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第5种地震波:G-波

已有 969 次阅读 2018-9-10 21:48 |系统分类:科研笔记

5种地震波:G-

岳中琦

地震必然造成地表震动,强度大的地震让人们感到一股地表的波动快速从远方或地下传递过来,又快速消亡。这就是地震波。专门研究地震波的学科是地震学。人们用地震波位移(或速度或加速度)大小(振幅与周期)来计算确定地震震级。迄今,地震学家们已经确定了四种地震波。它们分别是P-波、S-波、L-波和R-波。它们的发现和形成历史大概如下。

现代地震学(Seismology)可能是从1947年开始。当时,经典微积分数学和各种场理论,特别是弹性动力学理论已经建立、健全(http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-840328.html)。这些科学家包括下图中的著名、重要人物。

History1.png

用弹性动力学理论来研究和分析地震波就成了最前沿的科学研究领域。其中,1847年,Robert Mallet在皇家爱尔兰学会会刊(Proceedings of the Royal Irish Academy. Royal Irish Academy. XXI: 51)发表了《地震动力学》(The Dynamics of Earthquakes专著。他创立了Seismology单词。他认为,一次地震就是一个或一系列弹性压缩波,从一个震源点或一个相对于振动传到的地表面积很小的源区。这奠定了现代地震学基础。Robert Mallet181063日出生,在1881115日逝世,是一位爱尔兰土木工程师,英国皇家学会院士。18571216日在意大利南部Padula地区发生了那不勒斯6.9级地震(Great Neapolitan earthquake),造成11千人死亡的。在Charles Lyell (莱尔)and Charles Darwin(达尔文)推荐下,他进行了3个月的实地调查研究,撰写和发表了调查报告和《观测地震学第一原理》(Great Neapolitan Earthquake of 1857: The First Principles of Observational Seismology)。这可能夯实了他的地震动力学理论。

在另一方面,根据弹性动力学理论,人们发现了在全空间线性各向同性弹性固体材料内部的波的传播有两个不同的速度。这样在固体内部传播的波被称为体波,又根据波速快慢,体波划分为纵波(P-WaveP-波)和横波(S-WaveS-波)两种。人们又进一步发现了在半空间线性各向同性弹性固体材料中,当体波传递到半空间界面时候,发生入射、折射和反射等变化,又有了在界面边界形成的波,沿界面边界附近介质传播。它被称为面波,也有两种不同的速度或形式来传播。因此,面波又被划分为Rayleigh 波(R-波)和Love (L-)

R-波是以英国物理学家John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh命名。在1885年发表的论文“On Waves Propagated along the Plane Surface of an Elastic Solid”(Proceedings of the London Mathematical Society, Volume s1-17, Issue 1, 1 November 1885, Pages 4–11, https://doi.org/10.1112/plms/s1-17.1.4)中,他预测了这种面波的存在。他在18421112日出生,1919630日逝世,皇家学会院士。他因发现氩元素(argon)在1904年获得了诺贝尔物理学奖。

Love 波是以英国力学家Augustus Edward Hough Love命名。Love1863417日出生,194065日逝世,皇家学会院士。他的重要论著包括由剑桥大学出版社在1897年出版的"Theoretical mechanics, an introductory treatise on the principles of theoretical dynamics"1911年出版的 "Some problems of geodynamics"

这四种波的振动和传波方式分别如下图所示。

P-波(在固体、液体和气体物质内部快速传波,振动方向与波动方向一致,呈压缩和拉张变形,位移振幅随着距离逐渐减小,如空气中的声波)

P-wave.gif

S-波(仅在固体体物质内部中速传波,振动方向与波动方向垂直,呈剪切变形,位移振幅随着距离逐渐减小)

S-wave.gif

L-波(在物质表面附近传波,旋转振动和波动。随着深度增大或水平距离增远,振动和波动快速衰减到零。特别地,随深度按照指数衰减) 

L-wave-water.gif

R-波(在物质表面附近传波,旋转振动和波动。随着深度增大或水平距离增远,振动和波动快速衰减到零。特别地,随深度按照指数衰减) 

R-wave-rayleigh.gif

1900年,Richard Dixon Oldham发表了地震波论文“On the Propagation of Earthquake Motion to Great Distances”Philosophical Transactions of the Royal Society A. 194:135-174)。在这篇论文中,他首次将弹性动力学中的四种波(P-波、S-波、L-波和R-波)在距离震中距离极远的地震图上按照到达时间而分辨出来。这如下图所示(地震仪台站与震中的距离约1993km)的地震波记录图。他假设这四种波(P-波、S-波、L-波和R-波)在地震震源处同时激发产生。因此,由于P-波的波速最大,因此,它首先到达极远处的地震波记录站。之后,由于S-波的波速第二,它是第二位到达。由于L-波和R-波的速度最小和相同,它们几乎同时到达。

