第五节 S波的性质
S波是一种剪切波,与P波传播性质不同,S波只能在固体岩石层中传播,不能在液体和气体中传播。它的传播路径构成了一个平面,又称平面波。S波的振动方向始终与S波面相垂直。
在波的振动方面,S波与光波一样都是横波;因而,具有相同的传播特性,除了直线传播以外,在通过不同介质界面时,也会发生折射和反射现象。
例如,在A震中,P0波以一定倾角射出地面。同时,从G点发出的S0波分为上下两部分,向上传播的S0波遇到地面发生反射,转向地球内部。向下传播的S0波射向地球内部,在地壳与地幔之间的莫霍界面(M界面)处发生反射,转向地表面。上地幔的上部是软流圈,主要成分是岩浆流,S0波不能在液态物质中传播。S0波不停地在地壳岩石层上下两个界面反射,形成了一条N字形传播轨迹。
在岩石层内,S0波不是平行于地表面传播,在地面上只有一个露点B,接着就会向地球内反射,在地面上不会形成连续性波动效应。S0波能够使地面上的物体,随着振动方向发生摆动。不过在A、B点之间,还是存在一段S0波的空白区。那么,又该如何解释震中区出现的横波效应呢?
在地震学研究中,把S波分为水平偏振横波和垂直偏振横波。在地震结构模型中,水平偏振横波是指在地壳岩石层中传播的S波,又称SH波。垂直偏振横波是指垂直地面向上传播的S波,又称SV波。在A震中,S0波对应于SH波,S1波和S2波对应于SV波。在B震中,S1波对应于SH波,S0波和S2波对应于SV波。
SV波是一种垂直偏振横波,由两种S波组成,分为两组:A组是S1波和S2波,B组是S0波和S2波,每组中两种S波的波面相互垂直。在震中区,SV波会使地面上的物体向不同方向发生晃动。如果S2波使人前后晃动,那么,S0波或S1波就会使人左右晃动。这种组合效应是最具破坏性的一种波动现象。如果地面没有山脉或高耸的建筑物,是一个平坦的地面,那么,SV波就会在露点处反射回去,以反射波形式继续在岩石层内传播。
横波效应
早在1760年,现代地震学之父之一的英国工程师米歇尔(John Michell)就把地震波分为两类:迅速的震颤和接着而来的地面波状起伏。发生在1897年的阿萨姆邦大地震,是历史上记录到的最大的地震之一。地震中,人们看到地面起伏推移如波涛前进。自然工作者约翰·奥都邦(John Audubon)报道肯塔基州地震时说“地面像湖水面一样波动起伏,地面的波动类似田野里被风吹动的麦浪。”资料显示,震区地面的波状起伏是大地震过程中的一种普遍现象。
地球物理学家英国人奥尔德姆 (R.D.Oldham )亲身感受并记载了这次地震,他在报告中写道:“ 5点 15分,一阵像近雷的深沉声音突然响起来,地面瞬即剧烈摇动开来,有几秒钟几乎无法站立,我立刻在路上坐下来 ,感觉地面向前后左右剧烈摇摆,第三四次震动比第一二次震动大得多。地面震动朝四面八方来回晃荡,好像软果子冻摇动时的情况一样。”[16]
按照地震区位结构模型的观点,同一个震中区出现的P波和S波,不是同一作用机制产生的,而是分别来自三种不同的作用机制。具体地说,在A震中,P波是F0力的作用效应,S波是力矩M1和M2的作用效应。在B震中,P波是F1力的作用效应,S波是力矩M0和M2的作用效应。从舌岩体作用效应角度看,这三种作用机制不可能是同步的,即是说P波和S波并不是在同一时刻发射出来。如果这一推测成立,那么,当P波和S波传播到地震观测台站时,就会存在一个时间差。在现代地震学研究中,把这种时间差解释为P波和S波的传播速度差异,并据此作为测量震源深度的一种手段。
其实,关于P波和S波速度的测量,也是一个值得推敲的问题。P波和S波都是舌岩体的弹性振动波转换而来的,理论上设定,弹性波是一种球面波,在传播过程中遵循各向同性的原则,P波和S波的传播波速应该相等。但是,这一论点与现代地震学界的观点相矛盾,地震波测量给出的数据是,P波的传播速度为5.5~7千米/秒,S波的传播速度为3.2~4.0千米/秒,P波的传播速度差不多是S波的两倍。那么,这种测量结果能否是由P波和S波发出时刻的不同步性造成的呢?
对于上述置疑,可以通过测定波序的方法进行检验。在震中区,观测各种地震波出现的先后顺序,如果P波和S波的传播速度相等,那么,就会出现反常波序现象。正常情况下,在震中应该先出现P波,之后出现S波。而反常波序则是先出现S波,后出现P波。这种现象一般会发生在双震中区,其中一个震中是正常波序,另一个震中是反常波序。如果证明P波和S波的传播速度相等,那么,利用P波和S波传播速度差测量震源深度的方法,就失去了理论依据。
在地震区位结构模型中,可以通过测量双震中之间的距离和P波的倾角,来定位波源G点的位置。
已知条件:A、B两点震中距离,P0波倾角θ,AG⊥BG;
推算:AG=AB·sinθ,OG=AG·cosθ=AB·sinθcosθ;
得波源深度公式为:OG=AB·sinθcosθ
例如,舌岩体倾角θ=45°,A、B震中距离为50公里,则波源G点深度为:
OG=50·sin45°cos45°=25(公里)
比较而言,通过双震中测量法测定的G点深度,与P波和S波速度差法测得的浅源地震震源深度是不一样的,前者要比后者更深一些。