第7章 对地震波走时和速度曲线的重新解读

目前探测地球内部结构的主要手段是地震波，确切地说是用地震波走时信号表示的地球内部结构“影像”。它的原理类似于医院里常用的“超声波”成像技术，只不过这里的“超声波”变成了地震波。

用地震波观测地球内部结构，首先要解决的问题是正确解释地震波曲线的含义，换句话说，就是要把地球内部结构与地震波曲线上的点之一一对应起来。由于目前人们对地震波的观测和记录是在地球表面进行的，这样一来，如何把在地球表面记录到的地震波信号与地球的内部结构联系起来，从而将地震波走时曲线上的点转化成地球内部的结构参数（“影像”），这是正确解释地震波走时曲线的基础，也是正确认识地球内部结构的关键。

在地震波震相走时曲线上的P（S）波屏蔽区（阴影区）是目前地震波研究中的一个十分令人费解的区域。该区正好对应地震波速度曲线上的速度突然下降区。按传统理解，这个屏蔽区是地球内部存在液态地核的证据，是地震波射线在传播过程中通过液态地核时发生了异常折射，致使在地球表面出现了P（S）波阴影区（空白区）。但根据笔者研究发现地球实际上是一个空心球体，跟本不存在地核，因此，上述屏蔽区的存在必定另有原因。本章通过对P（S）波屏蔽区形成原理的探讨，明确了P（S）波屏蔽区（阴影区）的真实含义，并找出了反映空心地球壁厚的反射波震相。

反射波震相的出现，使得地震波震相走时图上的直行波、反射波、滞后波（从动波）和P（S）波屏蔽区之间的关系更加清晰。这对正确理解地震波震相走时图上的空心地球壁厚震相和P（S）波在地球内部的传播形式及原理有很大帮助。

 

7.1地震波震相走时曲线上的屏蔽区与地球速度结构介绍

 

7.1.1地震波震相走时曲线上的屏蔽区（阴影区）

地震波在地球内部的传播形式

为了更好地了解地震波走时曲线上各点的含义，先来介绍一下人们对地震波在地球内部传播形式的传统认识（图7.1）。

  

 

       （a）             (b)                                                                                   (c)

地幔中压缩波（p）的                        与内外核相互作用                         与内外核相互作用的S波

射线路径，包括它们转                       的p波射线路径                             射线路径；S波在外核被

换成的剪切波（s）                                             转换成了P波

 

图7.1传统认识中地震波在地球内部的传播形式（McFadden,2007）^[1]

图7.1是目前采用的体波——P波和S波在具有多层结构的地球内部传播路径示意图。图7.1（a）中的P、PP、PPP代表在同一地层内P波的传播路径；图7.1（b）中的PCP代表P波遇到下部地层分界面后，又反射回地表时的传播路线，PKP代表P波穿过下部地层分界面后，又反射回地表时的传递路线PKIKP代表P波穿过下部地层分界面后继续向下传播，在更深的地层界面处又反射回来，最后返回地表时的传播路线。

据现有资料介绍^[2]，地震纵波（P波）和横波（S波）在地球内部各地层中的传播速度与各个地层的密度和弹性的大小有关。在理论上，它们之间的关系如下：

V_P =[(k+3/4)μ/ρ]^1/2                   

V_S=（μ/ρ）^1/2                      

式中：V_P为纵波（P波）速度，V_S为横波（S波）速度，k为介质的体变模量，μ为切变模量，ρ为介质的密度。

根据目前的研究结果，地震波在地球内部传播时纵波快，横波次之，面波最慢。通常情况下，在地壳里纵波的波速一般为6/s，横波波速为4/s，面波波速为3/s。下面是某次地震中一个高精度地震仪上记录到的径向，横向和垂向地震波样板^[1]（图7.2）。

                                图7.2地震仪上记录到的径向，横向和垂向的地震波样板 

从图中可以看到：P、S、PP、SS、PKKP、SKKS 等各种波形（震相）的出现位置和先后顺序。将如上所示的地震波样板，根据它在地球表面所处的不同位置，按照一定的规律排列起来，然后再经过一些数据处理后，就可以得到如图7.3所示的地震波震相走时（旅行时间）曲线。

图7.3是地球上某处发生地震时，在地球表面不同位置的地震台站上测得的地震波各震相（P、PP、S、SS等波列）的旅行时间曲线（地震波的旅行时间与距震源中心距离（角距）之间的关系曲线）。（注：在地球表面，角距为1°所对应的长度约等于111）。

