地震作为地球上的一种频繁运动，对人类的生产生活产生了深远的影响。地震发生时，会伴随着一系列的波动，即地震波。地震波是唯一能穿透地球介质的物理波。今天，我们将学习地震波。
地震波的类型和特征
地震发生时，震源区介质发生快速破裂和旋转，这种扰动形成了波源。由于地球介质的连续性和物质的相互作用，地震波会传播到地球内部和表面，即在连续介质中形成弹性波。
如果按照传播介质划分地震波，在地球内部传播时称为体波，沿地球表面传播时称为面波。
地震波从震源产生后，根据传播介质的质点运动规律，可分为膨胀收缩波和剪切波。膨胀收缩波代表介质体积的膨胀和收缩，其在地球介质中的传播速度约为4.0-7.0 km/s，其粒子的振动方向与波的传播方向一致，故又称纵波或纵波。
横波代表的是介质的形变，它在地球介质中的传播速度约为2.0-4.0 km/s，其粒子的振动方向与波的传播方向垂直，因此也称横波或S波。根据振动的偏振方向，s波可以进一步分为SV波和SH波。
这两种波传播特性的示意图如图1所示:
图1:地震波类型及传播特征示意图
在地球表面附近，体波衍生出一种特殊类型的波——面波，它同时具有纵波和横波的一些特征。介质中的粒子有上下运动，也有左右运动，波长更长，振幅更大，能量更强。当自然地震发生时，对建筑设施破坏最严重的是表面波。
与体波相比，面波一个显著的传播特点是只沿地球表面传播，离开地球表面时衰减很快，传播速度比体波慢得多。
地震波的种类虽然很多，但描述地震波的物理量主要有四种，即波速、波长、周期和频率。
以最简单的正弦波为例，它是由声源的周期性振动产生的波。正弦波在一个周期内沿波的传播方向传播的距离称为波长，通常用符号λ表示。
波源每振动一次，波就向前传播一定距离，波源的振动速度用频率f来描述，频率f表示波源每秒的振动次数。因此，波振动每秒的传播距离为λf，即波的传播速度，通常用v表示。
地震波的速度是地震波最重要的属性，地震波的传播能力和速度取决于传播介质的弹性性质。P波反映了地球介质的体积应变，因此P波可以在固-液-气三种状态下传播。
与纵波不同，横波反映的是介质的剪切应变，由于流体和气体由于分子间距的原因不能承受剪切变形，所以横波不能在液体和气体中传播。
从传播速度来看，纵波最快，而横波比纵波慢，传播最慢的是面波。波的传播速度不是恒定的，而是随着振动频率而变化的。这种现象称为波频散。
正是因为这种色散，波在传播过程中会发生变化，尤其是通过不同介质的界面时，会发生透射、折射和反射。我们用这些物理原理来理解地球内部与地震波的结构和界面，从而为人类理解地球内部点亮了一盏明灯。
地震波与地球内圈的划分
1.莫霍面的发现
在地球物理学的浪漫史中，莫霍面这个地球上最重要的界面的发现，是科学史上的里程碑。
在1909年的一次地震研究中，奥地利地震学家莫霍洛维奇意外发现，在欧洲大陆下方近35公里处，地震波速度的传播速度突然发生变化，纵波速度从7.0公里/秒突然变为8.1公里/秒；横波速度突然从4.2公里/秒增加到4.4公里/秒..
