[科普中國(guó)]-地震波衰減

地震波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量不斷地衰減，能量損失的程度是震源和介質(zhì)物理性質(zhì)的函數(shù)。此外，地震波在傳播過程中波前的擴(kuò)散也引起地震波的衰減。1

簡(jiǎn)介地震波按傳播方式分為三種類型：縱波、橫波和面波?？v波是推進(jìn)波，地殼中傳播速度為5．5~7千米/秒，最先到達(dá)震中，又稱P波，它使地面發(fā)生上下振動(dòng)，破壞性較弱。橫波是剪切波：在地殼中的傳播速度為3.2～4.0千米/秒，第二個(gè)到達(dá)震中，又稱S波，它使地面發(fā)生前后、左右抖動(dòng)，破壞性較強(qiáng)。面波又稱L波，是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波。其波長(zhǎng)大、振幅強(qiáng)，只能沿地表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物?qiáng)烈破壞的主要因素。

地震縱波和橫波我們最熟悉的波動(dòng)是觀察到的水波。當(dāng)向池塘里扔一塊石頭時(shí)水面被擾亂，以石頭入水處為中心有波紋向外擴(kuò)展。這個(gè)波列是水波附近的水的顆粒運(yùn)動(dòng)造成的。然而水并沒有朝著水波傳播的方向流；如果水面浮著一個(gè)軟木塞，它將上下跳動(dòng)，但并不會(huì)從原來位置移走。這個(gè)擾動(dòng)由水粒的簡(jiǎn)單前后運(yùn)動(dòng)連續(xù)地傳下去，從一個(gè)顆粒把運(yùn)動(dòng)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(yùn)移并在岸邊激起浪花。地震運(yùn)動(dòng)與此相當(dāng)類似。我們感受到的搖動(dòng)就是由地震波的能量產(chǎn)生的彈性巖石的震動(dòng)。

假設(shè)一彈性體，如巖石，受到打擊，會(huì)產(chǎn)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，都是在空氣里由交替的擠壓(推)和擴(kuò)張(拉)而傳遞。因?yàn)橐后w、氣體和固體巖石一樣能夠被壓縮，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(shí)，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?cái)D壓和拉張它們穿過的巖石，其顆粒在這些波傳播的方向上向前和向后運(yùn)動(dòng)，換句話說，這些顆粒的運(yùn)動(dòng)是垂直于波前的。向前和向后的位移量稱為振幅。在地震學(xué)中，這種類型的波叫P波，即縱波。

彈性巖石與空氣有所不同，空氣可受壓縮但不能剪切，而彈性物質(zhì)通過使物體剪切和扭動(dòng)，可以允許第二類波傳播。地震產(chǎn)生這種第二個(gè)到達(dá)的波叫S波，即橫波。在S波通過時(shí)，巖石的表現(xiàn)與在P波傳播過程中的表現(xiàn)相當(dāng)不同。因?yàn)镾波涉及剪切而不是擠壓，使巖石顆粒的運(yùn)動(dòng)橫過運(yùn)移方向，這些巖石運(yùn)動(dòng)可在一垂直向或水平面里，它們與光波的橫向運(yùn)動(dòng)相似。P和S波同時(shí)存在使地震波列成為具有獨(dú)特的性質(zhì)組合，使之不同于光波或聲波的物理表現(xiàn)。因?yàn)橐后w或氣體內(nèi)不可能發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，S波不能在它們中傳播。P和S波這種截然不同的性質(zhì)可被用來探測(cè)地球深部流體帶的存在。

利用互相關(guān)函數(shù)求地震波衰減與傳統(tǒng)利用單事件波形求介質(zhì)衰減 的方法不同，我們提出一種以一系列事件為源，以源與遠(yuǎn)處記錄波形的互相關(guān)函數(shù)為基礎(chǔ)計(jì)算介質(zhì)品質(zhì)因子的方法。依據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，我們分別以單次和多次激發(fā)為源，討論了事件波形和互相關(guān)函數(shù)波形的振幅變化及相應(yīng)的介質(zhì)品質(zhì)因子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與事件波形一樣，互相關(guān)函數(shù)波形也可以用于計(jì)算介質(zhì)的衰減系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明：(1)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地淺層介質(zhì)在原場(chǎng)條件下的品質(zhì)因子Q值在40左右；(2)互相關(guān)函數(shù)的最大幅度與事件波形的振幅隨距離具有相同的衰減規(guī)律。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽(yáng)國(guó) - 副教授 - 中國(guó)海洋大學(xué)