1、1地球科学概论-地球物理学地球科学概论地球科学概论地球物理学地球物理学Introduction to Geophysics教员：王彦宾教员：王彦宾 地球物理学系2012-2013学年第一学期2地震学与地球内部物理地震学与地球内部物理Seismology and Physics of the Earth Interior3地震学与地球内部物理学地震学与地球内部物理学地震学的起源地震学的起源地震学的定义地震学的定义地震学的研究内容地震学的研究内容地震波及其传播地震波及其传播地震仪原理与地震图地震仪原理与地震图地球内部结构的确定地球内部结构的确定地震的描述地震的描述地震的产生地震的产生地震预报地震预
2、报工程地震工程地震勘探地震学勘探地震学4地震学与地球内部物理学地震学与地球内部物理学地震学的起源地震学的起源地震学的定义地震学的定义地震学的研究内容地震学的研究内容地震波及其传播地震波及其传播地震仪原理与地震图地震仪原理与地震图地球内部结构的确定地球内部结构的确定地震的描述地震的描述地震的产生地震的产生地震预报地震预报工程地震工程地震勘探地震学勘探地震学5地震学的起源地震学的起源地震是活动的地球表现出来的一种自然现象。地球在整个地质时期地震是活动的地球表现出来的一种自然现象。地球在整个地质时期都经受过地震，在人类文字记载之前，活动断层上的古地震标志显都经受过地震，在人类文字记载之前，活动断层上
3、的古地震标志显示出地质历史上的地震活动。示出地质历史上的地震活动。 6地震学的起源地震学的起源人类关于地震的文字记载可追溯到过去的几千年。人类关于地震的文字记载可追溯到过去的几千年。在中国，学者们曾从很早以前的历代王朝文献、文学作品及其他来在中国，学者们曾从很早以前的历代王朝文献、文学作品及其他来源得到地震证据。最早的可追溯到公元前源得到地震证据。最早的可追溯到公元前18311831年的山东省地震，据年的山东省地震，据竹书记年竹书记年记载：记载：“夏帝发七年（公元前夏帝发七年（公元前18311831年）泰山震年）泰山震”。从。从公公元前元前780780年起中国北部的地震记载就已经相当完整了。年
4、起中国北部的地震记载就已经相当完整了。更早的地震文字记载包括象形文字记载是在中东和阿拉伯，在这些更早的地震文字记载包括象形文字记载是在中东和阿拉伯，在这些地区，我们可以把地震记载追溯到公元前地区，我们可以把地震记载追溯到公元前4040世纪。世纪。在记载中，地震给人们的印象就是一场灾难。大的地震导致历史上在记载中，地震给人们的印象就是一场灾难。大的地震导致历史上一些最重大的灾害，没有其它自然现象能在那样大的面积、那样短一些最重大的灾害，没有其它自然现象能在那样大的面积、那样短的时间里，造成如此大的破坏。地震甚至能使山川道路等地貌全然的时间里，造成如此大的破坏。地震甚至能使山川道路等地貌全然改观，
5、其威力可见一斑。改观，其威力可见一斑。 7地震学的起源地震学的起源根据考证，古代世界的七大奇迹都毁于地震灾害。根据考证，古代世界的七大奇迹都毁于地震灾害。8地震学的起源地震学的起源地震到底是怎么回事？这是人们一直在思考、探索的问题。地震到底是怎么回事？这是人们一直在思考、探索的问题。在古代世界很多地震区人民对地震都有宗教性的解释，对古代地震在古代世界很多地震区人民对地震都有宗教性的解释，对古代地震的许多引喻可在的许多引喻可在圣经圣经和当时其他宗教著述中见到。和当时其他宗教著述中见到。古代日本人认为是一种鲶鱼的翻身造成了地震，印度人认为是地下古代日本人认为是一种鲶鱼的翻身造成了地震，印度人认为是
6、地下的大象发怒引发了地震，古代中国人则把的大象发怒引发了地震，古代中国人则把地震归因于抽象的地震归因于抽象的“阴阳失调阴阳失调”，把地震与，把地震与其他自然灾难联系起来，诸如洪水、干旱其他自然灾难联系起来，诸如洪水、干旱和瘟疫等，并从超自然的关和瘟疫等，并从超自然的关系中寻求原因。系中寻求原因。 9地震学的起源地震学的起源早在希腊科学发展的早期，其实践者已开始考虑用地震的物理原因早在希腊科学发展的早期，其实践者已开始考虑用地震的物理原因取代民间传说和神话提示的神学原因。取代民间传说和神话提示的神学原因。第一个这样的论述是由希腊学者亚里士多德（第一个这样的论述是由希腊学者亚里士多德（Aristo
