地震纵波

　　由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。

　　地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。地球内部存在着地震波速度突变的基干界面、莫霍面和古登堡面，将地球内部分为地壳、地幔和地核三个圈层。

　　地震被按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5~7千米／秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

　　敲击音叉产生的纯音调具有某种频率。那个频率表示声波在一秒钟内挤压和扩张的次数，或对水波和其他类型的震动，在一秒钟内起落的次数。频率单位以赫表示，写为Hz，这一个度量单位是为纪念亨利·赫兹而命名的，他是德国物理学家，1887年首次发现电磁波。1赫等于每秒一个旋回的涨落。峰脊之间的时间是波动周期；等于相应的波的频率的倒数。

　　人类可以察觉20～10 000赫频率之间的声音。一地震的P波可从岩石表面折射到大气中去，如果其频率是在听得见的频率之内，人耳就可能听到这个波运行时的轰鸣声。在波动频率低于20赫时，人们将感觉到地面振动而听不到地震波运行的声音。

　　最简单的波是简谐波，即具有单一频率和单一振幅的正弦波，实际地震记录波形包含着多种波长的波，短波长的波叠加在较长波长的波上，如图2.10所示。由法国物理学家傅里叶首次于1822年将复杂的波列定量表达为各种不同频率和振幅的简谐波的叠加，地震时现感觉到纵波  在感觉到横波  横波比纵波具有摧毁力  一般地震级数越大横波越大     地震发生前  会有前兆  如 牲畜不安稳  井水会浑浊   等现象

　　波动可用一些特定的参量来描述。以实线画出的正弦波，它表示时刻t位于x处的质点波动位移为y。假设波的最大幅度为A，波长λ是两个相邻波峰之间的距离。

　　一完整的波(从一个波峰到下一个波峰)走过一个波长的时间称为周期T。这样，波速v是波长除以周期。v =λ/T

　　波的频率f，是每秒钟走过的完整波的数目，所以f = 1/T。一个波的确实位置取决于它相对于波起始的时间和与起始点的距离，图中细线描绘的波是第一个波向前面移动一个短距离，称之为由于这一移动而出现了相移。

　　波列也可在时间上向前或向后推移，这样，峰值不再在原来的时间或地点发生。当这些移动的波叠加在一起时形成，复杂的波形，虽然其组合成分在幅度和频率上完全相同。这个移动的大小是以一个重要的叫“相位”的量来度量的，它是波相对其起始点的距离。我们将看到它在地震对大型建筑物结构的破坏上有很大影响

　　假设一弹性体，如岩石，受到打击，会产生两类弹性波从源向外传播。第一类波的物理特性恰如声波。声波，乃至超声波，都是在空气里由交替的挤压(推)和扩张(拉)而传递。因为液体、气体和固体岩石一样能够被压缩，同样类型的波能在水体如海洋和湖泊及固体地球中穿过。在地震时，这种类型的波从断裂处以同等速度向所有方向外传，交替地挤压和拉张它们穿过的岩石，其颗粒在这些波传播的方向上向前和向后运动，换句话说，这些颗粒的运动是垂直于波前的。向前和向后的位移量称为振幅。在地震学中，这种类型的波叫P波，即纵波，它是首先到达的波。

　　弹性岩石与空气有所不同，空气可受压缩但不能剪切，而弹性物质通过使物体剪切和扭动，可以允许第二类波传播。地震产生这种第二个到达的波叫S波。在S波通过时，岩石的表现与在P波传播过程中的表现相当不同。因为S波涉及剪切而不是挤压，使岩石颗粒的运动横过运移方向。这些岩石运动可在一垂直向或水平面里，它们与光波的横向运动相似。P和S波同时存在使地震波列成为具有独特的性质组合，使之不同于光波或声波的物理表现。因为液体或气体内不可能发生剪切运动，S波不能在它们中传播。P和S波这种截然不同的性质可被用来探测地球深部流体带的存在。

　　S波具有偏振现象，只有那些在某个特定平面里横向振动(上下、水平等)的那些光波能穿过偏光透镜。穿过的光波称之为平面偏振光。太阳光穿过大气是没有偏振的，即没有光波振动的优选的横方向。然而晶体的折射或通过特殊制造的塑料如偏光眼睛，可使非偏振光成为平面偏振光。

　　当S波穿过地球时，它们遇到构造不连续界面时会发生折射或反射，并使其振动方向发生偏振。当发生偏振的S波的岩石颗粒仅在水平面中运动时，称为SH波。当岩石颗粒在含波传播方向的水质平面里运动时，这种S波称为SV波。

