2022-09-19 13:27:24

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面波(surface wave)是地震波的一种,主要在地表传播,能量最大,波速约为3.8千米/秒,低于体波,往往最后被记录到。如果地震非常强烈,面波可能在震后围绕地球运行数日。面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面波的传播较为复杂,既可以引起地表上下的起伏,也可以是地表做横向的剪切,其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。

基本信息

  • 中文名

    面波

  • 外文名

    surface wave

折叠 编辑本段 简介

面波面波

面波是地震波的一种,主要在地表传播,能量最大,波速约为3.8千米/秒,低于体波,往往最后被记录到。如果地震非常强烈,面波可能在震后围绕地球运行数日。

面波实际上是体波在地表衍生而成的次生波。面波的传播较为复杂,既可以引起地表上下的起伏,也可以是地表做横向的剪切,其中剪切运动对建筑物的破坏最为强烈。

在地震中,面波也是地震波之一,在地球表面扩散,因此测量面波震级也是除测量矩震级外的另一种估计地震规模的方法。

对于浅源地震,中国习惯使用面波震级,美国则习惯使用体波震级或矩震级,这三个震级无法进行对比,但可以通过经验公式换算。电磁波在无线电学中,有表面波特征的电磁波也被称为地波,长波即是其中之一,它可以沿着地球表面传播。由于地球表面和大气的折射率不同以及大气中的折射率渐变,低频的电磁波(如长波)会发生衍射,造成了“电磁波没有沿直线传播”的假象。另外,电离层也能反射长波。

折叠 编辑本段 形成

面波面波

地震波是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。

地球介质,包括表层的岩石和地球深部物质,都不是完全弹性体,但因地球内部有很高的压力,地震波的传播速度很大,波动给介质带来的应力和应变是瞬时的,能量的消耗很小,因此可以近似地把地震波看作弹性波。

波速随频率或波长而变化,这种现象叫做频散。在完全弹性的平行层介质中,由于各种类型的波的叠加,在地表观察到的面波频散是几何原因造成的。在地球内部,由于介质的不均匀性和非完全弹性,会导致体波的频散,这是物理原因造成的。由于频散,波形在传播过程中会发生变化。例如在震源处发出的一个脉冲,在远处就可以散成一个波列。

从震源发出的波动有两种成分:一种代表介质体积的涨缩,称为涨缩波,其质点振动方向与传播方向一致,所以又称纵波。另一种成分代表介质的变形,称为畸变波,其质点振动方向与传播方向垂直,所以又称横波。纵波的传播速度较快,在远离震源的地方这两种波动就分开,纵波先到,横波次之。因此纵波又称P波,横波又称S波。在没有边界的均匀无限介质中,只能有P波和S波存在,它们可以在三维空间中向任何方向传播,所以叫做体波。但地球是有限的,有边界的。在界面附近,体波衍生出另一种形式的波,它们只能沿着界面传播,只要离开界面即很快衰减,这种波称为面波。

折叠 编辑本段 其特点

它们的传播速度比体波慢,因此常比体波晚到,但振幅往往很大,振动周期较长。如果地震的震源较深,震级较小,则面波就不太发育。

折叠 编辑本段 能量密度变化

面波面波

面波在球面上传播时的能量密度变化:由逐渐变小到逐渐变大

专家赵刚近期撰文指出,我们一般都认为,余震只是当地震发生后,该地所在断层中能量继续发散,引起附近地区发生一系列较小规模的地震。但美国地球物理学家的发现,却可能推翻这一结论。他们认为,余震的主要成因是由地震引起的更加“活跃”的地震波冲击,而不是此前认为由于地震引发的当地破碎岩层,由于相对静态的自身压力导致的附近地壳重组。据2003年的《科学美国人》(ScienceAmerican)杂志3月号文章报道,美国地质勘探局的菲尔泽和加州大学的布罗德斯基教授,分析了近20年发生在南加州的数以千计的地震中余震的数据后,得出了这一结论。他们的研究可能改变了关于以前余震发生原因的预测。

2002年11月发生在美国阿拉斯加迪纳利断层的强烈地震,使高速公路弯曲变形。令人意外的是,这起规模7.9级的地震也在南方几千公里远的犹他州引发了一连串小地震。迪纳利地震的震中在安克雷奇(阿拉斯加州首府)东北283公里处,一连串地震波从那儿传递出去。这些地震波使地壳小幅度地扩张与收缩,然后会在岩层破裂带边缘被“绊倒”,而引发当地地震,即余震。美国地质调查所的地球物理研究学者布兰皮德整合了迪纳利地震的分析结果。他说,犹他州的地震让他更加坚信,由地震波诱导产生的岩层应力(指物体受到外力作用但不能位移来抵消外力时,内部产生的反作用力),可在几千公里之外激发地震。这个发现使得地质学家相信,远距效应(即在遥远地方引发新的地震)极可能是多数大地震的共同后遗症。