7、tleAristotle）（公元前）（公元前384384322 322 年）发起的。亚里士多德原理认为地下洞穴将像暴风雨云年）发起的。亚里士多德原理认为地下洞穴将像暴风雨云造成闪电一样产生火。这股火将快速上升，如遇阻，将强烈爆发穿造成闪电一样产生火。这股火将快速上升，如遇阻，将强烈爆发穿过围岩，引起震动和声响。过围岩，引起震动和声响。古罗马学者塞尼卡（古罗马学者塞尼卡（SenecaSeneca）（公元前）（公元前4 4 年至公元年至公元6565年）在其著作年）在其著作自然界的问题自然界的问题中提出他自己的地震成因解释，其原理与他前辈中提出他自己的地震成因解释，其原理与他前辈的原理相反。他的著作
8、部分地受到意大利公元的原理相反。他的著作部分地受到意大利公元6363年大地震的启示。年大地震的启示。塞尼卡推测震动是空气寻路钻入地下通道的结果。当空气受压缩塞尼卡推测震动是空气寻路钻入地下通道的结果。当空气受压缩时，产生强风暴，当它们破土而出抵达地面时造成广泛的破坏。时，产生强风暴，当它们破土而出抵达地面时造成广泛的破坏。风风/ /气体模型的解释持续到气体模型的解释持续到17001700s s。 10地震学的起源地震学的起源真正对地震的科学认识始于东汉阳嘉元年真正对地震的科学认识始于东汉阳嘉元年( (公元公元132132年年) ) 张衡侯风地张衡侯风地动仪的出现。动仪的出现。候风地动仪是基于这
9、样一种对于地震的本质性的科学理解，即地震候风地动仪是基于这样一种对于地震的本质性的科学理解，即地震是一种远方传过来的地面震动。而这一概念建立了地震和地震波的是一种远方传过来的地面震动。而这一概念建立了地震和地震波的直接联系，这一概念直到直接联系，这一概念直到1818世纪才被西世纪才被西方科学家所重新确认。候风地动仪的出方科学家所重新确认。候风地动仪的出现以及它所基于的这样一种科学思想实现以及它所基于的这样一种科学思想实际上代表了地震科学的开始。际上代表了地震科学的开始。11地震学的起源地震学的起源17551755年里斯本地震是迄今欧洲最大的地震，这个地震在欧洲的许多年里斯本地震是迄今欧洲最大的
10、地震，这个地震在欧洲的许多地区都有感，里斯本建筑物倒伏严重，约地区都有感，里斯本建筑物倒伏严重，约6 6万人死亡，这一地震对地万人死亡，这一地震对地震科学研究起了关键性的促进作用。对这一地震的调查标志着现代震科学研究起了关键性的促进作用。对这一地震的调查标志着现代地震学研究的开始。地震学研究的开始。首相斯巴迪恩首相斯巴迪恩马卢马卢（Sebastiao de Melo)Sebastiao de Melo)除了进除了进行重建外，还对各个教区因地行重建外，还对各个教区因地震而影响的情况进行了咨询，震而影响的情况进行了咨询，问题包括：地震持续了多久？问题包括：地震持续了多久？ 地震后出现了多少次余震？
11、地震后出现了多少次余震？ 地震如何产生破坏？地震如何产生破坏？ 动物的表现有否不正常？动物的表现有否不正常？ 水井内有什么现象水井内有什么现象发生？发生？ 当时对这些问题的答案现在还存放于葡萄牙国家档案馆。因当时对这些问题的答案现在还存放于葡萄牙国家档案馆。因为马卢是第一个对地震的经过和结果进行客观科学描述的人，他也为马卢是第一个对地震的经过和结果进行客观科学描述的人，他也被认为是现代地震学的先驱。被认为是现代地震学的先驱。12地震学的起源地震学的起源里斯本地震是最早的现代里斯本地震是最早的现代“地震学之父地震学之父”之一的英国工程师米歇尔之一的英国工程师米歇尔（JohnJohn Michel
12、lMichell）（）（1724172417931793年）灵感的主要源泉。在年）灵感的主要源泉。在17601760年，年，虽然他对地震成因还没有得到正确的认识，但那时他写的有关地震虽然他对地震成因还没有得到正确的认识，但那时他写的有关地震的研究报告中已试图用牛顿的力学原理讨论地震动。他相信的研究报告中已试图用牛顿的力学原理讨论地震动。他相信“地震地震是是地表以下几英里岩体移动引起的波动地表以下几英里岩体移动引起的波动”。他还把地震波分为两类：。他还把地震波分为两类：迅迅速的震颤和接着而来的地面波状起伏。速的震颤和接着而来的地面波状起伏。米歇尔的一个重要结论是，地震波的米歇尔的一个重要结论是，
13、地震波的速度能用地震波到达两点之间的时间速度能用地震波到达两点之间的时间来实际测量。在审阅了见证人的报告来实际测量。在审阅了见证人的报告之后，他计算出里斯本地震的波速约之后，他计算出里斯本地震的波速约为为500500米米/ /秒。即使米歇尔得到的数值秒。即使米歇尔得到的数值未必准确，但他首次作出这类计算的未必准确，但他首次作出这类计算的贡献不可磨灭。贡献不可磨灭。 13地震学的起源地震学的起源1 1 8 8世纪中期在牛顿力学影响下的科学家和工程师开始发表研究报世纪中期在牛顿力学影响下的科学家和工程师开始发表研究报告，把地震和穿过地球岩石的波联系起来。告，把地震和穿过地球岩石的波联系起来。191