 W00.png

从此,人们将地震波分为两大形式:体波(Body Waves)和面波(Surface Waves)。体波又划分为P-波和S-波。面波可划分为L-波和R-波。这样就更加丰富了地震学理论。

Richard Dixon Oldham1858731日出生,在1936715日逝世,是一位地质学家,英国皇家学会院士。他研究了1897612日在印度Assam发生的8级地震。这场地震导致了1542人死亡。在1906年,他发表了论文"The Constitution of the Interior of the Earth, as Revealed by Earthquakes"Quarterly Journal of the Geological Society. 62 (1-4): 456–475),给出了地球有一个中心核(地核)的首次地震波证据。

 

1906年旧金山7.8级大地震后,人们确立和建立了地下深部挤压构造断层的突然错动是产生地震波的动力能源(http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-971243.html)。在调查资料的基础上,H. F. Reid建立了地震的断裂弹性回跳成因理论。认为,地震波是岩石主动断裂、再弹性回弹造成的。这一地质断裂主动活动地震成因假说或理论就更加完善了地震学,使得地震学家们都用断裂主动错动的位错地震源来研究与计算地震波。例如,K. Aki教授和P.G. Richard教授在1980年发表的《定量地震学:理论和方法》(Quantitative Seismology: Theory and Methods)中就是直接假设了地震的主动断裂位错震源。

在上述前四种地震波发现和应用的基础上,我以下再介绍本文主题“第5种地震波:G-波”。它是地震学家和地质学家还没有知道和研究的一种新的地震波。它的破坏能力极强、极大。

2008年汶川8.0级大地震后,岳中琦确立和建立了地下深部挤压构造断层带内部的极高压气体突然挤胀逃出其圈闭是产生地震波的动力能源(http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-747020.html)。进一步地,建立了极高压气体地震理论。在断裂带内部的极高压气体就是最弹性的物质,是断裂弹性回条的物质和能量根源。

在汶川大地震现场调查资料的基础上,岳中琦发现了地震的破坏能力更大的第5个波。它就是G-波(Gas波)或气体波(Qi-波)。在地下深部,存在极高压气体。高压气体可以在挤压断裂带内在挤胀固体岩石、高速运移。这股高压气体,如同在大气中高速飞移的火箭或导弹,在地下断裂带高速运移,形成了G-波。G-波的速度可达每秒钟3km,比P-波、S-波、L-波和R-波的波速慢一些。G-波在断裂面高速运移传波的过程可以用以下图来表示。

首先,地下岩体存在受到压剪应力作用的断裂等不连续面(或管道)。

G01a.png

第二,一股高压气体从深部断裂圈闭高速逃出,挤胀进入挤压断裂面(AB段),高速移动、传波。

 

G02b.png

第三,再挤胀进入(BC段),高速移动、传波、体积增大。同时,AB段又被压剪地应力紧紧闭合。

 G03a.png

第四,再挤胀进入(CD段),高速移动、传波、体积再增大。同时,BC段又被压剪地应力紧紧闭合。 

G04b.png

第五,再挤胀进入(DE段),高速移动、传波、体积再再增大,到达地表喷出,造成了喷出口地表岩土的极大破坏,可摧垮上覆建筑物基础。同时,CD段又被压剪地应力紧紧闭合。

G05b.png

G-波在地表逃出断裂带固体岩土体处(E点),可造成以下的地表岩土体破坏形式:同震断裂、山崩、滑坡、沙土液化、喷沙冒水。下图是汶川地震时候的一个G-波逃出地下岩土体所造成的岩土喷出、抛射视频截图。

G07.png

下图是G-波从地下断裂带逃出代表所造成的地表裂缝,主要是岩土体从内部向上顶推所造成的拉张破坏。地面见到的拉张或错动幅度随向地下深度的增大而快速减小。它们虽然在四个不同的地方,由四个不同的地震产生,但是它们是相当相似和一致。

 G08.png

如果在断裂带某处存在空洞(如下图的D处),那么,这股(或部分)极高压气体挤胀进入这个空间,而被套住、储存,不能在到达或破坏地表。地表岩土体仅仅受到前四个地震波的振动,它们的破坏就会有限或微不足道。 

G06a.png

这股高压气体在断裂内部挤胀运动,造成了两侧岩体的强烈高速位移、振动。如同导弹在大气中飞移造成声波,这种移动震源的位移挤胀振动和错动在固体岩石中形成地震波。这可能就形成了上述固体内部的四种地震波。在深处的G-波制造了P-波和S-波。在接近地面的G-波制造了L-波和R-波。因此,这个G-波就是人们观测到的四种地震波的原始振动源和动力的制造者。 

G-波可以称为第5种地震波或原始地震波。虽然它已经被发现和论证,但是,我们还需要更多的时间来让人们进一步接受、研究、认识和防治它。

201891021:30写成于香港大学602办公室

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