《自然灾害》之地震灾害-02地震波及其用途
1.2 地震波
1.2.1 体波
地震在地球内部会产生两种体波：P波（Primary waves）和S波（Secondary waves）。
P波是跑的最快的波，它可以在固体、液体和气体中传播。P波与空气中的声波很相似，质点沿着波的传播方向做压缩和拉伸运动。
图2‑10 地震在地球内部会产生两种体波：P波（primary waves）和S波（secondary waves）。（加了一张示意图，是为了说明因为受地层的速度差异影响（如果没有低速体，地震波的传播速度通常越往下速度越快），地震波的P波在射线传播路径并不是直线，而是曲线，当靠近地面P波在垂直分量越大，当然如果不是垂直出射，水平分量也是有运动的；而一些细心的读者发现上图显示的P波似乎是水平运动，那是因为示意图的P波在地球表面传播。）
S波跑的比P波慢，它只可以在固体传播。在S波传播时，质点的运动方向与S波的传播方向互相垂直，介质中产生剪切应力。由于流体不能承受剪切应力，因此S波不能在液体和气体中传播。
P波和S波的速度由介质的密度和弹性常数决定。
唐山地震时北京所感到的两种地震波
唐山地震发生在1976年7月28日凌晨3点多钟。当时笔者（陈颙）住在北京前门附近一个非常破旧的二层木制结构的楼房里，楼房至少有五十年历史了，除了外墙是砖砌的，地板和骨架都是木质的，一走起路来地板就发出"咯吱咯吱"的呻吟声。那时正好是夏天，天气出奇的闷热，难以让人入睡。我刚躺着一会儿，迷迷糊糊中就觉得床有些大幅度上下跳动，地板甚至整个楼房都发出"嘎吱"的声音。我立刻意识到"有大地震发生了"。长年从事地震工作的我被晃醒后没有立即下床，而是躺在床上开始数数，"一、二、三，……"，数着数着床的晃动变小了。当数到第二十的时候，突然又来了一次晃动，比第一次更厉害，整个楼层都在忍受剧痛似的"哗哗啦"乱响。这短短的20秒钟间隔就是纵波和横波到达的时间差（地震通常会产生纵波和横波，纵波在地球介质中传播得快，最先到达我们脚下，引起地表的上下运动；横波跑得慢，我们感到的第二次强烈震动就是横波造成的，地面表现出水平方向运动。由于横波携带了地震产生的大部分能量，因此它对地表建筑物的破坏更为严重），反映了观测者和震源的距离，差1秒钟，表明约8公里远处发生了地震，20秒钟则说明这次地震事件发生在约160公里处。于是，我有了一个初步判断：地震不在北京--在距离北京160公里的地方有大地震发生了。
这和雷雨闪电的原理是一样的：天空两片雷雨云相遇时，发出闪电和雷声，闪电（电磁波）跑得快，雷声（空气中得声波）跑得慢，我们先看见闪光，后听见雷声，闪光和雷声之间得时间差，就表示发出闪光和雷电的云距我们的距离。
1.2.2 面波
面波是沿地球表面附近传播的一种弹性波。面波传播的速度都比体波慢。最重要的面波有两种：Rayleigh 波（R波）和Love 波（L波），它们的命名是为了纪念这些波的发现者，英国科学家Lord Rayleigh 和 A.E.H. Love。
图11 Rayleigh波传播时，质点在沿着波传播方向的垂直的平面做逆时针的椭圆运动，波到来时，地面的运动和水面上的波浪运动一样（参看"海啸"一章中"波浪运动"一节）。
图12 Love 波（L波）传播时，质点水平运动，而且运动方向与波传播方向的垂直，地面上质点运动最大，越往地下深处运动的幅度越小。
图13 2003年12月26日伊朗巴姆地震产生的地震波传到世界各地的理论时间（单位：分）
来源 USGS
图14 2006年7月19日10:57:36.8印尼巽他海峡发生Ms6.0级地震（S6.5°，E105.4°），这是昆明地震台（KIM，震中距 31.6°，方位角355.0°）的实际记录.纵轴是地震动的位移（单位：微米），横轴是时间。
地震作为地球内部的一种震动，发生的时候会产生一系列波动即地震波，而地震波是目前我们所知道的唯一一种能够穿透地球内部的波。今天我们关于地球内部的知识都是怎么得来的呢？这在很大程度上要归功于地震波。十九世纪，人们就已知道，地震是一盏照亮地下的明灯。
1.3 地震是照亮地球内部的一盏明灯
图15 人们挑选西瓜都有个经验，用手拍打西瓜听听声音便可以判断西瓜的成熟情况，这是因为不同的西瓜振动时发出的音调和音色不同。地球物理工作者的事业和拍西瓜很相似，只不过有时候通过人工地震手段让地球振动，有时候是地球自己发生地震产生振动，科学家则通过记录和"倾听"这些来自地球内部振动的交响乐--地震波，来判断地球内部的结构和状态。迄今为止，地震波是唯一能够贯穿地球的波动。
震源发出的地震波会通过地球介质向各个方向传播，我们从而可以在世界各地通过地震仪记录到。20世纪初，地震学家发现，大地震发生后，在距地震震中103o-143o的范围内记录不到地震P波。于是他们猜想，地球具有分层结构，地球内部有一个低速的地核，地震P波由于折射，到达不了105o-142o的范围。人们关于地球内部的认识就从地震波而得来。
图16（a）记录到印尼大地震的全球地震台站的位置和它们离地震震中的距离（度）；（b）地震后6小时内各台站记录的Rayleigh波的垂直向地面运动（峰-峰值，用cm表示），R1是沿震中-台站大圆最短距离传播的波，R2是沿同一个大圆最远距离传播的波，R3与R1相同，只是多绕地球转了一圈，R4与R2相同，也多绕地球转了一圈。