莫霍洛维奇敏锐地意识到，这个深度的材料成分和性质应该已经发生了变化，可能存在不连续的界面。经过科学分析，他在1910年提出了地球内部分层理论，即地球内部存在一个界面，将地球分为内层和外层。
内层和外层是我们今天熟知的地幔和地壳，这个界面后来被命名为“Mo Holovics间断点”，以纪念这位奥地利科学家，它拉开了利用地震波了解地球内部的序幕。
2.准确测定古腾堡表面和液芯的发现
当地震发生时，震源发出的地震波会通过地球介质向四面八方传播，其中包括P波和S波在内的体波分量可以从相对较小的角距范围到相对较大的角距范围进行连续跟踪观测，并可以被世界各地地震台站的仪器记录下来。
但地震学家从地震资料中发现，在一次大地震后，在距离地震震中103 ~143度范围内存在一个“P波阴影区”，因此猜测这是因为地球上存在其他扭曲地震波场的层状结构。
图2:“在距离地震震中103 ~143度范围内无法记录到P波地震信号，存在“P波阴影区”的解释
1914年，德国地震学家古腾堡根据这一阴影区的存在证实了地核的存在，并测量了地幔与地核的不连续界面，即后来的“古腾堡不连续面”，将其深度定位在2900公里左右。
时至今日，这个数据仍然非常准确。在这个界面上，体波中的横波分量突然消失，纵波分量被折射，速度大大下降。从剪切波不能在液体介质中传播的特点，推断地核是液体。
地核的内层结构后来被另一位女科学家莱曼通过地震观测数据发现。到目前为止，地球上最重要的界面已经确定，这些界面是通过地震波观测记录推断出来的。图3为地震波传播划分的地球主要圆的结构和波速特征。
图3:地球主要圆的划分及地震波速度特征
地震波检测的多尺度应用
人类对自然地震的机理和预测方法知之甚少，自然地震产生的地震波是我们从宏观角度了解地球内部结构的最有力工具。
地震学家从医学CT成像中得到启发，发明了地震层析成像，这是一种通过分析观测地震波各相的运动学和动力学数据，反演被大量射线覆盖的地下介质的结构、速度分布和弹性参数等重要信息的地球物理方法。
通过成像，我们可以清楚地了解地震的内部结构和主要界面，这是地震波经典最大规模的应用。
地震波不仅有助于我们在全球范围内更好地了解地球内部结构，而且在浅层地壳中小尺度能源和矿产资源勘探中发挥着无与伦比的作用，因为地震勘探方法与其他地球物理方法相比具有最高的精度和成像分辨率。
自然地震时地球运动引起的地壳振动通常称为无源震源。另一方面，地震勘探采用人工方法引起地壳振动，如对埋在井中的炸药进行爆轰激发，空气枪、人工机械震源等。这种勘探通常称为主动源勘探。
然后用精密仪器记录振动激发后地面各点的振动，生成地震记录数据。利用记录的数据，结合各种数据处理方法，对数据进行处理，形成地下结构图像，从而推断地下地质结构、深度、形状等。帮助寻找石油、天然气和矿产资源。
我国的大庆、胜利、长庆、辽河、塔里木等大型油田都是通过地震勘探发现的。近年来，在新型替代能源的勘探中，可燃冰、干热岩等新能源的分布也通过地震勘探得到了识别。
随着非常规能源、干热岩等新能源的开发利用，地震波探测获得了新的活力。地下矿山在深部开采和水力压裂过程中会发生岩石破裂和地震活动。开发活动诱发的微地震活动，即改造岩体中力场变化引起的岩石破坏引起的地震事件，称为微地震事件。
通过对这些微小地震信号的观测、定位和震源机制分析，可以确定新的地下裂缝的延伸方向，推断一定深度的地应力方向，评价空之间的裂缝分布。
图4:地震波检测在不同领域和尺度的应用
这也可以帮助油藏工程师评估油藏的重建，这是地震波检测在微观尺度上的经典应用，如图4所示。
此外，地震波还有很多应用，如火山喷发监测、水库诱发地震监测、地下核爆炸监测等。地震波与地震学是从牛顿力学中衍生出来的经典学科，在产生中不断获得新的活力，并迅速成为前沿科学之一。
本论文得到了中国地质科学院地质力学研究所“柴达木盆地及周边地区中、古生界油气成藏条件及目标区优选”、“塔里木、准格尔、柴达木盆地油气战略选区调查”、“基于深地震成像的柴东石炭系油气成藏模式研究”等项目的支持。
1.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；
2.自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室，北京100081
