地球内部的透视

发布网友 发布时间：2022-04-19 12:30

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热心网友 时间：2023-08-26 02:34

1849年英国科学家斯托克斯(Sir G.G.Stokes，1819～1903)证实地震时产生出两种弹性波，一种是质点振动方向与传播方向一致的纵波(longitudinal wave)，一种是质点振动方向与传播方向垂直的横波(shear wave)(图8-1)。纵波的速度最快，总是首先被观测到，又称P波(P wave);横波滞后，又称S波(S wave)。P波与S波都是在物体内部传播的，因此都叫体波(body wave)。还有一种地震波只在地球表面传播，称为表面波(surface wave)，它对固体地球表面的破坏作用最强，但传播速度较低，总是最后到达的。所以，在发生地震时，人们都首先突然感到大地在上下方向的颤动(P波的表现)，然后是水平方向的摆动(S波的表现)，水平摆动逐渐增强(表面波的作用)，以致造成建筑物的破坏和人员的伤亡。

图8-1 地震波的振动方向与传播方向

地震波在传播途中能量不断消耗，传播到一定距离后，尽管它仍在震动，但人们已经不能察觉到它了。1800多年前东汉时期，在甘肃西部发生了一次地震，住在当时中国首都洛阳的人没有感觉，但是安置在这里的一台仪器察觉到了，这就是张衡创制的世界上公认的最早的地震仪———候风地动仪(彩图Ⅷ-4)，据记载，当远处发生地震时，朝向震源方向的龙口中的铜球就会掉落，坠入到下面蟾蜍张开的口中。可惜这个仪器和它的制作方法都没有流传下来。

图8-2 纵波、横波在地球内部的传播方式

图8-3 地震仪

1880年，英国学者米尔恩(J.Milne，1850～1913)等制造了可以记录地震波传播情况的地震仪，随后又提出大地震所产生的弹性波可传遍全球的观点(图8-2)。1889年在德国的波茨坦首次记录到日本发生的地震。从此，地球科学家开始运用天然地震波来探测地球内部。仪器经过多次改进，越来越灵敏，资料也积累得越来越多(图8-3)。现在我们可以说，利用天然地震波来探测地球内部，就好像用X射线或超声波来检查和透视人体内部器官一样。透视地球内部靠的是P波与S波，它们是迄今为止仅有的能穿越整个地球内部的旅行者。它们怎样使我们看到地球内部的情况呢?现在的主要办法是在地震仪上解译它们留下的记录。

P波传播时只引起物质疏密的变化，不要求物质具有固定的内部结构，因而在气态、液态或固态物质中都可以传播。固体物质具有比较紧密的、稳定的晶体结构，不论质点的振动方向与传播方向是否一致，即不论纵波还是横波，晶格内紧邻的、有序排列的质点都可以将振动传播过去。而在液态或气态物质中，质点的间距较大，并且没有固定的位置，无法传递地震波的侧向震动和剪切变形，这样S波就无法传递了。如果记录表明地球内部的某个部位，尽管地震波的能量已经传到这里，但是由于物质不是固体的，S波就表现不出来(图8-2)，因为S波只能在固态物质中传播时，才能表现出来。无论纵波，还是横波，当物质密度加大时，地震波更加容易传播，传播速度就会加快。

根据P波和S波在地球内部的出现和消失，可以帮助我们推断那里的物质处于什么状态。另外，如果地球内部的物质是均匀的话，那么由震源所发出的P波与S波都应该沿着直线传播，传播速度也应该基本稳定。可是，当地震波在从一种介质进入另一种介质时，会因介质的弹性、温度、压力和密度等条件不同而突然改变传播速度和传播方向，出现折射或反射现象。如果地震波的传播沿着弯曲的路径，则表示沿途介质的性质在发生逐渐的改变。实际上，地震波在地球内部的传播，既有沿着曲线的路径，又有突变的现象(图8-2)。有了这些认识，根据地震记录，我们就能了解到不少地球内部深处的情况。