地震波——点亮地球内部的一盏明灯

地震，作为地球内部经常发生的一种运动，深刻影响着人类的生产与生活。地震发生时，会伴随着一系列波动，即地震波。地震波，是目前人类所知的唯一能够穿透地球介质内部的物理波。今天，我们就来了解一下地震波。

地震波的类型与特点

地震发生时，在震源区的介质中发生急速的破裂与旋转运动，这种扰动形成了一个波源。由于地球介质的连续性以及物质的相互作用，地震波这种波动就会向地球内部及表层等各个方向传播，即形成连续介质中的弹性波。

若将地震波按照传播介质来划分，地震波在地球内部传播时称为体波，沿地球表面传播称为面波。

地震波从震源处产生后，按照传播介质质点运动规律划分，分为涨缩波与剪切波。涨缩波代表介质体积的涨缩，在地球介质中的传播速度约为4.0-7.0 km/s，其质点的振动方向与波传播的方向一致，所以也被称为纵波或者P波。

剪切波代表介质的变形作用，在地球介质中的传播速度约为2.0-4.0 km/s，其质点的振动方向与波传播的方向垂直，所以也被称为横波或者S波。S波按照振动的极化方向又可以进一步划分SV波和SH波。

这两种波传播特点示意图如图1：

图1：地震波的类型与传播特点示意图

在地表附近，体波又衍生出一种特殊类型的波——面波，它同时具有纵波和横波的一些特点。介质中的粒子既发生上下运动又发生左右运动，并且波长较长，振幅与能量较强。当发生天然地震时，对建筑设施破坏最严重的就是面波。

面波相对于体波一个显著的传播特点是，它只沿着地球表面传播，离开地球表面向下便迅速衰减，并且传播速度比体波慢得多。

虽然地震波类型有多种，但是用来描述地震波的物理量主要有四个，即波速、波长、周期与频率。

以最简单的正弦波为例，它是由震源周期振动（周期记作T）产生的波，在一个周期内，正弦波沿着波的传播方向前进的距离，叫做波长，通常用符号 λ 表示。

波源每振动一次，波就向前传播一段距离，波源振动快慢用频率f描述，表示波源每秒振动的次数。因此波每秒振动传播距离就是λf，即波的传播速度，通常用V表示。

地震波的速度是地震波属性中最重要的一个，地震波的传播能力与传播速度取决于传播介质的弹性性质。纵波反映的是地球介质的体积应变，因此纵波能在固液气三态中传播。

而横波与纵波不同，是反映介质的剪切应变，因为流体与气体由于分子间距大都不能承受剪切变形作用，所以横波不能在液体和气体中传播。

在传播速度上，纵波最快，横波比纵波慢，传播最慢是面波。波的传播速度并不是一成不变的，它会随着振动频率而发生变化，这种现象叫做波的频散。

正是由于这种频散作用使得波在传播过程中发生变化，特别当通过不同介质的分界面时会发生透射、折射与反射现象，我们正是利用了这些物理原理，来用地震波了解地球内部的结构与界面，从而为人类认识地球内部点亮了一盏明灯。

地震波与地球内部圈层划分

1. 莫霍面的发现

在地球物理学的罗曼史上，地球内部最重要的一个界面——莫霍面（地壳与地幔的分界面）的发现是科学史上的一个里程碑。

1909年奥地利地震学家莫霍洛维奇在一次地震研究中，偶然发现地震波速在欧洲大陆下近35公里处的传播速度突然发生跳跃性变化，纵波速度从7.0km/s突然变化到8.1km/s；横波速度也从4.2km/s突然增加至4.4km/s。

莫霍洛维奇敏锐地觉察到该深度处物质成分与性质应该发生了变化，也许存在一个不连续分界面。后经过科学分析，他于1910年提出了地球内部分层的学说，即地球内部存在一个分界面将地球分为内外两层。

内层和外层就是我们今天熟知的地幔与地壳，而这个分界面后来为了纪念这位奥地利科学家，被命名为“莫霍洛维奇不连续面”（莫霍面），为人类使用地震波认识地球内部拉开了序幕。

2. 精准确定的古登堡面与液态地核的发现

地震发生时，从震源发出的地震波会通过地球介质向各个方向传播，其中体波分量，包括P波和S波，可以从比较小的角度距离范围到比较大的角度距离范围被连续追踪与观测，在世界各地的地震台站通过仪器都可以被记录到。

