【原】第五节 S波的性质

地震和火山探秘 2021-11-05

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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。