地震波——點(diǎn)亮地球內(nèi)部的一盞明燈

地震，作為地球內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生的一種運(yùn)動，深刻影響著人類的生產(chǎn)與生活。地震發(fā)生時，會伴隨著一系列波動，即地震波。地震波，是目前人類所知的唯一能夠穿透地球介質(zhì)內(nèi)部的物理波。今天，我們就來了解一下地震波。

地震波的類型與特點(diǎn)

地震發(fā)生時，在震源區(qū)的介質(zhì)中發(fā)生急速的破裂與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這種擾動形成了一個波源。由于地球介質(zhì)的連續(xù)性以及物質(zhì)的相互作用，地震波這種波動就會向地球內(nèi)部及表層等各個方向傳播，即形成連續(xù)介質(zhì)中的彈性波。

若將地震波按照傳播介質(zhì)來劃分，地震波在地球內(nèi)部傳播時稱為體波，沿地球表面?zhèn)鞑シQ為面波。

地震波從震源處產(chǎn)生后，按照傳播介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律劃分，分為漲縮波與剪切波。漲縮波代表介質(zhì)體積的漲縮，在地球介質(zhì)中的傳播速度約為4.0-7.0 km/s，其質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波傳播的方向一致，所以也被稱為縱波或者P波。

剪切波代表介質(zhì)的變形作用，在地球介質(zhì)中的傳播速度約為2.0-4.0 km/s，其質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波傳播的方向垂直，所以也被稱為橫波或者S波。S波按照振動的極化方向又可以進(jìn)一步劃分SV波和SH波。

這兩種波傳播特點(diǎn)示意圖如圖1：

圖1：地震波的類型與傳播特點(diǎn)示意圖

在地表附近，體波又衍生出一種特殊類型的波——面波，它同時具有縱波和橫波的一些特點(diǎn)。介質(zhì)中的粒子既發(fā)生上下運(yùn)動又發(fā)生左右運(yùn)動，并且波長較長，振幅與能量較強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生天然地震時，對建筑設(shè)施破壞最嚴(yán)重的就是面波。

面波相對于體波一個顯著的傳播特點(diǎn)是，它只沿著地球表面?zhèn)鞑?，離開地球表面向下便迅速衰減，并且傳播速度比體波慢得多。

雖然地震波類型有多種，但是用來描述地震波的物理量主要有四個，即波速、波長、周期與頻率。

以最簡單的正弦波為例，它是由震源周期振動（周期記作T）產(chǎn)生的波，在一個周期內(nèi)，正弦波沿著波的傳播方向前進(jìn)的距離，叫做波長，通常用符號 λ 表示。

波源每振動一次，波就向前傳播一段距離，波源振動快慢用頻率f描述，表示波源每秒振動的次數(shù)。因此波每秒振動傳播距離就是λf，即波的傳播速度，通常用V表示。

地震波的速度是地震波屬性中最重要的一個，地震波的傳播能力與傳播速度取決于傳播介質(zhì)的彈性性質(zhì)?？v波反映的是地球介質(zhì)的體積應(yīng)變，因此縱波能在固液氣三態(tài)中傳播。

而橫波與縱波不同，是反映介質(zhì)的剪切應(yīng)變，因?yàn)榱黧w與氣體由于分子間距大都不能承受剪切變形作用，所以橫波不能在液體和氣體中傳播。

在傳播速度上，縱波最快，橫波比縱波慢，傳播最慢是面波。波的傳播速度并不是一成不變的，它會隨著振動頻率而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做波的頻散。

正是由于這種頻散作用使得波在傳播過程中發(fā)生變化，特別當(dāng)通過不同介質(zhì)的分界面時會發(fā)生透射、折射與反射現(xiàn)象，我們正是利用了這些物理原理，來用地震波了解地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與界面，從而為人類認(rèn)識地球內(nèi)部點(diǎn)亮了一盞明燈。

地震波與地球內(nèi)部圈層劃分

1. 莫霍面的發(fā)現(xiàn)

在地球物理學(xué)的羅曼史上，地球內(nèi)部最重要的一個界面——莫霍面（地殼與地幔的分界面）的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的一個里程碑。

1909年奧地利地震學(xué)家莫霍洛維奇在一次地震研究中，偶然發(fā)現(xiàn)地震波速在歐洲大陸下近35公里處的傳播速度突然發(fā)生跳躍性變化，縱波速度從7.0km/s突然變化到8.1km/s；橫波速度也從4.2km/s突然增加至4.4km/s。

莫霍洛維奇敏銳地覺察到該深度處物質(zhì)成分與性質(zhì)應(yīng)該發(fā)生了變化，也許存在一個不連續(xù)分界面。后經(jīng)過科學(xué)分析，他于1910年提出了地球內(nèi)部分層的學(xué)說，即地球內(nèi)部存在一個分界面將地球分為內(nèi)外兩層。

內(nèi)層和外層就是我們今天熟知的地幔與地殼，而這個分界面后來為了紀(jì)念這位奧地利科學(xué)家，被命名為“莫霍洛維奇不連續(xù)面”（莫霍面），為人類使用地震波認(rèn)識地球內(nèi)部拉開了序幕。

2. 精準(zhǔn)確定的古登堡面與液態(tài)地核的發(fā)現(xiàn)

地震發(fā)生時，從震源發(fā)出的地震波會通過地球介質(zhì)向各個方向傳播，其中體波分量，包括P波和S波，可以從比較小的角度距離范圍到比較大的角度距離范圍被連續(xù)追蹤與觀測，在世界各地的地震臺站通過儀器都可以被記錄到。