　　大多数岩石，如果不强迫它以太大的振幅振动，具有线性弹性，即由于作用力而产生的变形随作用力线性变化。这种线性弹性表现称为服从虎克定律，是以与牛顿同时代的英国数学家罗伯特.虎克(1635~1703年)而命名的。相似的，地震时岩石将对增大的力按比例地增加变形。在大多数情况下，变形将保持在线弹性范围，在摇动结束时岩石将回到原来位置。然而在地震事件中有时发生重要的例外表现，例如当强摇动发生于软土壤时，会残留永久的变形，波动变形后并不总能使土壤回到原位，在这种情况下，地震烈度较难预测。

　　弹性的运动提供了极好的启示，说明当地震波通过岩石时能量是如何变化的。与弹簧压缩或伸张有关的能量为弹性势，与弹簧部件运动有关的能量是动能。任何时间的总能量都是弹性能量和运动能量二者之和。对于理想的弹性介质来说，总能量是一个常数。在最大波幅的位置，能量全部为弹性势能；当弹簧振荡到中间平衡位置时，能量全部为动能。我们曾假定没有摩擦或耗散力存在，所以一旦往复弹性振动开始，它将以同样幅度持续下去。这当然是一个理想的情况。在地震时，运动的岩石间的摩擦逐渐生热而耗散一些波动的能量，除非有新的能源加进来，像振动的弹簧一样，地球的震动将逐渐停息。对地震波能量耗散的测量提供了地球内部非弹性特性的重要信息，然而除摩擦耗散之外，地震震动随传播距离增加而逐渐减弱现象的形成还有其他因素。

　　由于声波传播时其波前面为一扩张的球面，携带的声音随着距离增加而减弱。与池塘外扩的水波相似，我们观察到水波的高度或振幅，向外也逐渐减小。波幅减小是因为初始能量传播越来越广而产生衰减，这叫几何扩散。这种类型的扩散也使通过地球岩石的地震波减弱。除非有特殊情况，否则地震波从震源向外传播得越远，它们的能量就衰减得越多。

　　1989年10月17日当洛马普瑞特地震袭击时，伯克利家中突然感到房屋摇动。10秒钟后摇动突然变的特别厉害，这表示S波已经到达。P波总是首先从震源来到，因为它们沿同一路径传播时比S波速度快。利用波的这一特性，可以计算出这个地震的震源在80多千米以外。

　　P波和S波的实际传播速度取决于岩石的密度和内在的弹性。对线弹性物质而言，当波与运行方向无关时，波速仅取决于两个弹性性质，称为弹性模量：岩石的体积模量k和剪切模量μ。

　　当向岩石立方块表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化作为所需压力大小的度量，称为体积模量。当P波穿过地球内部传播时发生的就是这种类型的变形；因为它只引起体积变化，所以在流体中也可以发生，与在固体中一样。通常体积模量越大，P波的速度就越大。

　　第二种变形类型是，在向岩石立方块体两相对的面上施加方向相反的切向力时，这体积方块将受剪切而变形，而没有体积变化。同样，圆柱状岩心两头受大小相等方向相反力扭曲时也发生这种变形。岩石对剪切或扭曲应力的抵抗越大，其刚性就越大。S波通过剪切岩石而传播，剪切模量给出其速度的量度。通常是剪切模量越大，S波速度就越大。

　　P波和S波速度的简单公式在下面给出。这些表达式与已经提到的波的重要性质一致：因为流体的剪切模量是0，剪切波在水中的速度为0，因为两个弹性模量总是正的，所以P波比S波传播得快。

　　因为地球内部的强大压力，岩石的密度随深度增大。由于密度在P波和S波速度公式中的分母项上，表面看来，波速度应随其在地球的深度增加而减小。然而体积模量和剪切模量随深度而增加，而且比岩石密度增加得更快(但当岩石熔融时，其剪切模量下降至0)。这样，在我们的地球内部P和S地震波速一般是随深度而增加的，在第6章中将进一步讨论。

　　虽然某一给定岩石弹性模量是常数，但在一些地质环境里岩石不同方向上的性质可以显着变化。这种情况叫各向异性，这时，P波和S波向不同方位传播时具有不同速度。通过这种各向异性性质的探测，可以提供有关地球内部地质状况的信息，这是当今广泛研究的问题。但在以下的讨论中将限制在各向同性的情况，绝大多数地震运动属于这种情况。

　　专家:学会分辨地震横纵波 “躲桌下”过时50年

　　作为天津科技周的市级重点活动之一，“真爱地球、低碳减排、应对气候变化”——津台两地科普论坛昨日上午在天津大礼堂举办。中国地震局震灾应急救援司原司长、中国地震国际救援权威专家徐德诗在谈到如何科学应对自然灾害时表示，“地震时躲在桌子底下”的方法已经过时50年。随着城市建筑不断升级换代，家中家具质量的提高，桌子已经不是最好的避难处，这种方法不科学。