14、9世纪理论上的发展包世纪理论上的发展包括：括：1821-18221821-1822：弹性力学基本方程的提出（：弹性力学基本方程的提出（Navier and CauchyNavier and Cauchy）18301830：PoissonPoisson通过计算证实均匀固体介质中只能传播两种弹性波通过计算证实均匀固体介质中只能传播两种弹性波（P P和和S S波）波）18591859：爱尔兰工程师罗伯特：爱尔兰工程师罗伯特马莱对马莱对18571857年意大利地震的野外研究为年意大利地震的野外研究为现代地震学奠定了坚实的基础。马莱作出了第一个现代地震目录，现代地震学奠定了坚实的基础。马莱作出了第一个现
15、代地震目录，超过超过68006800条，给出地震的位置和影响。他推断出地震波在不同物质条，给出地震的位置和影响。他推断出地震波在不同物质中传播速度不同。人们首次清楚地理解地震波受其通过的不同类型中传播速度不同。人们首次清楚地理解地震波受其通过的不同类型岩石的物理性质的影响。马莱是第一个试图通过观测来确定地震位岩石的物理性质的影响。马莱是第一个试图通过观测来确定地震位置的先驱。置的先驱。14地震学的起源地震学的起源1 1 883883：美国地质学家：美国地质学家G.K. GilbertG.K. Gilbert发现地震与断层的联系。发现地震与断层的联系。1887, 19111887, 1911：英
16、国科学家：英国科学家Lord Rayleigh Lord Rayleigh 和和 A.E.H. LoveA.E.H. Love发现沿自发现沿自由表面存在的面波。由表面存在的面波。19061906：美国工程师：美国工程师H. F. ReidH. F. Reid根据根据旧金山大地震的地表观测提出震源旧金山大地震的地表观测提出震源的弹性回跳理论。的弹性回跳理论。15地震学的起源地震学的起源观测仪器的发展：观测仪器的发展：132132年：东汉时期张衡发明了侯风地动仪，年：东汉时期张衡发明了侯风地动仪，138138年记录到发生在甘肃年记录到发生在甘肃省内的一次地震，可以说这是人类历史上第一台地震仪。省内
17、的一次地震，可以说这是人类历史上第一台地震仪。1875 1875 年，意大利人年，意大利人Filippo CecchiFilippo Cecchi发明了放大倍数仅发明了放大倍数仅2 2倍的两分向倍的两分向地震仪。地震仪。18791879年，在日本任教的英国学者米尔恩年，在日本任教的英国学者米尔恩(Milne John) (Milne John) 和跟他一起来和跟他一起来日本的格雷日本的格雷(Gray T.)(Gray T.)和伊文和伊文(Ewing J.A.)(Ewing J.A.)同日本科学家合作，研制同日本科学家合作，研制成功具有现代地震学意义，称其为科学仪器的成功具有现代地震学意义，称其
18、为科学仪器的“摆式地震仪摆式地震仪”。16地震学的起源地震学的起源观测仪器的发展：观测仪器的发展：18891889年：德国年：德国PotsdamPotsdam的摆式地震仪记录到了的摆式地震仪记录到了日本发生的地震，这是第一个远震记录。日本发生的地震，这是第一个远震记录。18981898年：德国地震学家维歇尔特年：德国地震学家维歇尔特(E.Wiechert)(E.Wiechert)研制了了带阻尼的地震仪，记录信号的带宽有研制了了带阻尼的地震仪，记录信号的带宽有了进一步提高。了进一步提高。19061906年，俄国地震学家伽利津年，俄国地震学家伽利津(B.B.Galitzen)(B.B.Galitz
19、en)成功地研制出第一台电磁式地震仪，并首次引成功地研制出第一台电磁式地震仪，并首次引入了电流计记录。并在俄国建立了地震台网。入了电流计记录。并在俄国建立了地震台网。 19061906年，分布在世界上的十几台地震仪记录到年，分布在世界上的十几台地震仪记录到美国旧金山大地震的地震图。美国旧金山大地震的地震图。17地震学的起源地震学的起源2020世纪初由于地震波的记录和分析，使地震学从宏观描述向数理科世纪初由于地震波的记录和分析，使地震学从宏观描述向数理科学的方向发展，扩展了研究领域，出现了一些分支学科，并有了多学的方向发展，扩展了研究领域，出现了一些分支学科，并有了多方面的应用。发展形成为一个独
