地球科学前沿

地震在地球物理学中的应用

地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波。天然地震主要由地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂所引起，地震开始发生的地点称为震源，震源正上方的地面称为震中。

图1 地震示意图

破坏性地震的地面振动最烈处称为极震区，极震区往往也就是震中所在的地区。地震由于具有不可预知的特点，常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害，给人们带来了深重的灾难。尽管地震给人类带来了很多灾难，然而地震在地球物理学中的成功应用却为人类的发展做出了巨大的贡献。比如利用地震探测地球内部的奥秘，利用地震探测地下的油气资源，利用地震探进行工程勘察。

1、用地震探测地球内部的结构

目前人类对地球内部结构的认识主要来自地震学的研究，地震时，地球内部物质受到强烈冲击而产生波动，称为地震波。它主要分为纵波和横波。由于地球内部物质不均一，地震波在不同弹性、不同密度的介质中，其传播速度和通过的状况也就不一样。例如，纵波在固体、液体和气体介质中都可以传播，速度也较快；横波只能在固体介质中传播，速度比较慢。地震波在地球深处传播时，如果传播速度突然发生变化，这突然发生变化所在的面，称为不连续面。根据不连续面的存在，人们间接地知道地球内部具有圈层结构。研究表明，地球可以分为地壳、地幔、地核三大圈层，地壳和上地幔顶部由坚硬的岩石组成，合成岩石圈。

在研究地球内部结构时，发现地下30~60km/s深处的纵波速度存在一个跳跃，由6~7km/s突然变到8km/s左右，由此推断这是地壳与地幔的分界面，称为莫霍面。在地壳下部，随着深度的增加，速度也随之增大，但是，在约2900km 深处，地震纵波突然从13km/s下降到8km/s左右，而且横波消失，这一形象表明该深处存在一个地震波速度间断面，为地幔与地核的分解面，称为古登堡面。从2900Km开始进入地核，纵波速度逐渐回升，到5000km左右，纵波速度又有一个明显的跳跃，横波也随之出现，为地球内部的第三个地震波速度不连续面，

为内核与外核的分界面。

图2 地球内部圈层划分示意图

图3 地球内部各圈层的地震波速度

2、用地震探测地下的油气资源

人工地震技术是目前寻找石油和天然气的重要工具。地震技术经过几十年的发展,取得了令人瞩目的成就。地震技术已远远超出了勘探领域,已向油气开发领域发展。

图4 地震勘探示意图

19世纪中叶人类在制造出记录地震发生期地壳运动的地震记录仪后,对地震波传布理论进行了研究,并取得了许多成果。在此基础上逐渐研究出了利于人工地震激发和接收的地震波寻找矿产资源的方法。从1924年在美国德克萨斯州首次利用单次覆盖地震资料发现油田到现在,世界上大多数油气田是利用地震技术找到的，地震技术已成为油气勘探的重要工具。近几十年来,随着地震数据采集方法和装备的改进、数据处理技术的提高和解释方法的发展,利用地震资料不仅能确定地下构造形态、断裂分布,而且能了解地层岩性、储层厚度、储层参数甚至能直接指示地下油气的存在.地震资料同测井、岩芯资料以及其他地下地质资料相结合能对油藏进行描述和监测。

青海油田英雄岭地区为历代地质学家公认的油气富集区，但勘探难度堪称“世界之最”，曾经历了“五上五下”的勘探历程，一直未取得突破。采用宽方位高密度三维地震勘探技术后，资料品质实现质的飞跃，取得了历史性突破。在英东地区实施钻井42口，钻探成功率达到98%，发现了亿吨级高原整装大油田。在地表条件更为复杂的英中山地，推广应用宽方位高密度三维技术，地震资料品质再次迈上一个台阶，标志着中国复杂地质目标地震勘探再无禁区。

图5 柴达木盆地油田

3、用地震进行工程勘察

工程地震勘探是一门年轻的正在发展中的勘探地球物理学科，工程地震勘探的基本含意是根据人工激发的地震波或超声波在介质中传播的物理特性来研究工程地质情况，研究岩土体或地层的地震参数与工程地质指标之间的关系以及对工程地质问题进行评价。工程地质情况，是与工程建筑的设计和施工有关的勘探.在工程地质填图、道路工程、水利工程、矿山工程以及古河床基岩的埋深和表面形状、潜水面埋深、裂隙带和薄弱带勘测、圈定喀斯特溶洞等等研究方面，工程地震勘探都可发挥重要作用。

工程地震勘探与一般地震勘探不同，它包括地面观测、探矿工程—浅井、平苍、竖井中的观汉、地震测井和超声测井，以及在试样和露头土进行超声波观测。在许多情况下，正是上述一整套研究方法保证了圆满和精确地解决各种问题。工程地震各种方法的有效性，使得这种研究已成为工程地质、道路工程、工业建筑

和民用建筑的任何大型设计方案都将逐步不可避免地要进行仔细综合的地震勘探。

图6 用地震勘探检测边坡的工程情况

地震可以说是一把双刃剑，一方面它给人们带来了深重的灾难，另一方面，如果我们懂得利用它，也可以为人类做出巨大的贡献，促进人类的发展。