 

图7.3地震波震相走时曲线^[1]

 

地震波震相走时曲线上的屏蔽区（阴影区）

众所周知，在距离地震中心越近的地方，感受到的震动就越强烈；距离地震中心越远，感受到的震动就相对较弱。同样，在地震波记录仪器上记录到的地震波信号也与距离震源的远近（角距）有密切关系。

在对地震波的长期实际观测中，人们发现体波（P波和S波）可以从比较小的距离到比较大的距离连续地追踪，但是在距离震源角距为103°～142°左右的范围内，体波突然“销声匿迹”，出现了一个“P波和S波屏蔽区”，人们习惯上称之为P波和S波“阴影区”或“影区”。过了这个“影区”后，（从142°至180°）延迟了的P波又出现了，但S波却不见了（图7.4）。

                              图7.4地震波在地球内的传播形式

图7.4中：

Ⅰ区为P波和S波传播正常区；

Ⅱ区为P波和S波屏蔽区（阴影区）；

Ⅱ区和Ⅲ区为S波屏蔽区。

对此，一些专家认为，在地球内部一定存在一个液态地核，是液态地核吃掉了S波。 

7.1.2地球速度结构模型

根据上述地震波的传播特性，以及P波和S波在地球内部的传播形式（图7.4和前面的图7.1），人们把地震波走时曲线（图7.3）上各点的旅行速度（旅行距离与旅行时间的比值），同地球是一个多层的实心球体的假设联系在一起，进而做出了各种地球速度结构参考模型。如：IASP91 、JB和PREM等。参见下图。

                          图7.41地球速度结构参考模型

 

图7.5是与地球速度结构参考模型对应的地球内部结构图。图中，左侧为P波和S波速度与地层深度的关系曲线，右侧为地球内部结构模型。

                         图7.5地球内部速度结构图

从图7.5中可以看出，左侧有不同的地震波传播速度，右侧就有不同的地球内部结构与其对应，左侧的P波和S波速度曲线上的速度突然下降区（影区）（2900～5100km）正好与右侧的地球外核部分相对应。

根据目前的研究结果，地球的内部结构（径向分层结构）和地震波传播速度之间的对应关系见表7.1。 

 

表7.1地球内部结构数据统计表^{[2，3，4，5]}

地层			S 波km/s	P波km/s	深度 km	密度g/cm3	矿物、岩石类型
地      壳	海底第一层	上地壳	（3.7～3.8） （括号内为上地壳和下地壳的数据）	2.2（6.5～7.2）	厚度0～1.56	1.46	沉积层
	海底第二层			5.19 （6.5～7.2）	厚度2.1～3.4	2.4（2.65）	辉长岩、拉斑玄武岩等
	海底第三层	下地壳		6.81 （6.5～7.2）	厚度4.62	（2.9） 3	辉长岩层 等
莫霍面					33(大洋7～8　大陆20～70)
地    幔	盖层B1	上地幔B层	4.5	8.1	33～60	3.37	橄榄岩+辉岩
	低速层B2 软流圈		4.4	8.0	60～220	3.36	橄榄岩
	均匀曾B3		4.7	8.7	220～410	3.48	橄榄岩 （有争议）
	过渡带层 C层				410～670	3.72 3.99
	下地幔 D′层、D”层		13.75		670～2900	4.73 5.55
古登堡界面					2900
地核			8.1～11.25
矿物、岩石密度参考：2.89～3.05地球辉长岩；2.93～3.06地球苏长岩；2.71～2.81地球斜长岩；4.7静海石（新）；4.64低铁假板钛矿（新）

 

7.2地震波震相走时曲线上的P（S）波屏蔽区和空心地球壁厚

通过前面的介绍，已经对地震波的传播路线、P波和S波屏蔽区（阴影区）和地球速度结构模型等有了初步的了解。然而，上述理论是建立在“地球是一个具有多层结构的实心天体”基础之上的。实际上地球究竟是不是实心天体，地震波在地球内部的传播路径究竟是什么样的，目前还无法验证。

根据前几章的介绍，地球是由东飞星大爆炸后形成的，它是一个壁厚只有几百千米的空心球体。因此，上述地震波穿过地核及液体外核的假设在现实中根本不存在。那么地震波震相走时曲线和速度曲线上的P（S）波屏蔽区（影区）究竟是应怎样形成的呢？请看下面的分析。