20、立的研究领域。方面的应用。发展形成为一个独立的研究领域。二十世纪是地震学全面、迅速发展的时期，其特征表现在：二十世纪是地震学全面、迅速发展的时期，其特征表现在：1 1、观测仪器的精度不断提高，观测台站的不断增多、观测仪器的精度不断提高，观测台站的不断增多2 2、观测数据的数量增多、质量提高、观测数据的数量增多、质量提高3 3、地震波传播理论与震源理论的发展、地震波传播理论与震源理论的发展4 4、地震学应用领域的不断扩展、地震学应用领域的不断扩展5 5、对地球内部物理认识的不断加深、对地球内部物理认识的不断加深6 6、地震学研究的广泛开展，中国、世界所有发达国家都在开展研究。、地震学研究的广泛开
21、展，中国、世界所有发达国家都在开展研究。7 7、行星地震学研究的开展、行星地震学研究的开展18地震学的起源地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：中国的现代地震学，是从中国的现代地震学，是从1919世纪末、世纪末、2020世纪初外国传教士在中国领世纪初外国传教士在中国领土上建立观象台、进行地震观测开始的。土上建立观象台、进行地震观测开始的。中国学者的地震研究开始于中国学者的地震研究开始于19171917年安徽霍山地震和年安徽霍山地震和19181918年广东南澳年广东南澳地震。地震。19201920年宁夏海原地震的考察：翁文灏于年宁夏海原地震的考察：翁文灏于19201920年
22、代发表的一系列关于年代发表的一系列关于地震构造、历史地震和地震前兆的论文，是中国近代地震研究的最地震构造、历史地震和地震前兆的论文，是中国近代地震研究的最早的论文。早的论文。19地震学的起源地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：19301930年，在翁文灏主持下，中央地质调查所在年，在翁文灏主持下，中央地质调查所在北京鹫峰建立地震观象台，使用外国仪器，由北京鹫峰建立地震观象台，使用外国仪器，由李善邦负责筹建和技术管理。李善邦负责筹建和技术管理。19311931年，在竺可桢主持下，中央研究院气象研究年，在竺可桢主持下，中央研究院气象研究所在南京北极阁建立地震台，使用外国仪器
23、，由所在南京北极阁建立地震台，使用外国仪器，由金咏深负责筹建和技术管理。金咏深负责筹建和技术管理。这两个地震台于这两个地震台于19371937年日军侵华时中止记录。年日军侵华时中止记录。19431943年，迁往重庆北碚的李善邦自行设计制成年，迁往重庆北碚的李善邦自行设计制成“霓式霓式”地震仪，建立北碚地震台，这是当时中地震仪，建立北碚地震台，这是当时中国大陆唯一的地震台，该台于国大陆唯一的地震台，该台于19461946年迁往南京。年迁往南京。20地震学的起源地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：19461946年，留学美国的傅承义在美国地球物理年，留学美国的傅承义在美国地
24、球物理杂志上发表一系列关于地震波理论的论文，并因杂志上发表一系列关于地震波理论的论文，并因这些论文后来被地球物理杂志在这些论文后来被地球物理杂志在“银刊纪念银刊纪念”时评为经典作者。时评为经典作者。傅承义于傅承义于19471947年回国，主持中央研究院气象研究年回国，主持中央研究院气象研究所的地震研究。所的地震研究。2020世纪前半叶是经典地震学的创业时代世纪前半叶是经典地震学的创业时代，其主体结构都是在这一期其主体结构都是在这一期间形成的。由于中国当时的社会环境，除地震波理论中的一些问题间形成的。由于中国当时的社会环境，除地震波理论中的一些问题之外，中国实际上没有、也不可能对当时世界地震学的
25、发展做出与之外，中国实际上没有、也不可能对当时世界地震学的发展做出与一个一个“地震大国地震大国”相匹配的贡献。相匹配的贡献。21地震学的起源地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：19531953年，中国科学院地震工作委员会成立，由李四光、竺可桢任正年，中国科学院地震工作委员会成立，由李四光、竺可桢任正副主任。副主任。19531953开始陆续在北京地质学院开始陆续在北京地质学院(1953(1953年年) )、北京大学、北京大学(1956(1956年年) )、中国、中国科学技术大学科学技术大学(1958(1958年年) )等高等院校开始地球物理专业人才的培养等高等院校开始地球
