应用地震波 | 除了搞破坏地震波还能...
发布日期:2023-09-18 16:59:53 信息来源:editor_dzzx

      

开篇的话


地震的孕育和发生本质上是一个地下能量积累、释放的过程,这个过程伴随着很多地质、物理及化学指标的变化,通过观测记录这些变化可以实现对地震过程的刻画,进而认识和理解地震。在地震发生之后的诸多现象中,最明显的是地面的连续振动,这是由于地震过程中部分能量以弹性波的方式向四周传播所致。


地震波的破坏作用我们已然知晓,但凡事都有两面性,这个系列就是以“地震波的应用”为主题展开的。


说起人类对地震波的利用能力,离不开相关的理论研究,这就要追溯到17世纪的欧洲。


1678年,英国物理学家胡克发现了材料的弹性性能,并提出了胡克定律,也称作弹性定律,即在弹性限度内,弹簧受到的拉力和弹簧的形变成正比。


胡克定律不仅是力学基本定律之一,还具备了更为广泛的意义,即一种科学的研究方法——能够将现实世界中复杂的现象作抽象简化。这也为地震波的研究提供了基础。


图片


1761年,英国地震学家约翰.米歇尔发表了第一篇关于地震波的文章,文章指出,地震波就是在岩层中传播的弹性波(弹性波意味着“在弹性介质中传播的波”,也就是把传播地震波的岩石看作是以弹性为主的弹性介质)。


他同时提出,如果在多个地方观测地震波,可以确定地震发生的位置。


小贴士

也许有人会提出疑问,为什么坚硬的岩石能够被视作弹性介质?在较大地震的震中区,岩石肯定会产生破碎,这种不可恢复的形变与弹性介质之间的冲突又该怎么解释呢?


答案是,无论是天然地震还是人工地震,振动对地下岩石的作用力都很小,而且作用时间也很短,不会引起岩石的形变,故而适用于弹性波理论。


在极端的情况下,也就是当震源区的岩石发生急剧的破裂和运动时,确实会在震中周围形成范围不大的破碎区和塑性区,但随后会迅速过渡到广阔的弹性区。这样的振动向地球内部和表层各处传播开去,在更为宏观的视角上,我们将其视为在连续介质中传播的弹性波。

图片


时间来到1821年,法国物理学家纳维建立了弹性体平衡和运动的一般方程,关于弹性波的研究进一步展开。


1828年,法国数学家和物理学家泊松在研究弹性介质中波的传播问题时,发现了弹性波的两种基本类型:纵波和横波。


人们根据地震纵横波在地下传播速度的变化,得出了地球内部构造分层。这两个速度差异明显的分界面,一个是于1909年发现的莫霍洛维奇不连续界面(地下33),另一个是1914年发现的古登堡界面(地下2885KM)。据此,地球内部的三个圈层被划分出来:地壳,地幔和地核。


图片


1885年,英国物理学家瑞利研究发现,除了在地球内部传播的纵波和横波外,还有一种在地表面传播的弹性波。


这类波的传播速度相对较小,但是携带的能量相当强,浅层分辨率高,还具有非常明显的频散特性。这种特性能够反映不同深度的介质情况,从而对地下的成层结构进行探测,并逐步开始为寻找油气田或其他勘探目标服务。


图片


1907年,德国物理学家佐普利兹建立了弹性波反射系数方程,准确描述了地震波的反射和折射行为。自此,基于一系列精密的计算公式,人类对地震波的应用进一步推广到了工程勘察、空洞探测、工程无损检测、地质灾害勘察等领域。


1912年,俄国地震学家加里钦说到:“可以把每次地震比作一盏灯,它燃着的时间很短,但照亮着地球的内部,从而使我们能观察到那里发生了些什么。这盏灯的光虽然目前还很黯淡,但毋庸置疑,随着时间的流逝它将越来越明亮,并将使我们能明了这些自然界的复杂现象……”


一百多年后的今天,基于地震波的科技发展证实了这一预言的正确性,以“地震波、应用”为关键词,在知网搜索得到1103篇文献,所涵盖的领域包括地质、地球物理、矿业工程、建筑科学、石油天然气工业、公路水利等30余个学科领域。


图片


后续内容将围绕地震波已得到广泛应用的领域以及未来应用前景等方面展开。


来源:地震三点通