動，沿波的傳播方向作一垂直平面，質點在該平面內運動，描繪出一個橢圓。勒夫波和瑞利波的速度總比P波小，與S波的速度相等或小一些。從地面運動類似性看，球型(S型)自由振盪是傳播的瑞利波的駐波，環型(T型)自由振盪則與勒夫波對應。
地震波序
由於不同地震波類型的速度不同，它們到達時間也就先後不同，從而形成一組序列，它解釋了地震時地面開始搖晃後我們經歷的感覺。
從震源首先到達某地的第一波是“推和拉”的P波。它們一般以陡傾角出射地面，因此造成鉛垂方向的地面運動，垂直搖動一般比水平搖晃容易經受住，因此一般它們不是最具破壞性的波。因為S波的傳播速度約為P波的一半，相對強的S波稍晚才到達。它包括SH和SV波動：前者在水平平面上，後者在垂直平面上振動。S波比P波持續時間長些。地震主要通過P波的作用使建築物上下搖動，通過S波的作用側向晃動。
面波擴展成為長長的尾波是波的頻散一例。各種類型的波通過物理性質或尺度變化的介質時都會發生這一效應。細看水塘中的水波顯示，具短波長的波紋傳播在較長波長的波紋前面。波峰的速度不是常數而取決於波的波長。當一塊石頭打到水中之後，隨時間的發展，原來的波開始按波長不同被區分開來，後來較短的波脊和波槽越來越傳播到長波的前面，地震面波傳播中也有類似現象。
不同地震波的波長變化很大，長至數千米，短至幾十米，這樣地震波很可能發生頻散。圖2.11顯示一典型面波從地面到較深處岩石質點運動隨深度的變化。既然為面波，絕大部分波的能量被捕獲在近地表處，到一定深度後岩石實際已不受面波傳過的影響，這一深度取決於波長，波長越長，波動穿入地球越深。一般地講，地球中的岩石越深，穿行其中的地震波速越快，所以長周期(長波長)面波一般比短周期(短波長)的傳播快些。這種波速度的差異，使面波發生頻散，拉開成長長的波列。但與水波相反，較長的面波是首先到達的。
隨深度增大橢圓變小直至最後消失，橢圓運動可能是順時針的、也可能是逆時針的
我們還需要理解波的另一種性質，才能完成對地震波運動奇妙世界的全部了解，這就是波的衍射(繞射)現象。當一列水波遇到一障礙，如一突出水面的垂直管子，波能的大部分能量反射走了，但有些波將繞著管子進入陰影，因而管子後面的水並不完全平靜。事實上所有類型的波的衍射——無論是水、聲或地震波都引起它們從直線路徑偏移，暗淡地照亮障礙物後面的區域。
理論和觀察一致得出：長波比較短的波向平靜帶偏折更多。就是說，像頻散一樣繞射是波長的函式。對地質解釋最重要的一點是P波和S波及面波沒有被異常的岩石包體完全阻止，一些地震能量繞過地質構造繞射，另一些通過它們折射。
地震波的種類
地震波主要分為兩種，一種是表面波，一種是實體波。表面波只在地表傳遞，實體波能穿越地球內部。
利用P波和S波的傳遞速度不同，利用兩者之間的走時差，可作簡單的地震定位。
