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地震学

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地震学
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地震学是对地震(或广义的天体震动)以及弹性波行星体中的产生和传播进行科学研究的学科。该领域还涵盖地震对环境的影响研究,例如海啸;其他地震源的研究,如火山板块构造、冰川、河流、海洋微震及大气现象;以及人工过程的研究,例如爆炸现象。

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2004年印度洋大地震海啸引发的海啸动画

古地震学是运用地质学推断过去地震资讯的相关领域。地震仪记录地球随时间变化的运动轨迹,此记录称为震动图。地震学家是从事基础或应用地震学研究的科学家。

地震波类型

地震波是传播于固体或流体材料中的弹性波。可分为三类:穿透材料内部传播的体波;沿材料表面或界面传播的面波;和简正波(一种驻波)。

体波

体波分为两类:压力波(或称初次波,P波)与剪切波(或称二次波,S波)。P波是纵波,与压缩和膨胀相关,其粒子运动方向与波传播方向平行。P波总是最早出现在地震图上的波形,因为它们是穿透固体速度最快的波。S波是与剪切相关的横波,其粒子运动方向垂直于波传播方向。由于S波传播速度慢于P波,因此在地震图上出现时间晚于P波。由于流体的剪切强度较低,无法支撑横向弹性波,因此S波仅能在固体中传播。[1]

面波

面波是P波和S波与地球表面相互作用的结果。这些波具有色散性,这意味着不同频率的波传播速度不同。面波主要分为两种类型: 瑞利波勒夫波。瑞利波同时具有压缩和剪切运动,而勒夫波则只有剪切运动。

简正波

体波与面波皆属行波;然而,强震亦能使整个地球如共振的钟般“鸣响”。此鸣响现象由具有离散频率与周期的正常模式混合而成,其周期约为一小时或更短。极强地震引发的简正模运动,在事件发生后最长可持续观测达一个月之久。[1] 简正模的首次观测发生于1960年代,当时高精度仪器问世之际,恰逢二十世纪两大强震——1960年智利大地震1964年阿拉斯加地震。此后,地球简正模为我们提供了关于地球深部结构的最有力约束条件。

受控地震源

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震动图

使用人工爆破所产生的地震波,让人们今天可以探测地底下的石油贮藏、岩石结构、盐矿、地层的结构和被埋没的陨石坑等等。但是人工爆炸主要用在浅层的地质勘探,是通过反演算出震波传递的速度,分析后可得到地下可能藏有的地质结构和物质分布。

绘制地球内部结构图

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地震波采样之地球内部地震波速与边界

由于地震波在与地球内部结构相互作用时通常能有效传播,它们为研究行星内部提供了高分辨率的非侵入性方法。其中一项最早的重要发现(由理查德·迪克森·奥尔德姆英语Richard Dixon Oldham于1906年提出,并由哈罗德·杰弗里斯于1926年最终证实)是地球的外核呈液态。由于S波无法穿透液体,液态核心会在地震对侧形成“阴影区”——该区域无法观测到直接传递的S波。此外,P波在外核中的传播速度远低于地幔。

地震学家运用地震层析成像技术处理来自众多地震仪的读数,成功绘制出分辨率达数百千米的地幔结构图。这项技术使科学家得以辨识对流单体及其他大规模地质特征,例如位于核幔边界附近的大型低剪切波速区域。[2]

地震可以在地球内部引致地震波,通过观察地震波在地球内部的传导,人们可以了解和推断出地球内部的结构和构造。对地震波的研究最早的结论之一是地球内部是液态的:纵波可以传过地核,横波无法通过地核,而横波的传播需要比较坚硬的媒介。现在科学家的认识是,地球的不同深度状态是不同的,地核又可以分为固态的内核和液态的外核,这都是由地震学的研究得来的。

人们现今可以研究地下数千米深的地质构造,如地幔中的对流层、岩浆腔,到地核的各向异性等。透过对地震波的观察,人们今日还可以观察到陨石坠入无人海域的过程和核爆炸,近距离得可以侦测到车辆通过,甚至是人的脚步。

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著名地震学家

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参考文献

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