固体地球物理学概论第五章(2)

四、地震波的传播（Propagation of Seismic Waves）
• 地震波的传播主要取决于地震波的速度， 而地震波的速度又与地球介质的性质相 关。 • 因此，在讨论地震波传播之前，我们光 介绍地球介质性质的变化特征。 • 1、地球介质性质的变化特征 • 地球内部介质性质的变化，主要有以 下情形:
•ห้องสมุดไป่ตู้Important Observations:
• 1、Direct P-wave arrival observed to 103° . PKP first seen at 143° . No direct P exists between these bounds, called the Pwave Shadow Zone. • 2、Some weak P arrivals are seen in the shadow zone, due to diffractions. • 3、Weak PKIKP arrivals in shadow zone first 'detected' by Miss Lehmann as evidence for a fast inner core. • 4、Direct S-wave only observed to 103° , none past this point. This region called the S-wave Shadow Zone.
• 一般来讲，由于地球介质是分层均匀、 各向同性的，地球介质的密度、弹性参 数等随深度增加而增加，地震波速度也 随探度的增加而增加。 • 但也有两种特殊情形，一种是速度随深 度增加而减小 (称之为低速层)； • 另一种是随着深度增加速度异常增加 (称 之为高速层)。
2、地震波的折射、反射和转换
• 地震波入射到层界面上时，由于上下地 震波速度突然变化，地震波在层界面上 会产生折射、反射和波型转换等现象。 • 对于近震而言，地球的层界面可以视为 水平的。 • 地震波在水平界面上的折肘、反射和波 型转换如图5· 1· 8所示。
• 同一性质的波所经过的路径不同，在图 上的记录特征也不一样，也是不同震相。 • 在近震范围内，从震源直接传到地表的 波叫做P、S震相。 • 在莫霍面上反射后传回的波叫做P11、S11 震相。 • 在莫霍面上折射后沿莫霍面传播再折回 地表的波叫做Pn、Sn震相，如图5· 1· 13所 示。
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• 反射波的走时时间Reflected Wave Travel Time (hyperbola):
• 首波的走时时间Head Wave Travel Time (line) :
• Plots of Corresponding Travel Time Curves
• 3、速度异常带对远震射线的影响 • 一般情形下，地球内部地震波速度随深 度逐渐增加。
• SH波人射时，有
sin i SH sin i SH ' V SH V SH '
• 上面三式可以统一表达为:
sin i p V
• 式中，p为射线参数（ray parameter） ; 它为常数，每一条射线只有一个射线参 数，i为射线与法线之间的夹角，V为射 线的传播速度。
• 另外，当近震地震波以某一特定的角度 i0(io=arctanv2/v1)入射到莫霍面上时，此 • 时的折射波以900折射角沿莫霍面爬行，如 图5· 1· 9所示。 • 由于莫霍面以下的地震波传播速度大于莫 霍面以上的地震波传播速度，即V2＞V1。 • 根据惠更斯原理，沿莫霍面爬行的波作为 新的波源又会产生新的次波以V1的速度在 层内传播，这种波叫做首波（Head Wave） • 首波的形成和水中快速行进的汽艇所引起 的向后侧传播的水波道理上是一样的。
• P波入射时，界面上会产生反射P波、折 射P波，还会产生反射转换SV波和折射 转换SV波，SV波入射时与P波类似 • SH波入射时只有反射SH波和折射SH波 产生，没有转换波出现。因为水平面内 振动的SH波不可能引起垂直面内振动的 P波和SV波。 • 地震波在水平界面上的折射、反射和转 换遵从斯涅尔定律。
• (1) 上下介质的性质、状态迥然不同，出 现明显的分界面，地震波速度出现阶梯 状跳跃，如地壳与地慢、地慢与地核之 间。 • 地壳是固体，外核是液体，地慢介于固 态与液态之间。 • 地震波通过壳慢分界面时 P波速度从 7.8km/s 突增到 8.4km/s • S波速度从3.7km/s 突增到 4.7km/s，
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• 走时曲线（Travel Time Curves） ： • 以观测点的震中距为横坐标，地震波到 达时间为纵坐标，绘成的曲线称为走时 曲线。 • 它可以用来描述地震波的传播情况。 • Simple Travel times in a flat layered structure
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• 直达波的走时时间Direct Wave Travel Time (line): •
• 如图5，1· 12所示。 •
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• 4、地震震相 • 从震源发出的地震波，通过不同的路径 传播，最后回到地表。 • 地面上的地震仪所记录下来的地震波叫 做地震图。 • 震相：通常把地震图上所记录到的不同 类型 (p波或S波)或通过不同途径的波所 引起的一组一组的振动叫震相。 • 震相本质上就是地震波的映像，不同性 质的P波或S波，它们在图上的记录特征 不同，因而是不同的震相。
术语Nomenclature for Paths: P = P wave S = S wave PP = P wave reflected once from the crust. • PPP = P wave reflected twice from the crust. • PKP = P wave through outer core • PKIKP = P wave through both inner and outer core
• PcP = P reflected by outer core • SKS = S wave converted to P in outer core • PkiKP = reflection from the inner core
• 远震范围内，地震波震相多种多样。有 从震源直接传回到地表的地幔折射波叫P、 S震相，经外核面反射的波叫PcP或ScS震 相，穿过外核的波叫PKP或SKS震相， 穿过内核的波叫PKIKP或PKJJKP震相， 等等。
• P波入射时有:
sin i p Vp sin i p' i p' sin iSV ' VSV ' sin i p'' V p '' sin iSV '' VSV ''
• SV波人射时，有
sin i SV sin i P ' sin i SV ' sin i P '' sin i SV '' VSV VP ' VSV ' V P '' VSV ''
• 远震射线的形状如下图所示。
• 但是，如果地球内部某一层是低速层， 则远震射 线形状如图5.1.11所示。 • 这是因为当地震射线进入低速层时，由 于地震波速度不断减小， 折射角也不断 减小，地震射线以小角度插人地球深部。
• 穿出低速层之后，地震射线恢复正常传播， 在某一深度处折回，再次进人低速层，以 大折射角穿出地表。 • 相对于正常路径来说，不仅绕了一段弯路， 而且地表出露点也更远了，致使地面上某 一地段记录不到地幔折射波P、S波，形成 P、S波影区，相应的走时曲线出现间断。 • 当地震射线遇到高速 层时，由于折射角猛 然增大，射线很快折回地面，与深入较浅、 路径也短的地慢波P、S 同时甚至超前到达 地表，出现地震射线会聚的现象。
• 地震波通过核幔分界面时P波速度从 13.6km/s突降到 8.0 km/s; S波速度从 7.2km/s 降至零。 • (2) 上下介质的状态基本相同，但性质变 化显著，呈现明显的分界面，如地慢中 的B、C、D层之间的分界面。地震波在 分界面上的速度也有显著的变化。 • (3)在同一层内，地球介质也不是均匀分 布的。
• 对于远震而言，地球曲面不能忽略，地 球介质性质随深度的变化也应加以考虑。 地震波的折射路径如图5· 1· 10所示。 • 地震波的折射满足如下关系:
R sin i0 r1 sin i1 r2 sin i2 p v0 v1 v2
• p为射线参数。 • 上式称为球对称介质中的折射定律。
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• 震相分析在地震研究工作中占有重要地 位，学会识别和区分震相是对地震工作 者的基本要求，也是有效运用地震信息 的极为重要的途径。