但地震學(xué)家從地震數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，大地震發(fā)生后，在距離地震震中103度~143度的范圍內(nèi)記錄不到地震縱波信號，存在一個“P波陰影區(qū)”（如圖2），于是他們猜想，這是由于地球內(nèi)部還存在其它的分層結(jié)構(gòu)扭曲了地震波場。

圖2：關(guān)于“在距離地震震中103度~143度的范圍內(nèi)記錄不到地震縱波信號，存在一個“P波陰影區(qū)”的說明

1914年，德國地震學(xué)家古登堡根據(jù)這一影區(qū)的存在確認(rèn)了地核的存在，并測定了地幔與地核之間的不連續(xù)界面，即后來的“古登堡不連續(xù)面”，定位其深度約為2900千米。

這個數(shù)據(jù)今天看仍然非常準(zhǔn)確，在此界面處，體波中的橫波分量突然消失，縱波分量發(fā)生了折射，且速度大幅下降，并且從橫波不能在液體介質(zhì)中傳播這一特點(diǎn)，推斷出地核是液體。

地核內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)是后來另一位女科學(xué)家萊曼通過地震觀測資料發(fā)現(xiàn)的。至此，地球內(nèi)部最重要的幾個界面被確定，它們都是借助地震波觀測記錄進(jìn)行推斷的。圖3展示了依靠地震波傳播劃分地球內(nèi)部主要圈層結(jié)構(gòu)和波速特征。

圖3：地球內(nèi)部主要圈層劃分與地震波速度特點(diǎn)

地震波探測的多尺度應(yīng)用

人類對天然地震的發(fā)生機(jī)理和預(yù)測方法還所知甚少，而天然地震現(xiàn)象產(chǎn)生的地震波，是我們從宏觀尺度了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最有力工具。

地震學(xué)家從醫(yī)學(xué)CT成像獲得靈感，發(fā)明了地震層析成像方法，即通過對觀測到的地震波各種震相的運(yùn)動學(xué)(走時、射線路徑)和動力學(xué)(波形、振幅、相位、頻率)資料的分析,進(jìn)而反演由大量射線覆蓋的地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、速度分布及其彈性參數(shù)等重要信息的一種地球物理方法。

通過成像可以讓我們清楚地了解地震內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要分界面，這是地震波經(jīng)典的最大尺度的應(yīng)用。

地震波除了在全球尺度上幫我們更好地了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)外，在地殼淺層的中小尺度能源礦產(chǎn)資源勘探中也發(fā)揮著無與倫比的作用，因?yàn)橄啾绕渌厍蛭锢矸椒ǎ卣鹂碧椒椒ň哂凶罡叩木扰c成像分辨率。

天然地震時地球內(nèi)部發(fā)生運(yùn)動而引起的地殼震動，通常稱作被動源。而地震勘探則是用人工方法引起地殼震動，例如井中埋置炸藥引爆激發(fā)、空氣槍、人工機(jī)械震源等方式，這種通常稱作主動源勘探。

再用精密儀器記錄下震動激發(fā)后地面上各點(diǎn)的震動情況，生成地震記錄數(shù)據(jù)。利用記錄的數(shù)據(jù)，結(jié)合各種數(shù)據(jù)處理方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加工形成地下結(jié)構(gòu)的圖像，從而推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)、深度、形態(tài)等，幫助尋找油氣與礦產(chǎn)資源。

我國的大慶、勝利、長慶、遼河、塔里木等大油田都是利用地震勘探發(fā)現(xiàn)的。近年來，在新型替代能源的探索上，如可燃冰、干熱巖等新能源的分布情況，也是通過地震勘探方法查明的。

隨著非常規(guī)能源與干熱巖等新型能源的開發(fā)利用，地震波探測又煥發(fā)了新的生命力。在地下礦井深部開采過程中和水力壓裂等活動中，會發(fā)生巖石破裂和地震活動。由開發(fā)活動誘發(fā)的微小地震活動，在被改造的巖體內(nèi)因應(yīng)力場變化導(dǎo)致巖石破壞而引起的那些地震事件，被稱作微地震事件。

我們通過觀測這些微小的地震信號，對它們進(jìn)行定位和震源機(jī)制分析，來確定地下新生裂縫的延伸方向，從而推斷出地下某一深度的地應(yīng)力方向，并評價裂縫的空間展布。

圖4：地震波探測在不同領(lǐng)域不同尺度的應(yīng)用

這樣也能夠幫助油藏工程師來評價儲層的改造情況，這是地震波探測一個微尺度的經(jīng)典應(yīng)用，如圖4所示。

此外，地震波的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多，如火山噴發(fā)監(jiān)測，水庫誘發(fā)地震監(jiān)測，地下核爆監(jiān)測等。地震波與地震學(xué)這門由牛頓力學(xué)導(dǎo)出的古典學(xué)科，正在不斷地迸發(fā)新的活力，迅速成為前沿科學(xué)之一。

本文依托中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所“柴達(dá)木盆地及周緣中-古生界油氣成藏條件與目標(biāo)區(qū)優(yōu)選”， “塔里木、準(zhǔn)格爾、柴達(dá)木盆地油氣戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查”，“基于深度域地震成像的柴東石炭系油氣成藏模式研究”等項(xiàng)目資助。

作者：

張浩1,2，李宗星1,2，彭博1,2，馬寅生1,2，方欣欣1,2 ，魏小潔1,2

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；

2. 自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081