趣味地震学 | 地震波之魂——S波（2）

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中国地震学会—地球科学科普栏目

地震科普—地震波之魂——S波

看天上的星星尽显光辉

赏地下的河水肆意奔流

16、地震波之魂——S波

16.3　S 波的旋转

16.4　S 波的分裂

16.5　S 波的消失

房子不怕颠，就怕来回晃。

酥在颠劲上，倒在晃劲上。

——地震谚语

16.3 S 波的旋转

大S 干过的坏事真是罄竹难书，既有现行还有旧账：烟囱、墓碑、立柱类的建筑都遭受过旋转破坏，扭转角度少则几度多至二三十度（图16-11）。

图16-11　地震波旋转运动的破坏

地震波的旋转，早就知道，但重视不够。既缘于经典胡克（Hooke）定律不完备，没有计入应变的反对称部分，更由于10-5 ～ 10-9rad/s 的旋转变幅太小，致使20 世纪50 年代已建立的旋转运动方程［1］一直被束之高阁。

现今，悬索桥、高架桥、大跨度、跨海隧道越来越多。世界前十名的最高建筑里，半数以上在中国（高度528 ～ 729m），再忽略旋转效应将十分危险。2006 年，国际上成立了旋转地震学专业工作组（IWGoRS），正在大力攻关［2，3］。

需要明确：连续介质的变形，总包含平移运动（translation）和旋转运动（rotation）两项。前者是两点间距变化引起的单元体积的改变，后者是两点间距（如图16-12中的对角线AD）保持不变的转动。

常规地震仪都是速度计，只能测到速度三分量Vx、Vy、Vz（图16-12），再经时间积分给出平移位移量u、v、w，并没有直接测到旋转量ω。地倾斜仪尚能测到一些，比如EW 向倾斜量对应NS 轴向的旋转。

大S 并非纯粹的横向运动，还会发生微单元的旋转，但又绝不是自由空间中的刚体转动！不会出现某个村庄绕着一座高山大转圈的现象。P 波是纯应变波，与旋转无直接关系。已经观测到了SH 波和勒夫波产生的轴向垂直的扭转运动，传播速度与S 波一致［3，4］。在地表层的速度足够低时，地震波的旋转效应很大，有可能是导致建筑物破坏的重要因素［5，6］。

图16-12　地震观测和旋转变形

利用地倾斜资料， 揭示了2017 年四川九寨沟Ms7.0 地震的旋转场［7］， 旋转效应集中在震中附近约150km 范围内， 主要分布在近垂直于断层走向的区域（图16-13）。

图16-13　地面旋转图像［7］，（a）和（b）分别是旋转的EW 和NS 分量

16.4 S 波的分裂

◆地震预测

20 世纪70 年代发现的S 波分裂，是地震学的一个重要进展。英国学者S Crampin于1981 年建立了物理模型。

S 波入射到一个排列规则的裂隙（即各向异性）区，会分裂成顺着裂隙方向偏振的快波SH 和一个垂直于裂隙方向的慢波SV（图16-14），类似于光学中的双折射。裂隙密集度越高，快慢波的时间差Δt 越大、应力水平越高。S 波分裂的测定简单、分辨好，物理基础扎实。

根据冰岛台的S 波分裂，Crampin 曾在1999 年成功地预测了一次冰岛5.0 级地震。

前5 次的3.5 ～ 5.1 级地震前的S 波分裂有个特点［8］：快慢波的时差Δt 线性加大，临震前降低（图16-15）。这可能是应力积累到一定水平后，微裂隙向发震断层面簇集而导致的应力松弛。

图16-14　在微裂隙岩石中的S 波分裂

图16-15　S 波分裂的时间延迟在地震和火山喷发前的变化

1998 年10 月27—29 日他们向冰岛气象局发出了预测意见。当年11 月13 日在震中距2km 处，罕见地发生了一次5.0 级地震。还发现，世界上有14 次1.7 ～ 7.7级地震和3 次火山喷发前也存在类似现象［9］。

◆SKS 分裂的空间变化

从震源出发的S 波会在路途中出现振动性质的转换。比如SKS 震相，它两次通过核幔边界，先从S 波转换成P 波，再从P 波转换成S 波（图16-16）。

图16-16　SKS 波分裂的空间变化

由于S 波携带的震源区的各向异性会在液态外核段（这里只存在P 波）完全消失，而下地幔又是各向同性的，故而接收区的记录里通常仅有SV 分量。一旦在观测中发现了SH 分量，说明S 波在接收区的上地幔部分肯定发生过分裂，从而可确定深部橄榄石的晶格优势方位、板块运动和深部力学状态。

有一些接收区台站的下方也会存在S 波未分裂的情况。这个时候，可以利用该台附近的参考台站，由参考台记录到直达S 波的分裂，进而揭示出震源区的各向异性，而且是全球不同深度的各向异性信息（图16-16）。

此类研究，是当下一个热点课题。

16.5 S 波的消失

◆液体不能传播S 波

水是液体，液体的剪切模量是零，不承受和传递剪切应力，也就没有S 波。因此，海里的船舶会免遭地震破坏，亦无海啸吞噬之患（图16-17）。水下通信和海洋勘探，只能用纵波P（即声呐）。