26、物理专业人才的培养。19661966年河北邢台地震后，年河北邢台地震后，在周恩来总理主持下在周恩来总理主持下，国家科委组织中国，国家科委组织中国科学院、石油部、地质部、国家测绘总局等单位以及一些高等院校科学院、石油部、地质部、国家测绘总局等单位以及一些高等院校进行现场观测，开展地震预测研究。我国大规模的地震预测研究自进行现场观测，开展地震预测研究。我国大规模的地震预测研究自此开始。此开始。19691969年，在周恩来主持下，成立了中央地震工作小组。年，在周恩来主持下，成立了中央地震工作小组。19711971年成立年成立了国家地震局了国家地震局(1998(1998年改为中国地震局年改为中国地震局
27、) )。22地震学的起源地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：19751975年，主要以前震信息、地球物理场的异常信息和宏观异常信息年，主要以前震信息、地球物理场的异常信息和宏观异常信息为基础，中国地震专家对为基础，中国地震专家对2 2月月4 4日辽宁海城日辽宁海城7 73 3级地震做出了成功的级地震做出了成功的临震预报，有效地避免了伤亡和损失。这次地震的预报被认为是人临震预报，有效地避免了伤亡和损失。这次地震的预报被认为是人类历史上第一次具有科学意义和社会效益的成功的强震预报。类历史上第一次具有科学意义和社会效益的成功的强震预报。从从19701970年代末，中国开始参加
28、国际大地测量和年代末，中国开始参加国际大地测量和地球物理学联合会地球物理学联合会(IUGG)(IUGG)以及国际地震学与地球内部物理学协会以及国际地震学与地球内部物理学协会(IASPEI)(IASPEI)的活动。的活动。19781978年以后，中国地震研究逐步开始全方位的对外开放，并在国际年以后，中国地震研究逐步开始全方位的对外开放，并在国际地震研究中发挥愈加积极的作用。中国专家在联合国组织的地震研究中发挥愈加积极的作用。中国专家在联合国组织的“国际减国际减灾十年计划灾十年计划”(IDNDR)(IDNDR)等国际科技合作计划中发挥了重要作用。等国际科技合作计划中发挥了重要作用。23地震学的起源
29、地震学的起源现代地震学在中国的发展：现代地震学在中国的发展：19901990年代，由中国和其他亚洲国家的地震专家发起，成立了年代，由中国和其他亚洲国家的地震专家发起，成立了IASPEIIASPEI亚洲地震委员会亚洲地震委员会(ASC)(ASC)。19961996年年ASCASC在唐山正式宣告成立，在唐山正式宣告成立，ASCASC秘书处秘书处从成立起一直设在中国从成立起一直设在中国。从从19801980年代起，中国向国外大量派遣留学人员和访问学者，留学、年代起，中国向国外大量派遣留学人员和访问学者，留学、访问回国的学者中的很多人，后来成为中国地震研究的骨干。旅居访问回国的学者中的很多人，后来成为
30、中国地震研究的骨干。旅居海外的华人、华侨学者，在地震学研究和中外地震科技交流方面也海外的华人、华侨学者，在地震学研究和中外地震科技交流方面也做出了重要贡献。做出了重要贡献。24地震学与地球内部物理学地震学与地球内部物理学地震学的起源地震学的起源地震学的定义地震学的定义地震学的研究内容地震学的研究内容地震波及其传播地震波及其传播地震仪原理与地震图地震仪原理与地震图地球内部结构的确定地球内部结构的确定地震的描述地震的描述地震的产生地震的产生地震预报地震预报工程地震工程地震勘探地震学勘探地震学25地震学的定义：地震学的定义：根据根据的的条目条目（傅承义，（傅承义，19851985）：）：研究固体地球
31、的震动和有关现象的一门科学，研究固体地球的震动和有关现象的一门科学，固体地球物理学的一个重要分支。它不仅研究天然地固体地球物理学的一个重要分支。它不仅研究天然地震，也研究某些人为的或自然因素造成的（如地下爆震，也研究某些人为的或自然因素造成的（如地下爆炸、岩浆冲击、岩洞塌陷等）地的震动。炸、岩浆冲击、岩洞塌陷等）地的震动。26地震学的定义：地震学的定义：根据根据Quantitative Seismology (2nd Edition, by Aki-Richards, 2002): “Seismology is the scientific study of mechanical vibrat