　　最科学：选立柱、内承重墙

　　徐德诗曾参与智利大地震和日本大地震的国际救援，有着丰富的地震应急救援经验。他告诉记者：“上世纪60年代邢台大地震中，救援队发现躲在桌子下的人活下来的几率较高，后来这种‘躲在桌子下’的自救方法就在国内流传开。其实现在分析，当时的邢台建筑多半是茅草屋或砖房，桌子是屋内相对结实的自救地点。现在，随着建筑物的升级换代，屋内的家具也越来越高档，最科学最安全的自救地点应该是屋内的立柱附近和内承重墙附近。家庭内最结实的家具附近也较为安全。”

　　最稳妥：学会分辨横纵波

　　“横波晃，纵波颠。我们平时要多看一些有关地震常识的书，了解地震的规律。简单地说，横波会让建筑物左右晃动，这表明我们距离震中心非常远，无须紧张；如果是先晃动后颠簸，说明震中心距离我们较近，需要做好应急措施，但无须惊慌；如果建筑物既左右晃动同时也上下颠簸，那么说明地震中心距离我们非常近，需要紧急避险。”

　　日计划利用横波和纵波的时间差实施"地震紧急预报"

　　日本气象厅决定从2006年夏天起，开始正式实施“地震紧急预报”，旨在利用地震发生时横波和纵波的时间差，在横波到来前几秒至几十秒的极短时间内“预报”地震。

　　据《读卖新闻》17日报道，日本气象厅实施这一计划的方针是先官方后民间，即首先向行政部门和企事业单位提供预报，待系统成熟后拟于2006年底再向普通市民提供预报。

　　气象厅利用地震发生时第一时间监测到的强度较小的纵波，分析判断将遭受强度较大的横波袭击的地区并告知有关部门，目的是使这些部门有一定的规避准备。

　　气象厅将从2006年夏天开始向全国各自治体、铁路公司、新闻机构等提供预报，让这些机构在安全管理和运用上利用这些信息，以将地震可能造成的损失降到最低。

　　浅谈地震纵波与横波及板块表现

　　维持板块张合产生的剪切纵波的力主要来自排出气团（气团由大小不同，位置不同，形状各异的多个气室组成）的冲击力（有点象火车的蒸汽机原理又有点象一连串的多个气球先后气爆），其次才是板块的那么一点点弹性回跳的板块弹力维持板块张合产生剪切纵波。如果没有大气团参与，大地震所产生的剪切纵波（左右摇晃）持续的时间应该很短，也就是剪切纵波能量的衰减应该很快，我估计超不过１０秒。

　　地震所产生的横波与纵波在本质上没有区别，这一个人观点与新浪博客的朋友铁证如山的观点有一些相同。当地震的震源纵波到达地面时，人们感到地震的时候，断裂板块的一张一合产生的地面剪切纵波才刚开始产生，这就是大地震时我们先感到上下震动后左右摇动的原因。而地震的纵波传递速度比横波的传递速度快的说法，我个人认为可能有误。

　　大地震的震源所产生的震源纵波和断裂板块所产生的剪切纵波都是由于地球内部排出气体所造成。气体冲破地壳以前，主要表现出震源纵波特性，气体冲破地壳以后，主要表现出剪切纵波的特性。

　　经过上面的实验，您能掌握波的特性了吗？如果将弹簧换成液体、流质体或者固体，波的特性有什么变化吗？

　　本章节的内容，你要从纵波和横波的产生及特性的逐渐转换实验中去多多体会，你还可以将平面的二维实验用立体的三维实验去代替，将弹簧更换为液体、流质体或固体等，相信您一定会明白清楚地震波。因我本人语言表达能力有限，对本章节说过去说过来，都还是感到言不由衷。（内心很明白，但用语言又不能完全表达内心所想，您当然也只有用上面的实验去慢慢体会了）

　　通过上面的实验，您能够明白下面这两句话吗？横波在传递的前进的垂直线路上的其他介质会被推拉转换成纵波；纵波在传递的前进的垂直线路上的其他介质会被挤拉转换成横波。

　　震源气爆纵波持续时间短，主要造成地壳板块断裂（用四川话的 [dàn]断更能准确形象说明）, 打开地壳内部的排气通道，震源附近地壳上下震动，重力异常，建筑物坐倒（四川话）等；剪切排气纵波持续时间稍长，主要造成地壳板块下面产生龙卷，大气异常，地磁异常，板块的张合、移动、旋转、摇动和扭曲，板块相互摩擦，建筑物摇倒等。

　　人类的地震仪器记录到的地震波，应该是已经经过了无数次地震纵波和横波叠加后的复合波（调制波），要从复合波中检波（解调）出单个的纵波，人类才能够分析出地震的成因。地震的纵波和横波是可以相互转换的，这点与电磁波的电磁场相互转换有一点点相似，只是地震纵波转换为地震横波的转换效率较低，而转换的效率主要由弹性应力所造成物体的形变所决定。

　　20多年前在北京上学，同学们中午排着整齐队列挤排骨，本身就是一列纵波，哪知道有两位同学被挤出了队列，造成了队列的形变，改变了两位同学的运动方向，因而转换成了横波。