根据英国《自然—地球科学》期刊5月号公布的研究,说类似于5月12日的汶川强震,可能会在半个地球之外引发地震,几率高达95%。美国地质学家发现,1990年以来,15次7级以上的大地震中,12个产生表面波(即地震波沿地表或地球内部界面迅速向远方传递),在其他大洲的断层系统上引发了较小型地震。美国地质勘探局的专家帕森斯解释说,科学家早就知道强震的表面波会迅速向远方传递,不过他们此前认为这些所谓的表面波移动引发地震只是特例,但让人惊讶的是,这种地震一直在发生。

举例来说,2004年12月发生在印尼苏门答腊外海的强震,就在遥远的阿拉斯加、加州与厄瓜多尔引发了地震。虽然远处地震引发的规模都较小,约在里氏3到5级之间,但也没有理由认为,它们的威力不可能与原发地震同级或更强。帕森斯与合作者为了评估强震在地球其他地方的影响,分析了500多个地震观测站的宽频地震仪。他们侦测出大量因大地震引发的远方地震,即便这两个地区的地壳构造彼此独立。帕森斯解释说,地震波向外散播的惟一原因是动力刺激,这些地震波沿着地表或地球内部界面,经过遥远的距离后也未缩小。

这些沿着地表或地球内部界面游走的地震波被称为面波,经过遥远的距离后也未缩小的原因在于地球表面是球面:在震中同一半球传播时是扩散,在另一半球是集中。地震波在传播过程中的能量密度变化,与单位时间扩散的大圆周长C成反比。设地震的总能量为Q,能量密度为δ,穿过的面积为S=Cl=2πRlsinφ,l为单位弧长,R为地球半径,则有

δ=Q/S=Q/(Cl)=Q/(2πRlsinφ)(1)

其中,圆心角φ为震中和地心连线与大圆上任一点和地心连线的夹角。由(1)式可知,在φ=0和φ=π时,能量密度δ为无穷大,在φ=π/2时,即经过地表最大圆时,能量密度δ最小。这就是说,假定地震波能量在传播中无损耗,震中的地心对称点处的能量密度最大。该公式表明,能量密度δ在震中同一半球中随震中与地心连线的长度增加而减少;在震中的另一半球,能量密度δ在震中的另一半球中随震中与地心连线延长线的长度增加而增加。

举例来说,2004年12月发生在印尼苏门答腊外海的强震,就在遥远的阿拉斯加、加州与厄瓜多尔引发了地震。厄瓜多尔(西经80,南纬0)恰恰就是印尼苏门答腊(东经100,南纬0)的地心对称点。这是一个很有说服力的解释。

折叠 编辑本段 特性研究

面波探测面波探测

在石油勘探的近地表调查中,一般采用小折射、微测井、地震资料的大炮初至资料调查近地表结构,这些方法均采用折射波。众所周知,折射波存在的前提是下层介质的速度一定要大于上层介质的速度,这样才能在界面形成折射波,如果存在低速夹层和速度倒转,则利用折射波来求取表层结构难以进行。对于复杂的低信噪比地区,以及巨厚的低降速带引起的低频静校正分量的存在是地震资料静校正的难点之一。

针对这些比较复杂的地质情况,利用瑞雷面波特性进行表层结构的计算,提出了一整套思路。本文就是研究如何利用瑞雷面波的特性,将其应用到石油勘探的表层调查中。瑞雷面波是一类频率较低、能量较强的次生波,且主要沿着介质的分界面传播,其能量随着与界面距离的增加迅速衰减。瑞雷面波与反射波、折射波一样都含有地下介质的地质信息。从瑞雷面波的概念、波动方程、频散方程、频散特征、三层介质模型理论分析、高阶振型的正演与反演研究以及实际资料的应用等方面,说明了利用石油勘探大炮记录中的瑞雷面波和工程上的瞬态瑞雷面波勘探能够进行表层调查。

在不同地区不同情况下,通过对石油勘探地震单炮记录中瑞雷面波和瞬态瑞雷面波的提取、频散曲线的计算、频散曲线的解释以及采用改进的阻尼最小二乘法反演,确定了两套方案,即第一个方案是在有小折射资料的前提下,利用石油勘探原始大炮记录中的瑞雷面波进行表层结构调查的方法,第二个方案是在没有小折射资料的情况下,利用工程上的瞬态瑞雷面波勘探进行表层结构调查,经过实际资料的验证,两套方案还是比较可行的,有效的。