32、ions of the Earth. Quantitative seismology is based on data called seismograms, which are recordings of the vibrations, which in turn may be caused arterially by man-made explosions, or caused naturally by earthquakes and volcanic eruptions.”27地震学与地球内部物理学地震学与地球内部物理学地震学的起源地震学的起源地震学的定义地震学的定义地震学的研究内容地震
33、学的研究内容地震波及其传播地震波及其传播地震仪原理与地震图地震仪原理与地震图地球内部结构的确定地球内部结构的确定地震的描述地震的描述地震的产生地震的产生地震预报地震预报工程地震工程地震勘探地震学勘探地震学28地震学的研究内容：地震学的研究内容：1 1、通过解释地震图，来揭示：、通过解释地震图，来揭示：l 地球（包括其他天体）内部结构（深部、浅部）地球（包括其他天体）内部结构（深部、浅部）l 地震震源过程、机理地震震源过程、机理l 地震引起的地面震动地震引起的地面震动l 火山、矿山塌陷、核爆炸以及其他任何引起地表震动的现象火山、矿山塌陷、核爆炸以及其他任何引起地表震动的现象（或事件）（或事件）l
34、 。2 2、以多学科的方法与手段研究天然地震现象本身，认识地震、火山、以多学科的方法与手段研究天然地震现象本身，认识地震、火山、海啸等灾害的发生机理，为减轻、抵御、乃至最终预测地震灾害海啸等灾害的发生机理，为减轻、抵御、乃至最终预测地震灾害29地震学与地球内部物理学地震学与地球内部物理学地震学的起源地震学的起源地震学的定义地震学的定义地震学的研究内容地震学的研究内容地震波及其传播地震波及其传播地震仪原理与地震图地震仪原理与地震图地球内部结构的确定地球内部结构的确定地震的描述地震的描述地震的产生地震的产生地震预报地震预报工程地震工程地震勘探地震学勘探地震学30地震波的传播：地震波的传播：31地震
35、波的传播：地震波的传播：现代地震学的创始人之一，俄国地震学家伽利津现代地震学的创始人之一，俄国地震学家伽利津(B.B.Galitzen)(B.B.Galitzen)有有一句名言，一句名言，“可以把一次地震比作一盏明灯，它点燃的时间虽短，可以把一次地震比作一盏明灯，它点燃的时间虽短，但但可照亮地球的内部可照亮地球的内部”。这盏明灯的光线就是地震波。这盏明灯的光线就是地震波。地震波：由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生地震波：由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个
36、波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。播开去，形成了连续介质中的弹性波。32连续介质力学的基本概念 “连续介质”假设：我们所要研究的对象包含大量的“微观 粒子”（质点），宏观上把它视为“连续体”，即：它的物理性质是连续变化的。利用“微元分析”的方法，将牛顿力学用于该“连续”介质，从而建立连续介质力学的基本方程（偏微分方程）。根据宏观实验规律，建立“本构方程”。联立求解“连续介质力学的基本方程”与“本构方程”。33xyzdV=dxdydz 微元微元（dV）既是“”的概念(包含大量的微
37、观“粒子”）； 也是“”的概念（与所研究问题的特征尺度相比），在宏观上可以被当作“”处理； 假定（质点）牛顿定律在适用。34弹性体弹性体介质的性质(elastic)：DLs s未加载 加载卸载35应力、应变及广义胡克定律sE1hhD hDhAF截面积：作用在A上的拉力胡克定律：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。 AFs应力：应变：36xyz(x,y,z) 一般情况下，物体的变形用位移场或形变场描述。),(),(),(),(zyxwzyxvzyxuzyxU 因此，一般情况下的应变用位移场来描述。37一个简单例子（一维情况） xDxdxxduxuxxxuxxxDDDD)(1)()(x
