簡介
地震波速 (Seismic velocity)
P波和S波的速度
1989年10月17日當洛馬普瑞特地震襲擊時,我在伯克利家中突然感到房屋搖動,我開始計時。10秒鐘後搖動突然變的特別厲害,這表示S波已經到達。P波總是首先從震源來到,因為它們沿同一路徑傳播時比S波速度快。利用波的這一特性,我可以計算出這個地震的震源在80多千米以外。
P波和S波的實際傳播速度取決於岩石的密度和內在的彈性。對線彈性物質而言,當波與運行方向無關時,波速僅取決於兩個彈性性質,稱為彈性模量:岩石的體積模量k和剪下模量μ。
當向岩石立方塊表面施加一均勻壓力時,其體積將減小,其單位體積的體積變化作為所需壓力大小的度量,稱為體積模量。當P波穿過地球內部傳播時發生的就是這種類型的變形;因為它只引起體積變化,所以在流體中也可以發生,與在固體中一樣。通常體積模量越大,P波的速度就越大。
第二種變形類型是,在向岩石立方塊體兩相對的面上施加方向相反的切向力時,這體積方塊將受剪下而變形,而沒有體積變化。同樣,圓柱狀岩心兩頭受大小相等方向相反力扭曲時也發生這種變形。岩石對剪下或扭曲應力的抵抗越大,其剛性就越大。S波通過剪下岩石而傳播,剪下模量給出其速度的量度。通常是剪下模量越大,S波速度就越大。
P波和S波速度的簡單公式在下面給出。這些表達式與已經提到的波的重要性質一致:因為流體的剪下模量是0,剪下波在水中的速度為0,因為兩個彈性模量總是正的,所以P波比S波傳播得快。
因為地球內部的強大壓力,岩石的密度隨深度增大。由於密度在P波和S波速度公式中的分母項上,表面看來,波速度應隨其在地球的深度增加而減小。然而體積模量和剪下模量隨深度而增加,而且比岩石密度增加得更快(但當岩石熔融時,其剪下模量下降至0)。這樣,在我們的地球內部P和S地震波速一般是隨深度而增加的,在第6章中將進一步討論。
雖然某一給定岩石彈性模量是常數,但在一些地質環境裡岩石不同方向上的性質可以顯著變化。這種情況叫各向異性,這時,P波和S波向不同方位傳播時具有不同速度。通過這種各向異性性質的探測,可以提供有關地球內部地質狀況的信息,這是當今廣泛研究的問題。但在以下的討論中將限制在各向同性的情況,絕大多數地震運動屬於這種情況。
P波,速度vP =√(k+4/3μ)/ρ。
花崗岩: vP=5.5千米/秒;
水: vP=1.5千米/秒。
S波,速度vS=√μ/ρ。
花崗岩: vS=3.0千米/秒;
水: vS=0千米/秒。