但地震学家从地震数据中发现，大地震发生后，在距离地震震中103度~143度的范围内记录不到地震纵波信号，存在一个“P波阴影区”（如图2），于是他们猜想，这是由于地球内部还存在其它的分层结构扭曲了地震波场。

图2：关于“在距离地震震中103度~143度的范围内记录不到地震纵波信号，存在一个“P波阴影区”的说明

1914年，德国地震学家古登堡根据这一影区的存在确认了地核的存在，并测定了地幔与地核之间的不连续界面，即后来的“古登堡不连续面”，定位其深度约为2900千米。

这个数据今天看仍然非常准确，在此界面处，体波中的横波分量突然消失，纵波分量发生了折射，且速度大幅下降，并且从横波不能在液体介质中传播这一特点，推断出地核是液体。

地核内部分层结构是后来另一位女科学家莱曼通过地震观测资料发现的。至此，地球内部最重要的几个界面被确定，它们都是借助地震波观测记录进行推断的。图3展示了依靠地震波传播划分地球内部主要圈层结构和波速特征。

图3：地球内部主要圈层划分与地震波速度特点

地震波探测的多尺度应用

人类对天然地震的发生机理和预测方法还所知甚少，而天然地震现象产生的地震波，是我们从宏观尺度了解地球内部结构的最有力工具。

地震学家从医学CT成像获得灵感，发明了地震层析成像方法，即通过对观测到的地震波各种震相的运动学(走时、射线路径)和动力学(波形、振幅、相位、频率)资料的分析,进而反演由大量射线覆盖的地下介质的结构、速度分布及其弹性参数等重要信息的一种地球物理方法。

通过成像可以让我们清楚地了解地震内部结构和主要分界面，这是地震波经典的最大尺度的应用。

地震波除了在全球尺度上帮我们更好地了解地球内部结构外，在地壳浅层的中小尺度能源矿产资源勘探中也发挥着无与伦比的作用，因为相比其它地球物理方法，地震勘探方法具有最高的精度与成像分辨率。

天然地震时地球内部发生运动而引起的地壳震动，通常称作被动源。而地震勘探则是用人工方法引起地壳震动，例如井中埋置炸药引爆激发、空气枪、人工机械震源等方式，这种通常称作主动源勘探。

再用精密仪器记录下震动激发后地面上各点的震动情况，生成地震记录数据。利用记录的数据，结合各种数据处理方法对数据进行处理，加工形成地下结构的图像，从而推断地下地质结构、深度、形态等，帮助寻找油气与矿产资源。

我国的大庆、胜利、长庆、辽河、塔里木等大油田都是利用地震勘探发现的。近年来，在新型替代能源的探索上，如可燃冰、干热岩等新能源的分布情况，也是通过地震勘探方法查明的。

随着非常规能源与干热岩等新型能源的开发利用，地震波探测又焕发了新的生命力。在地下矿井深部开采过程中和水力压裂等活动中，会发生岩石破裂和地震活动。由开发活动诱发的微小地震活动，在被改造的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件，被称作微地震事件。

我们通过观测这些微小的地震信号，对它们进行定位和震源机制分析，来确定地下新生裂缝的延伸方向，从而推断出地下某一深度的地应力方向，并评价裂缝的空间展布。

图4：地震波探测在不同领域不同尺度的应用

这样也能够帮助油藏工程师来评价储层的改造情况，这是地震波探测一个微尺度的经典应用，如图4所示。

此外，地震波的应用领域还有很多，如火山喷发监测，水库诱发地震监测，地下核爆监测等。地震波与地震学这门由牛顿力学导出的古典学科，正在不断地迸发新的活力，迅速成为前沿科学之一。

本文依托中国地质科学院地质力学研究所“柴达木盆地及周缘中-古生界油气成藏条件与目标区优选”， “塔里木、准格尔、柴达木盆地油气战略选区调查”，“基于深度域地震成像的柴东石炭系油气成藏模式研究”等项目资助。

作者：

张浩1,2，李宗星1,2，彭博1,2，马寅生1,2，方欣欣1,2 ，魏小洁1,2

1. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；

2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室，北京 100081