重庆历来号称“山城”,属丘陵地区,但随着城市建设的快速发展,开山筑路,削高填低,大多数新城区道路宽阔笔直,成为人造平原。在这个过程中,大量沟谷低洼地区被回填,形成厚度几米至几十米不等的填土区域。为了节省成本,大量建构筑物以填土作为地基,需要对填土做地基处理,目前处理方式一般为强夯处理。目前对填筑地基质量检测一般采用静力载荷、动力触探、灌砂法等方法,这些检测方法工作周期长、效率低,且属于“以点代面”类型的检测方法,其检测结果必然存在较大的局限性。

面波检测是一种新兴的岩土原位测试技术,与常规的检测方法相比,具有设备简单、使用方便快捷、经济高效、无损检测等优点,目前已逐渐在工程中推广应用。随着重庆地区填土地基处理项目越来越多,迫切需要用面波这样方便快捷的地基处理质量检测方法代替传统方法。一直重视物探工作的发展,新购置了重庆地质仪器厂生产的在国内领先的DZQ48D型工程地震仪,其面波测试可用于填土地基处理质量检测,也可用于勘察阶段场地剪切波速测试、场地覆盖层地层划分、浅埋空洞探测等。

面波在非均匀介质中传播,具有频散特性,波长不同,穿透深度不同,不同波长反应不同深度的介质情况。面波探测技术根据其频散特性计算频散曲线反演面波速度或横波速度,从而对地下地质情况进行探测的一种应用地球物理方法。

国内广泛利用利用瑞雷波进行工程地质勘察和检测,基于瑞雷波的如下特性:瑞雷波在层状介质中传播,具有明显的频散特性,而这一特性与地层的瑞雷波相速度及空间分布具有唯一对应关系;瑞雷波的穿透深度与激发的波长密切相关,激发的频率越低,勘探深度愈大;瑞雷波相速度与层内的横波速度具有明显的相关性,当地层的泊松比较大时(δ>0.4),瑞雷波的相速度与横波速度相差小于5%,因此,可以用瑞雷波相速度VR近似代替VS使用;瑞雷波勘探的直接成果是瑞雷波的频散曲线,其频散曲线及其变化特征与地下的地质条件(地层的层数及厚度,各层的纵波速度、横波速度、密度及各层物理力学性质)具有密切的联系,正确地识别频散曲线的变化特征,详细研究其变化规律,就可以作出符合客观地质条件的解释。

目前国内利用面波检测填土地基处理质量的技术体系日益成熟,但用于重庆地区的鲜有论述。重庆地区的填土成分一般为块、碎石土及亚粘土,极不均匀,块石大者直径两三米,孔隙多,面波测试成果离散性大,用面波检测地基处理质量有一定难度。本次研究的目的就是针对重庆地区填土特性,研究出一套适用于重庆地区的填土地基面波质量检测技术。

折叠 编辑本段 专家解读

北京时间5月12日14时28分,四川阿坝藏族羌族自治州境内的汶川县发生里氏7.8级地震北京时间5月12日14时28分,四川阿坝藏族羌族自治州境内的汶川县发生里氏7.8级地震

专家称地震面波对高层建筑影响较大

面波对高层建筑影响比较大

中国地震局地震预测研究所研究员张国民说,这次汶川发生地震是属于浅源地震,其破坏力度较大。地震可按照震源深度分为浅源地震、中源地震和深源地震。浅源地震大多发生在地表以下30公里深度以上的范围内,占地震总数的70%以上,所释放的地震能占总释放能量的85%,是地震灾害的主要制造者,对人类影响最大。

在地震学中,一般发生的震级越高,其破坏力度越大。这次汶川地震7.8级,其震中地区的破坏力度在10度左右,会造成房倒屋塌、地质滑坡和地面裂缝等灾害。

目前还没有关于这次地震的详细数据和反映地震破坏力度的地震烈度分布表(美国地质调查局在其网站上公布了一个粗略的地震烈度分布图,该图是在未经过实地考察的情况下得出的)。中国地震局的陈长林对记者说,地震烈度分布表估计1到2天就会出来。相关专家组已经到达汶川,目前调查工作已经开始。不过所幸的是,虽然地震强度与32年前的唐山大地震相同,但是现在看来,损失应该小于唐山大地震。