这个好机会，人类当然要抓住了！

1. 发现地核结构

1914 年，德国犹太裔专家古登堡（Gutenberg）发现：在震中距大于103°（1 度约为110km）的地方就再也记录不到S 波了，而且直达P 波也进入影区，射线最低点在2 900km 深处。这说明，在这个深度以下存在液态地核，该界面被命名为G（图16-18）。当时，古登堡才25 岁。

图16-17　S 波在水中消失

图16-18　莱曼（1888—1993）与地核的发现

1936 年，丹麦女地震学家莱曼（I Lohmann）又发现：在震中距大于143°的区域又能观测到P 波，还发现了内核界面的反射P 波震相，证实P 波的影区仅在103°～143°的局部范围。这就证明地球内核又转变成固态了，界面深度约为5 000km，命名为L 界面。

2．建设浮动核电站

核电站的选址难度犹如上青天，一二十年的勘探都有可能拍不了板。难在哪里？地震安全性的标准远高于水电站，核反应堆的运行还需要巨量的冷却水。近年有办法了：既然海水中没有S 波，制冷水又容易解决，那么安全、快捷、节约的好办法莫过于在海船上建造核电站，经海底电缆向陆地供电。

美国最早起步，他们在1968 年就把该想法应用到巴拿马运河区。俄罗斯于2019年底建造成功，已在北冰洋沿岸工作（图16-19）。我国正建造一座200MW 的小型海上核反应堆，可向岛屿和海洋作业船提供电、热，并淡化海水。

图16-19　俄罗斯首座浮动核电站

◆核监测

《全面禁止核试验条约》于1996 年签约，但没有真正生效，美国议会至今都没有接受（图16-20）。据悉，美国在2019 年2 月悄悄进行过一次未产生爆炸的亚临界核试验［10］，他们一直在研制低当量或零当量的核弹。因此，各国对核试验的监测工作，也就始终没有停止。

图16-20　1945—2017 年间全球核爆次数（左：斯德哥尔摩国际和平研究所）和美国内华达地下核试验场（右图）

监测核试验的地震学基础：核爆是深度浅的膨胀源（图16-21），不能直接激发出S 波。

图16-21　爆炸震源和P 波辐射图样

图16-22 所示为牡丹江地震台记录到的朝鲜3 次核试验，以P 波和纵向多次反射波为主，确实没有S 波。

此外，分析体波震级ML 和面波震级MS 的关系，也是识别核爆的有效途径——它的S 波成分小、面波弱，其面波震级相对地震波的会系统偏低。应注意的是，小当量（＜ 12kt）的核爆很容易与2 级地震混淆，难以识别。

图16-22　核爆在记录图和震级测定上的差异

篇幅所限，S 波的故事只能讲到此。

在图16-23 的分形图案里，3 个基本元素是三个正方形，它们的关系（a2 + b2 =c2），即勾股定理（西方称“毕达哥拉斯定理”）。

挂在参天大树上的苹果，琳琅满目。我们只不过摘了个横波S，闻了闻，尝了尝。而地震波的“苹果”多达100 多种！仅国际上规范的名称就有69 种，个个清香可口，有着说不尽的故事，道不完的甘美……它们携带着地球内部的各种秘密和情报，可不敢小看每个小苹果呀！

图16-23　地震波的苹果树

听到了吗？孩子们正唱着民歌：

路旁的花儿正在开，

树上的果儿等人摘。

远方的客人请你留下来，

请你留下来……

○参考文献

［1］考尔斯基 H. 固体中的应力波［M］. 王仁，译. 北京：科学出版社，1958.

［2］ 张佩，刘文义，袁艺，等. 旋转运动在地震学中的应用概述［J］. 中国地震，2018，34（1）：1-13 .

［3］ 蒋祉涵，魏文晖. 地震动转动分量研究综述［J］. 建材世界，2019，40（4）：79-82.

［4］ 顾浩鼎，陈运泰. 旋转运动、旋转矩定律及弹性介质动力学关系［J］. 科学，1997，49（6）：37-39

［5］ 刘庚，刘文义，路珍，等 . 地面运动旋转分量观测综述− 以中国台湾地区旋转运动观测为例［J］.地球物理学进展2020，35（2）：422-432.

［6］ Jaroszewicz L R，Kurzych A，Krajewski Z，et al. Review of the usefulness of various rotational seismometers with laboratory results of fibre-optic ones tested for engineering applications［J］. Sensors，2016，16，2161. doi：10.3390/s16122161

［7］ 周聪，曾祥芝，王庆良，等. 基于地倾斜数据的九寨沟Ms7.0 地震旋转运动场构建［J］. 中国科学（地球科学），2019，49（5）：811–821，doi：10.1360/N072018-00107.

［8］ Crampin S，Volti T ，Stefa´nssonR. A successfully stress-forecast earthquake［J］.Geophys. J.Int.，1999，138：F1–F5.

［9］ Crampin S，Gao Y. Evidence supporting new Geophysics［J］. Earth and Planetary Physics ，2018（2）：173–188. doi：10.26464/epp2018018

［10］ NHK. Washingtin mulling nuclear rtest explosion［N/OL］. US paper，2019-05-23［2020-06-11］. https：//www3.nhk.or.jp/nhkworld/en/news/20200523_16/

图文来源：《趣味地震学》

来源：中国地震学会