38、x+Dxxx+Dxu(x)x+Dx+u(x+Dx)x+uFDxdxxduxxxxx)(DDD38一维弹性纵波波动方程xx+DxDxx)(xFx体积元所受到的和力体积元所受到的和力：xxtxAtxtxxAxFxxFFxxxxxxxxxxxDDDD),( ),(),( )()(sss体积元的惯性力：体积元的惯性力： 22),(ttxuxAxD)(xxFxD39一维弹性纵波波动方程(1)利用牛顿定律得到：22),(ttxuxAxDxxtxAxxxD),(sxtxttxuxx),(),(22s（一维弹性动力学方程一维弹性动力学方程）结合胡克定律得到：2222),(),(xtxuEttxu（xuEExx
39、xxs)E：介质的弹性模量40一维弹性纵波波动方程（2）22222),(),(xtxuVttxuEV 其中，41x体积元所受到的和力体积元所受到的和力：xxtxAtxtxxAxFxxFFzxxzxzxxzzzDDDD),( ),(),( )()(sss体积元的惯性力：体积元的惯性力： 22),(ttxwxAaxzD zDirection of propagationShear displacementFzw(x)w(x+dx)xAFzz-axisx-axis)(dxxFz)(xFzxx+dx42一维弹性波动方程(1)利用牛顿定律得到：22),(ttxwxAxDxxtxAzxxD),(sxtxt
40、txwzx),(),(22s（一维弹性动力学方程一维弹性动力学方程）结合胡克定律得到：2222),(),(xtxwttxw（xwzxs)：介质的剪切模量43一维弹性波动方程（2）22222),(),(xtxwVttxwSSV其中，44在弹性介质中，存在两种基本类型的弹性波：(1) 纵波纵波（Longitudinal wave, or Compressional wave) -质点振动方向与振动（能量）传播方向 -传播速度为：EVP(2) （Transverse wave, or Shear wave) -质点振动方向与振动（能量）传播方向 -传播速度为：SV纵波速度比横波速度大（一般为： ）因
41、此，在地震记录上纵波总是首先到达。所以，纵波也被称为P波（Primary wave） 横波也被称为S波（Secondary wave）SpVV 345纵波横波46纵波横波47 在一定的边界条件下，弹性波动方程还给出和解。当当P P波和波和S S波到达地球的自由面时，在一定条件波到达地球的自由面时，在一定条件下会产生沿地球表面传播的面波，面波包括瑞下会产生沿地球表面传播的面波，面波包括瑞利波（利波（Rayleigh waveRayleigh wave）和勒夫波（）和勒夫波（Love waveLove wave）两种。两种。勒夫波和瑞利波的速度总比勒夫波和瑞利波的速度总比P P波小，与波小，与S
42、S波的速波的速度相等或小一些。度相等或小一些。48 Rayleigh 波波Rayleigh 波波Love 波波Rayleigh 波波勒夫波的质点偏振方向与传播方向垂直，为水平方向的勒夫波的质点偏振方向与传播方向垂直，为水平方向的剪切运动方式。瑞利波的质点偏振在沿传播方向的平面剪切运动方式。瑞利波的质点偏振在沿传播方向的平面内，呈现与传播方向相反的椭圆运动轨迹。内，呈现与传播方向相反的椭圆运动轨迹。 49 Love 波波Rayleigh 波波50(Free Oscillation of the Earth) 环型振荡球型振荡51(Free Oscillation of the Earth) 0S
43、0 : balloon or breathing :radial only(20.5 minutes)0S2 : football mode(Fundamental, 53.9 minutes)0S3 : (25.7 minutes)0S29 : (4.5 minutes).Rem: 0S1= translation.52(Free Oscillation of the Earth) 1T2 (12.6 minutes)0T2 : twisting mode(44.2 minutes, observed in 1989 with an extensometer)0T3(28.4 minutes
44、)Rem: 0T1= rotation 0T0= not existing53一个近震的地震图，地震图也被称为地震记录一个近震的地震图，地震图也被称为地震记录54一个远震的地震图，可以看到体波和面波一个远震的地震图，可以看到体波和面波55印尼地震的远震地震图，可以看到自由震荡波形印尼地震的远震地震图，可以看到自由震荡波形56 地震波与其它波动现象（如，光波、电磁波）一样，有反射、透射、衍射、散射等现象；也满足：（Huygens Principle) （Fermats Principle)。 但控制地震波传播的最基本原理仍是，即：牛顿定律在连续介质力学中的表达形式),(),(),()2(),(2
