地震波传播

地球中的弹性扰动以P波和S波的形式通过地球内部传播，并以瑞利波和勒夫波的形式沿地表传播，在由速度结构决定的边界处发生折射和反射。

Definition

地震波传播是弹性能量通过地球的传输，受波动方程控制，产生通过地球内部传播的体波和沿自由表面传播的面波，每种波都根据介质的弹性模量和密度发生折射、反射和衰减。

Scope

本主题涵盖弹性动力学波动方程及其支持的波类型：压缩P波、剪切S波以及色散瑞利面波和勒夫面波。它涉及界面处的反射、折射和模式转换，斯涅尔定律和射线理论，地震相和走时曲线的形成，衰减和几何扩散，以及面波色散。重点在于介质的弹性特性如何控制地震能量的速度、路径和振幅。

Core questions

• P波、S波、瑞利波和勒夫波在速度、运动和路径上有何区别？
• 反射、折射和模式转换是如何在速度界面处产生的？
• 为什么面波具有色散性？色散揭示了哪些结构信息？
• 衰减和几何扩散如何随距离减小波的振幅？

Key concepts

• 压缩（P）波和剪切（S）体波
• 瑞利波和勒夫面波及其色散
• 斯涅尔定律、射线路径和走时曲线
• 界面处的反射、折射和模式转换
• 地震衰减（Q）和几何扩散

Key theories

弹性波动方程和射线理论

线性弹性动力学产生一个波动方程，其解分为P波和S波；在高频极限下，它们的能量遵循符合斯涅尔定律的射线，从而可以根据速度模型预测走时。

面波色散

由于瑞利波和勒夫波的采样深度是频率的函数，周期较长的分量传播速度较快，产生特征性色散，其反演可约束地震速度的深度剖面。

Mechanisms

施加到弹性固体上的应力会分别产生体积应变和剪切应变，它们以P波和S波的形式传播；在阻抗变化的边界处，能量会分配为反射波和透射波，并可能发生模式转换；而自由表面和分层结构会将能量捕获为受引导的面波，其相速度和群速度取决于周期。

Clinical relevance

了解波传播对于定位地震、预测区域内震动变化以及设计用于勘测地下水、能源和工程研究的地震勘探至关重要。

History

瑞利于1885年预测了弹性半空间中的面波，勒夫于1911年解释了水平极化面波；20世纪的仪器和Aki与Richards编纂的定量框架使波传播成为研究震源和结构的一种精确工具。

Key figures

• Lord Rayleigh
• Augustus Edward Hough Love
• Keiiti Aki

Seminal works

• akirichards2002
• shearer2009
• steinwysession2003

Frequently asked questions

为什么P波总是比S波先到达？

P波是压缩波，在相同介质中传播速度比剪切S波快，因此它们首先到达地震仪；P波和S波到达时间随距离增加的间隔可用于估算地震发生的距离。

为什么面波通常最具破坏性？

面波被限制在地表附近，因此它们的能量在二维而非三维空间中传播，并且随距离衰减得更慢；结合其长周期特性，这通常使它们成为地面上振幅最大的到达波。