来源 J.PARK, K.ANDERSON, R.ASTER, 等（2005）
图17 20世纪初，地震学家发现，大地震发生后，在距地震震中约103o-143o的范围内记录不到地震P波。于是他们猜想，地球具有分层结构，地球内部有一个低速的地核，地震P波由于折射，到达不了103o－143o的范围。
图18 现在我们已经知道地球可以分为地壳、地幔和地核，地核又包括一个液态的外核和一个固态的内核。图中给出了各层的地震波速度。对地球内部的认识，都来源于天然地震的资料和数据。
获得地球的这种分层结构的大事年表可简要列举如下：
1906年奥尔德姆首先试图从地震波穿过地球的时间来推断整个地球内部构造。
1909年莫霍洛维奇根据近震初至波的走时，算出地下56公里处存在一个间断面，间断面以上物质的平均速度为5.6公里/秒，以下物质的速度为7.8公里/秒。后来发现，无论是海洋还是大陆，绝大多数地区都存在这个间断面，通常称它为莫霍界面，其平均深度约为30公里，莫霍界面以上的部分称为地壳，以下的部分称为地幔。
1914年古登堡（Gutenburg）根据地震体波的"影区"确认了地核的存在，并测定了地幔和地核之间的间断面，其深度为2900公里。这个数值相当准确，直到现在也改进不多。根据地核不能传播横波（地震波的一种，不能在液体中传播）的特性，地震学家又推断出地核是液态的。
1936年赖曼通过对体波"影区"的进一步研究，发现了在液态的地核中还有一个固态的地球内核。
1996年中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波，推断出内核旋转速度要比外核快，这个发现进一步加深了人类对地球的认识，被评为该年度美国十大科学新闻之一。
图19 1996年中国旅美学者宋晓东通过研究穿过地核的地震波，推断出内核旋转速度要比外核快，这个发现进一步加深了人类对地球的认识，他的研究成果刊登在NATURE 上，并被评为1996年度美国十大科学新闻之一。
1.4 地震波的多种应用
利用地震波的另外一个重要方面是地震勘探。地震勘探的历史可以追溯到19世纪中叶。早在1845年马利特就曾用人工激发的地震波来测量地壳中弹性波的传播速度，而在第一次世界大战期间，交战双方都曾利用重炮后坐力产生的地震波来确定对方的炮位，这些可以说是地震勘探的萌芽。由于地震勘探具有其它地球物理勘探方法所无法达到的精度和分辨率，所以在石油和其它矿产资源的勘探中，用地震波进行勘探是最主要和最有效的方法之一。各种矿产资源在构造上都会具有某种特征，如石油、天然气只有在一定封闭的构造中才能形成和保存。地震波在穿过这些构造时会产生反射和折射，通过分析地表上接收到的信号，就可以对地下岩层的结构、深度、形态等作出推断，从而可以为以后的钻探工作提供准确的定位。
图20 利用地震波进行勘探
图21 全面禁止核试验条约（CTBT）的地震台站分布
利用地震还可以为国防建设服务。截止到2000年11月，已经有160个国家正式签署了全面禁止核试验条约（CTBT）。现在所面临的一个共同问题是，如何有效地监测全球地下核爆炸。而这正是地震学的用武之地，地下核爆炸和天然地震一样也会产生地震波，会在各地地震台的记录上留下痕迹。而地下核爆炸和天然地震的记录波形是有一定差异的，因此根据其波形不仅可以将它与天然地震区分开来，而且可以给出其发生时刻、位置、当量等。
图22 图中红颜色的是地下爆炸产生的地震波，其记录特征是"大头小尾"，蓝颜色的是天然地震产生的地震波，它的特征是"小头大尾"。利用记录到的地震波的特点，可以区分地下核爆炸和天然地震。
图23 俄罗斯的库尔斯克号潜艇沉入巴伦支海时，没有人想到要去告诉地震学家。但是，2001年1月，正是地震学家使得这场灾难起因的争论最终得以结束。波罗的海地震台记录到了库尔斯克号上爆炸产生的可说明问题的震动。这一证据表明，这场悲剧是当潜艇在水面上时艇上的一枚鱼雷意外引起的，随即在深部发生了几枚鱼雷爆炸。而俄罗斯当局早先将这一事件归罪于一艘不明身份外国潜艇的碰撞。
来源 a：AP美联社(http://www.aeronautics.ru/img003/kursk-017.jpg) b： EOS (2001)
图24 离美国世界贸易中心34公里的地震台，记录了911事件的全部时间进程。
来源 Kim, W. Y.（2001）
其实，地震学的应用还远不止以上这些。例如，目前用地震的方法预测火山喷发取得了很大的进步；对水库诱发地震的研究可以为大型水库提供安全保障，例如我国的三峡工程，库区地震灾害的研究就是工程可行性论证的重要内容之一；对矿山地震的监测是保护矿山安全的重要手段之一；地震学还可用于对行星的探测，通过对行星自由振荡的研究可以揭示行星内部大尺度结构。因此，地震学这门古老的学科，不断获得活力，成为正在迅速发展的前沿学科之一。
图25 全世界每年记录的地震事件数目，1900年约为100多次，20世纪末超过10,000次，2006年超过100,000次。这是由于地震台站的增多，反映了地震科学的迅速发展。
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