45、2tttttxfxuxuxu57（Fermats Principle） 光学中的Fermat定理： “在介质中传播的路径为（travel-time)最小的路径”地震学中的Fermat定理： 在介质中传播的路径为走时最小的路径. 58 能量束，能量分布呈高斯分布（Gaussian Beam) 能量束的宽度（d）反比于频率（f）： dfd1f当时，0d能量束成为“线”（射线）59 射线（射线（Ray)60 ref1V211)sin()sin()sin(VVVtrefincinct入射波入射波（Incident Wave）反射波反射波（Reflected Wave）透射波透射波（Transmitte
46、d Wave）2V1Vref211)sin()sin()sin(VVVtrefinc6122221)(1)(xLrxhVxt22221)()(1)(0 xLrxLxhxVdxxdt射线AOB的走时为：反射点 x 应使t大到最小值。即：rhincrefABLxL xV2V1o2222)()(xLrxLxhx)sin()sin(refinc62222221)(11)(xLrVxhVxt222221)()(11)(0 xLrxLVxhxVdxxdtrhincABLxL xV2V1o射线AOB的走时为：反射点 x 应使t大到最小值。即：222221)()(11xLrxLVxhxV21)sin()sin
47、(VVtinct63射线参数pVVtinc21)sin()sin( p 是射线参数。 对于给定的射线, 射线参数是一常数，即在射线传播过程中保持不便。646566临界透射21)sin()sin(VVtinc当 V2 V1 时,存在临界角c满足：cincot and 90即：21)sin(VVc问题： 此时射线参数为何值？672211)sin()sin(VVVptinc首波的射线参数首波的射线参数ot90 因为：68cABV2V1ocABV2V1oV2V1存在临界角 , 满足: c21)sin(VVccABV2V1OcPV26970地震波走时方程走时方程：走时方程： TX 关系71反射波的走时方
48、程（1）72反射波的走时方程（2） 走时方程：走时方程：TX 关系221)2/(2)(XhVXT102)0(VhXTt12211)2/()2/(VXhVXdXdTXas T0X0001TXV 73V1XsXTSlope=dT/dX=1/V174首波的走时方程走时方程：走时方程：TX 关系21)tan(2)cos(2)(VhXVhXTcc21VdXdTcXXfor )tan(2 ,cchXwhere75直达波、反射波和首波直达波、反射波和首波MX76多层介质、垂向连续变化介质多层介质、垂向连续变化介质中地震波的射线中地震波的射线1iniX)0( i)(ziXzVz77 z V z0HazVzV0
49、)(X多层介质、垂向连续变化介质多层介质、垂向连续变化介质中地震波的射线中地震波的射线pz78球对称介质中的地震射线球对称介质中的地震射线79球对称介质中球对称介质中Snell定律定律1v2v3vdr1r21i2i1aoCAB2111)sin()sin(vavi)sin()sin(2211irard222211111)sin()sin()sin(virvarvirpvirvir222111)sin()sin(80球对称介质中球对称介质中Snell定律定律1v2v3vdr1r21i2i1aoCABprvrir)()(sinnnnvirvirvirsinsinsin222111prvrir)()(
50、sin在射线传播过程中是一不变量。（射线参数）：球对称介质中的射线参数与垂向变化介质中的射线参数不同。8182介质存在时地震射线的时距曲线时(间)(震中)距曲线 走时方程83介质存在时地震射线的时距曲线84介质存在时地震射线的时距曲线85介质存在时地震射线的时距曲线86地球深部构造及地震射线地球深部构造及地震射线87地球内部结构地球内部结构PREM模型模型88地壳构造及地震射线地壳构造及地震射线地壳震相: Pg、PmP、Pn89地壳构造及地震射线地壳构造及地震射线90上地幔构造及地震射线上地幔构造及地震射线91下地幔、地核构造及地震射线下地幔、地核构造及地震射线震相： P S p s K I
