地震，作為地球內部經常發生的一種運動，深刻影響著人類的生產與生活。地震發生時，會伴隨著一系列波動，即地震波。地震波，是目前人類所知的唯一能夠穿透地球介質內部的物理波。今天，我們就來了解一下地震波。

地震波的型別與特點

地震發生時，在震源區的介質中發生急速的破裂與旋轉運動，這種擾動形成了一個波源。由於地球介質的連續性以及物質的相互作用，地震波這種波動就會向地球內部及表層等各個方向傳播，即形成連續介質中的彈性波。

若將地震波按照傳播介質來劃分，地震波在地球內部傳播時稱為體波，沿地球表面傳播稱為面波。

地震波從震源處產生後，按照傳播介質質點運動規律劃分，分為漲縮波與剪下波。漲縮波代表介質體積的漲縮，在地球介質中的傳播速度約為4.0-7.0 km/s，其質點的振動方向與波傳播的方向一致，所以也被稱為縱波或者P波。

剪下波代表介質的變形作用，在地球介質中的傳播速度約為2.0-4.0 km/s，其質點的振動方向與波傳播的方向垂直，所以也被稱為橫波或者S波。S波按照振動的極化方向又可以進一步劃分SV波和SH波。

這兩種波傳播特點示意圖如圖1：

圖1：地震波的型別與傳播特點示意圖

在地表附近，體波又衍生出一種特殊型別的波——面波，它同時具有縱波和橫波的一些特點。介質中的粒子既發生上下運動又發生左右運動，並且波長較長，振幅與能量較強。當發生天然地震時，對建築設施破壞最嚴重的就是面波。

面波相對於體波一個顯著的傳播特點是，它只沿著地球表面傳播，離開地球表面向下便迅速衰減，並且傳播速度比體波慢得多。

雖然地震波型別有多種，但是用來描述地震波的物理量主要有四個，即波速、波長、週期與頻率。

以最簡單的正弦波為例，它是由震源週期振動（週期記作T）產生的波，在一個週期內，正弦波沿著波的傳播方向前進的距離，叫做波長，通常用符號 λ 表示。

波源每振動一次，波就向前傳播一段距離，波源振動快慢用頻率f描述，表示波源每秒振動的次數。因此波每秒振動傳播距離就是λf，即波的傳播速度，通常用V表示。

地震波的速度是地震波屬性中最重要的一個，地震波的傳播能力與傳播速度取決於傳播介質的彈性性質。縱波反映的是地球介質的體積應變，因此縱波能在固液氣三態中傳播。

而橫波與縱波不同，是反映介質的剪下應變，因為流體與氣體由於分子間距大都不能承受剪下變形作用，所以橫波不能在液體和氣體中傳播。

在傳播速度上，縱波最快，橫波比縱波慢，傳播最慢是面波。波的傳播速度並不是一成不變的，它會隨著振動頻率而發生變化，這種現象叫做波的頻散。

正是由於這種頻散作用使得波在傳播過程中發生變化，特別當透過不同介質的分介面時會發生透射、折射與反射現象，我們正是利用了這些物理原理，來用地震波瞭解地球內部的結構與介面，從而為人類認識地球內部點亮了一盞明燈。

地震波與地球內部圈層劃分

1. 莫霍面的發現

在地球物理學的羅曼史上，地球內部最重要的一個介面——莫霍面（地殼與地幔的分介面）的發現是科學史上的一個里程碑。

1909年奧地利地震學家莫霍洛維奇在一次地震研究中，偶然發現地震波速在歐洲大陸下近35公里處的傳播速度突然發生跳躍性變化，縱波速度從7.0km/s突然變化到8.1km/s；橫波速度也從4.2km/s突然增加至4.4km/s。

莫霍洛維奇敏銳地覺察到該深度處物質成分與性質應該發生了變化，也許存在一個不連續分介面。後經過科學分析，他於1910年提出了地球內部分層的學說，即地球內部存在一個分介面將地球分為內外兩層。

內層和外層就是我們今天熟知的地幔與地殼，而這個分介面後來為了紀念這位奧地利科學家，被命名為“莫霍洛維奇不連續面”（莫霍面），為人類使用地震波認識地球內部拉開了序幕。

2. 精準確定的古登堡面與液態地核的發現

地震發生時，從震源發出的地震波會透過地球介質向各個方向傳播，其中體波分量，包括P波和S波，可以從比較小的角度距離範圍到比較大的角度距離範圍被連續追蹤與觀測，在世界各地的地震臺站透過儀器都可以被記錄到。

