地震波

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地震波在地球內部的部分傳遞方式。

地震波英语seismic wave),意指在地球內部傳遞的。一般而言,地震波是由構造地震所產生,然而其它自然現象也能生成地震波,例如。人為的活動也能造成地震波,例如爆炸。對於地球內部構造的瞭解,地震波扮演了一個不可缺的角色。

地震波的產生[编辑]

根據彈性回跳理論,造成地震的原因是斷層破裂。斷層破裂時,兩側的岩體會相對移動,並釋放出累積的能量。大部分的能量在克服摩擦力中損失,並以熱能呈現,另一部分能量則造成岩體快速的位移,形成彈性波,釋放到附近的地殼中。當岩體快速位移時,所產生的推力會形成壓縮波,即所謂的P波,沿著斷層面的相對位移則形成剪力波,即所謂的S波

斯涅爾定律得知,波在穿越不同物質時,會產生折射、反射以及極端狀況下的全反射,並且偏向低速介質的法線。當地震波由地殼內往近地表的風化層傳遞時,由於波速降低,造成地震波折射時容易進入近地表。這種現象在地震波來源靠近地表時,會更加明顯。而地震波進入近地表的低速層之後,只要產生全反射,震波便會被侷限在低速層中,形成陷波(Trapped Wave)。不同的陷波會互相干涉,造成地層共振並形成駐波(Standing Wave)在地表傳遞,也就是表面波。

地震波的種類[编辑]










P波

Pswaves.jpg
S波



乐甫波

雷利波

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,实體波能穿越地球內部。

  • 實體波(Body Wave):在地球內部傳遞,又分成P波和S波兩種。
    • P波:P代表主要(Primary)或壓縮(Pressure),為一種縱波,粒子振動方向和波前進方平行,在所有地震波中,前進速度最快,也最早抵達。P波能在固體液體氣體中傳遞。
    • S波:S意指次要(Secondary)或剪力(Shear),前進速度僅次於P波,粒子振動方向垂直於波的前進方向,是一種橫波。S波只能在固體中傳遞,無法穿過液態外地核

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。

  • 表面波(Surface Wave):淺源地震所引起的表面波最明顯。表面波有低頻率、高震幅和具頻散(Dispersion)的特性,只在近地表傳遞,是最有威力的地震波。
    • 乐甫波(Love Wave):粒子振動方向和波前進方向垂直,但振動只發生在水平方向上,沒有垂直分量,類似於S波,差別是側向震動振幅會隨深度增加而減少。
    • 雷利波(Rayleigh wave):又稱為地滾波,粒子運動方式類似海浪,在垂直面上,粒子呈逆時針橢圓形振動,震動振幅一樣會隨深度增加而減少。

地震波的觀測[编辑]

地震、地球物理學家和工程師使用地震儀检波器(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,這些特性被用來瞭解地球的內部構造。

地震定位[编辑]

地震儀紀錄下的地震波,可以辨識出P波和S波的抵達時間。
  • S-P波走時差
地震發生後,P波和S波會以不同的速度向外傳遞,隨著距離的不同,P波和S波抵達的時間差也會不同。我們已知P波和S波波速,利用下列公式即可求出測站距離震央距離。
\frac{r}{V_s}-{r \over V_p}=t
  • V_p=P波速度
  • V_s=S波速度
  • r=震央和測站距離
  • t=走時差
將每個測站的結果,以離震央距離為半徑,測站為圓心畫圓,當測站數目足夠時,這些圓會交為同一點,即可求得震央。
  • P波抵達時間
S-P波走時曲線的定位原理非常淺顯易懂,但是在實際狀況中,要精確的判定P波的抵達時間遠比S波容易。在一般情況下,P波信號的強度遠大於背景雜訊,能輕易的判定,而S波的波速低於P波,造成判斷S波的抵達時間會受到P波的干擾而出現誤差。
使用P波抵達時間定位時,會採用多個測站的P波抵達時間,配合地殼的P波波速模型,利用逆推原理來判定震央。在這種情況下,地殼的速度模型就扮演重要的角色,然而地殼的組成複雜,地質構造也會影響波速,地震定位的精確性仍有很大的進步空間。
T_i-T_0=\sqrt{(X_i-X_0)^2+(Y_i-Y_0)^2+(Z_i-Z_0)^2}/V_p
  • X_i,Y_i,Z_i=測站座標
  • X_0,Y_0,Z_0=震源座標
  • T_i=P波抵達測站時間
  • T_0=P地震發生時間
  • V_p=P波速度
  • 雙差分定位
理論上,如果兩個地震的震源靠近,震源機制解相同,兩個地震抵達同一測站的地震波會有相似的波形。根據這個原理,比較震源相近的地震波波型,求得兩個地震的走時差,並利用這個數值修正地震之間的相對位置,可以獲得地震的精確位置。

參見[编辑]

参考文献[编辑]

  • Susan Elizabeth Hough. Earthshaking Science: What We Know (and Don't Know) about Earthquakes. Princeton University Press. 2002 (English). 
  • Felix Waldhauser and William L. Ellsworth. A Double-Difference Earthquake Location Algorithm: Method and Application to the Northern Hayward Fault, California. Bulletin of the Seismological Society of America. Dec,2000 (English). 

外部連結[编辑]