 

7.2.1地震图与地震波震相走时曲线的来历

 

7.2.1.1全球地震台网

为了研究和监测地震，科学家在世界各地已经建立了全球地震台网（如IRIS、GSN等）。每当地震发生时，这些地震台网中的地震波接收台站，就会把世界各地不同位置地球表面的振动情况详细地记录下来，从而为监测和分析地震提供地震波样本。

图7.6是全球地震台网示意图，从图中可大致看出地震发生时，地震波接收台站与震源之间的位置关系。

  

图7.6全球地震台网示意图

 

7.2.1.2日本9.0级大地震地震波样本

2011年3月11日，日本当地时间13时46分，在西太平洋国际海域发生了里氏9.0级大地震，震中位于北纬38.1°，东经142.6°，震源深度约10。这次地震是有记录以来，地震震级位居全世界第三位的大地震。（1960年发生在智利的9.5级地震和1964年阿拉斯加的9.2级地震分别排第一和第二位）这次地震引起的全球各地地表的震动情况，全球地震台网有详细的记录。现将其中的几个样本展示如下（资料来源： 互联网www.iris.edu， 2011-8）。

1 ERM.II ( 3.74°/9°/270.57)

Station: ERM - Erimo, Hokkaido Island, Japan 日本
Network: II - Global Seismograph Network (GSN - IRIS/IDA)
Lat纬度: 42.02 Lon经度: 143.16 Elev高度: 40.00 
Event Name: 20110311_054623.7.spyder
Available Channels: BHE,BHN,BHZ,LHE,LHN,LHZ
Available Locations: 00 

图7.7日本9.0级大地震地震波样本

2 YSS.IU ( 8.64°/1°/70.96)

Station: YSS - Yuzhno Sakhalinsk, Russia俄国 
Network: IU - Global Seismograph Network (GSN - IRIS/USGS)
Lat纬度: 46.96 Lon经度: 142.76 Elev高度: 150.00 
Event Name: 20110311_054623.7.spyder
Available Channels: BHE,BHN,BHZ,LHE,LHN,LHZ
Available Locations: 00 

图7.8日本9.0级大地震地震波样本

3 MDJ.IC (11.46°/307°/.98)

Station: MDJ - Mudanjiang, Heilongjiang Province, China中国 
Network: IC - New China Digital Seismograph Network
Lat纬度: 44.62 Lon经度: 129.59 Elev高度: 270.00 
Event Name: 20110311_054623.7.spyder
Available Channels: BHE,BHN,BHZ,LHE,LHN,LHZ
Available Locations: 00 

图7.9日本9.0级大地震地震波样本

从上面这些样本上可以看出，地震发生时，在地球表面不同地方的地震波样本有很大差别。并且即使在同一点上，不同方向上的地震波波形也不一样。这里所选的样本只是其中一个方向（BHZ方向）的波形样本。

 

7.2.1.3日本9.0级大地震震相走时曲线介绍

下面，就以这次日本的9.0级大地震为例，看看P波和S波走时曲线是怎样做出的。

 

图7.10日本9.0级大地震0.05-0.2Hz、BHZ的地震波各震相走时图

（注：为了与以前的走时曲线相对应，坐标轴的方向与原图不一致）

（资料来源：互联网www.iris.edu，2011-8）

 

 （1））将世界各地的地震波样本，按距离震源的远近顺序排列在一起，就可形成如图7.10所示的地震波震相走时图。将相同或相关的震相用直线连在一起就形成了地震波震相走时曲线——地震图（图7.11）。

图7.11 IRIS日本9.0级大地震地震波震相走时曲线

（注：为了与以前的走时曲线相对应，坐标轴的方向与原图不一致）

（资料来源www.iris.edu ，2011-8）

（2）） 将图7.11中相同的震相（波列）连在一起，就可以得到该震相（波列）的走时曲线。图7.11是 IRIS根据日本9.0级大地震0.05-0.2Hz、BHZ的地震波震相走时图拟合出的震相走时曲线。图中的P、PP、PPP和S、SS、SSS分别是P 波和S波不同震相的走时曲线。

在图7.10和图7.11中，除了可以看出各震相的走时外，还可以清楚地看出P波和S 波震相的第一个衰减区（低速区）大约位于角距为10°～50°左右，第二个衰减区（屏蔽区或阴影区）大约位于103°～142°。