但地震學家從地震資料中發現，大地震發生後，在距離地震震中103度~143度的範圍內記錄不到地震縱波訊號，存在一個“P波陰影區”（如圖2），於是他們猜想，這是由於地球內部還存在其它的分層結構扭曲了地震波場。

圖2：關於“在距離地震震中103度~143度的範圍內記錄不到地震縱波訊號，存在一個“P波陰影區”的說明

1914年，德國地震學家古登堡根據這一影區的存在確認了地核的存在，並測定了地幔與地核之間的不連續介面，即後來的“古登堡不連續面”，定位其深度約為2900千米。

這個資料今天看仍然非常準確，在此介面處，體波中的橫波分量突然消失，縱波分量發生了折射，且速度大幅下降，並且從橫波不能在液體介質中傳播這一特點，推斷出地核是液體。

地核內部分層結構是後來另一位女科學家萊曼透過地震觀測資料發現的。至此，地球內部最重要的幾個介面被確定，它們都是藉助地震波觀測記錄進行推斷的。圖3展示了依靠地震波傳播劃分地球內部主要圈層結構和波速特徵。

圖3：地球內部主要圈層劃分與地震波速度特點

地震波探測的多尺度應用

人類對天然地震的發生機理和預測方法還所知甚少，而天然地震現象產生的地震波，是我們從宏觀尺度瞭解地球內部結構的最有力工具。

地震學家從醫學CT成像獲得靈感，發明了地震層析成像方法，即透過對觀測到的地震波各種震相的運動學(走時、射線路徑)和動力學(波形、振幅、相位、頻率)資料的分析,進而反演由大量射線覆蓋的地下介質的結構、速度分佈及其彈性引數等重要資訊的一種地球物理方法。

透過成像可以讓我們清楚地瞭解地震內部結構和主要分介面，這是地震波經典的最大尺度的應用。

地震波除了在全球尺度上幫我們更好地瞭解地球內部結構外，在地殼淺層的中小尺度能源礦產資源勘探中也發揮著無與倫比的作用，因為相比其它地球物理方法，地震勘探方法具有最高的精度與成像解析度。

天然地震時地球內部發生運動而引起的地殼震動，通常稱作被動源。而地震勘探則是用人工方法引起地殼震動，例如井中埋置炸藥引爆激發、空氣槍、人工機械震源等方式，這種通常稱作主動源勘探。

再用精密儀器記錄下震動激發後地面上各點的震動情況，生成地震記錄資料。利用記錄的資料，結合各種資料處理方法對資料進行處理，加工形成地下結構的影象，從而推斷地下地質結構、深度、形態等，幫助尋找油氣與礦產資源。

我國的大慶、勝利、長慶、遼河、塔里木等大油田都是利用地震勘探發現的。近年來，在新型替代能源的探索上，如可燃冰、乾熱巖等新能源的分佈情況，也是透過地震勘探方法查明的。

隨著非常規能源與乾熱巖等新型能源的開發利用，地震波探測又煥發了新的生命力。在地下礦井深部開採過程中和水力壓裂等活動中，會發生岩石破裂和地震活動。由開發活動誘發的微小地震活動，在被改造的巖體內因應力場變化導致岩石破壞而引起的那些地震事件，被稱作微地震事件。

我們透過觀測這些微小的地震訊號，對它們進行定位和震源機制分析，來確定地下新生裂縫的延伸方向，從而推斷出地下某一深度的地應力方向，並評價裂縫的空間展布。

圖4：地震波探測在不同領域不同尺度的應用

這樣也能夠幫助油藏工程師來評價儲層的改造情況，這是地震波探測一個微尺度的經典應用，如圖4所示。

此外，地震波的應用領域還有很多，如火山噴發監測，水庫誘發地震監測，地下核爆監測等。地震波與地震學這門由牛頓力學匯出的古典學科，正在不斷地迸發新的活力，迅速成為前沿科學之一。

本文依託中國地質科學院地質力學研究所“柴達木盆地及周緣中-古生界油氣成藏條件與目標區優選”， “塔里木、準格爾、柴達木盆地油氣戰略選區調查”，“基於深度域地震成像的柴東石炭系油氣成藏模式研究”等專案資助。

1. 中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；

2. 自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室，北京 100081