1976年的唐山地震,是建国以来最大的自然灾害,造成24万人死亡。当时的震中在城市中心区下方,属于城市直下型地震,所以引起的破坏很严重。而这次汶川地震,震中附近没有较大的城市,当地人口10万多一点,分布相对不密集,包括汶川县在内的约二百公里长、十几公里宽的极震带,大多处于山区,由此损失会小于唐山大地震。

另外关键的是,这次地震发生在白天。“大部分人都在外面活动,这大大减少了死亡的可能性,所以你也会发现,一些地区,伤亡比较严重的是学校,因为学生们都在楼里。”中国地震局的一位专家说。

对于这次地震波及全国大部分省份的原因,中国科技大学的倪四道说,像2001年青海昆仑山口的8.1级地震是在中国的西部,西部的城市比较有震感,而东部城市震感不是很强。四川这次地震离东部比较近,距离北京、上海这些大城市距离大概有1500公里。对于其他地区属于远震,即1000公里以外能感受到。而这次地震的面波,对高层建筑影响比较大,对低层建筑影响比较小,而现在大部分城市高层建筑很多,所以波及的城市很多。

中科院地质与地球物理研究所研究员王二七分析说,全国许多地方震感强烈,还有一个重要原因就是地震发生地汶川-茂汶大断裂带以东的四川地块相对坚硬,地震波传播的能力比较强。

预报很准的情况比较少见

针对瞒报地震预测的传言,中国地震局新闻发言人张宏卫13日说,所谓为了保证奥运前的安定局面而瞒报地震预测结果的推测“是没有道理的”。地震预测或预报在中国分为中、长、短、临四种,中国现在的中长期预测准确率大概是30%左右,而短临期预测率非常低,而且地震预测本身就是世界性难题,“上天”容易“入地”难,决定了地震预测的难度。

现在国内的地震监测有很多种,一个是监测地震活动本身的,一个是监测地下水、重力、形变的变化等,每个省的监测网由许多台组成。“在这次地震前没有什么预报,从目前的技术水平看很正常,预报很准的情况其实是比较少见的,除非地震有很多前震,可以(使人)警觉起来。”中国地震局地球物理研究所研究员陈学忠说。“在地震预报方面,美日等发达国家比我们没有任何先进的。他们的先进是在于,建筑设防的安全性上,还有就是地震发生以后,可以相当快地确定位置和震级。”倪四道说。

另外,中国的地震预报发布除了政府外,任何单位和个人无权公开发布关于地震的信息,“先由专业人员经过汇总,经过专家评委会的论证后,政府部门根据这些情报来发布预报。中长期的预报每年都报给政府做准备,真正能起到作用的还是短临预报,像半个月的尺度才能起到好的效果。”陈学忠说。

各地政府再根据中长期的预报,以及当地的往年地震情况,在城市规划时有一个设防标准,在考虑经济成本的情况下,做城市建筑预防工作。全国的建筑物抗震级别没有统一的标准,具体标准主要由各地政府主导,设防是政府行为,根据当地的财力开展设防工作。

“处于极震区的汶川等县,本来处于地震高发带,这方面的设防准备是不可缺少的,对于这次巨大地震,显然准备是不充分的。”陈学忠说,“从目前的情况看,成都市离震中距离比较近,但没有比较大的伤亡和影响,可以看出这跟比较规范的大中型城市预防有关系。”对于农村地区的设防,全国各地情况差别很大,“一些地方还是很成问题的,基本上是不设防的,这需要政府做好引导工作”。

水库诱发地震问题

还有一个令公众十分关心的问题是,这次地震与三峡工程、都江堰等水利工程是否有联系?反过来,这次地震对这些水利工程是否有影响?“我觉得它们在地理上隔得比较远,联系的可能性不大,没有明确的依据来说它们有联系,不可能是诱发地震,诱发地震也不可能这么远,这是纯粹的构造性地震。以前没有三峡工程时不是照样有地震吗?”陈学忠说。

而此前长江委设计院地震处处长曾新平说,三峡大坝与汶川不在一个地质构造单元。三峡库区主要在鄂西山地和四川盆地东部,汶川处于龙门山地震带,二者在地质上没有任何联系。所以,汶川地震与三峡工程无关。

曾新平说,水库蓄水诱发地震主要在库区,一般离库岸5公里左右,最远不超过15公里。目前三峡水库蓄水回水不到重庆,即使产生诱发地震,也会在重庆以下地区。此前,三峡水库蓄水诱发地震主要在巫山以东库区。

重庆市新闻发言人周波十三日称,震后当地报有十七座水库存在安全隐患,而经国土部门对三峡库区二、三期已治理项目、搬迁避让项目的监测,未发现安全隐患。

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