qu
趣
wei
味
di
地
zhen
震
xue
学
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
16.1 S 波的出生
16.2 S 波的蜕变
房子不怕颠，就怕来回晃。
酥在颠劲上，倒在晃劲上。
——地震谚语
地震波很复杂， 基本成分六七种（图16-1）。造成房倒屋塌的元凶是一种特殊的波动——学名剪切波（Shear wave，简称S 波），别名横波（Transverse）， 又称“大S”。振动方向与波的传播方向垂直。
不难理解， 建筑物的重力向下， 地面的上下颠动当然不会引起实质性破坏， 但房屋经不住水平方向的摇晃。土石墙推上几十下没有不倒的， 摔跤的扫腿功夫更是关键的一招。
偏偏大S 的主要分量是水平向晃动，十分剧烈，没完没了。
难怪叫它横波，就是那个满脸横肉、横冲直撞、横行乡里、横不讲理的波！房屋抗震，也不是什么乱七八糟的都要抗，关键是要抗御横波的剪切破坏。
应对它，就得查八辈。从出生开始查起，直到它的蜕变、旋转、分裂和消失……它在每一个阶段都有特殊性，应对办法和利用之处都有所不同。
图16-1 地震波的基本成分
16.1 S 波的出生
◆ S 波的激发
构造地震的发生是岩体的剪切位错。图16-2 所示是一种逆冲型剪切位错——断层的上盘岩体向上方出现了错动（如箭头所示），汶川地震的震源位错就是这种方式。
震源的剪切位错当然会在连续介质中引出下一个问题：它会牵动紧邻的微小单元也出现剪切应变，且一个微小单元的变化又牵动到下一个……像水波一样越来越广，四面八方散开，这就是剪切波动的传播了。
所以说，S 波从刚诞生的那一刻起，每根汗毛孔都充满了剪切位错的形变，整个一个震源位错的动态化身。地球体内，唯有地震才能够激发出S 波，没有第二家。
图16-2 断层的逆向剪切位错
当然，地震震源也会激发出另一种膨胀- 收缩性质的波动——纵波（P 波），它的振动方向与波动射线平行，传播速度比S 波快。但是，地震波80% ～ 90% 以上的能量是交给正宗传人大S 的。于是，在估算地震能量、震级、烈度时，在分析震源机制、波动关系时，在抗震设防、构建房屋时，主要考虑的不是P 波，而是S 波。
剪切，是问题的关键。
没有剪切的震源，就不是构造地震；没有大S，地表的振动就成不了气候。甭管山石滚落、弹药爆炸、作业施工、广场跳舞……哪怕震耳欲聋，都激发不出S 波。
为什么会发生剪切位错呢？原因有三：
一是岩体内部存在原生的断层弱化面；二是板块运动产生了强大的构造应力；三是地球内部没有多余的、空闲的自由空间。当高压之下的岩体被逼到了绝境，除了被压缩到只剩块骨头外，只能用位错换和平！
断层两侧的伙伴们，女士们、先生们请注意啦！
劳驾您那侧的岩体向左边移动点，我这侧往右边多占点（图16-3），谁都没吃亏，但能够舒缓外部压力。宛如拥挤地铁里的乘客，多余空间没有了，大家只能相互挪动、多多关照，压力必然减少！双方沿着接触面的位错运动会成剪切形态，故命名“剪切位错”——科学上的一个美丽又好听的名词。
别忘了，位错有两种形式：一是平移；二是旋转。地铁车厢里的乘客都有经验。
图16-3 震源球体的力学模型
数学上，剪切位错的受力由成双的主压应力P 和成对的主张应力T 表征，按此计算出的P 波和S 波的理论地震图能较好地吻合实测记录。
◆ S 波的传播
在弹性波动的理论上，英国·米歇尔（J Michell）和法国·泊松（S D Poisson，图16-4）做了很大贡献。
图16-4 米歇尔（1724—1793）和泊松（1781—1840 ）
前者在1755 年里斯本地震后投入了研究，估算了里斯本地震的波速值，并于1760 年提出：地震波有两种类型——快速传播的颤抖和慢速的水平晃动。数学家泊松的成就很多，1829 年对完全弹性体建立了严谨的波动方程。这些成果后来被英国·米尔恩（J Milne）和德国·帕什维茨（E von Rebeur-Paschwitz）的观测所证实（图16-5）。
图16-5 地震纵横波及其记录图
研究表明， 地震波之魂是S 波：
● 固体内， 唯天然地震才会激发出S 波。液体不能传播S 波；
● S 波是形成面波、自由振荡和地面旋转的主要因素，界面上会和P 波相互转换；
● S 波的横向震动， 是相对于射线径向而言的。它在三维空间里可以分解为入射（垂直，Vertical）平面里的分量SV和水平（Horizontal）平面里的分量SH（图16-6）。在各向异性介质内， 这两个分量的波速会不同， 观测中的到达时间就不同，显现出“分裂”现象。
图16-6 S 波分解成SV 和SH 两部分
16.2 S 波的蜕变
◆ 面波
地震面波和自由振荡常不为人知，在情理之中。因为二者确实不是由震源发出的，而是P 波和S 波离开震源一段距离之后，一边走路一边“打架斗殴”衍生出来的！
谚语“慢慢晃，慢慢摇，九十里外等着瞧”，汶川地震时北京、广州感到的摇晃，都是面波现象。
谜底的破译归功于两位英国人（图16-7）。
图16-7 瑞利（1842—1919）和勒夫（1863—1940）
瑞利（L Rayleigh）曾因发现氩、氦，氪和氖等惰性气体以及对空气密度的研究，获得1904 年诺贝尔物理学奖。1885 年奠定了弹性面波的理论基础，1887 年预见了一种面波（Surface Wave），命名瑞利面波。勒夫（A Love），1909 年曾经对地球的弹性引进过两个勒夫参数h 和k，对表征固体潮的“潮汐因子”很有用，还预见到地球的自由震荡。1911 年，他的大作《地球动力学问题》（Some Problems of Geodynamics）预见了另一种面波，命名为勒夫波（图16-8）。上述理论结果均得到观测的证实。
远离震中的地方是观测不到S 波的，但它并没有消失，而是蜕变成了面波！
图16-8 两种地震面波
形成面波的前提是必须有层状结构，导致纵横波多次反射继而干涉。SV 波与P 波在层界面与地球表面之间的干涉形成了瑞利波，SH 波和SH 波的干涉形成了速度更快的勒夫波。面波和导波（一种沿地下内界面传播的波）均属于漏能（Leaking Energy Wave）性质的波动，则标注为L 并辅以字标Q、R 等来区分，都以能量耗损最小的方式前行，绕地球兜上几圈，绝对是小菜一碟。破坏性均不大，也都存在频散现象。
月球上的震动称之月震（Moonquake），记录中没有发现面波。故而可以推测：月球浅部是极其破碎的，没有层状结构，也就不存在板块构造。
◆ 地球自由振荡
图16-9 表现了2011 年日本Mw9.0 地震的面波波阵面，波峰的环状条带传播到南美的震中对跖点时会汇聚，形成了一个俨如新的“震源”。再反方向扑回到震中，反复多次，自然又会“打架斗殴”！
图16-9 面波波阵面的传播
由于往返的面波只能在两个固定点（震中和对跖点）之间干涉，于是叠加后的波峰和波谷的位置就动弹不了，遂呈现出不同振型的花样——驻波（图16-10）。两瑞利波的干涉形成球型振荡，两勒夫波的干涉形成环型振荡，二者统称地球自由振荡。振幅更弱，周期更长（从4 ～ 100min），只在研究地球参数时才会利用。
图16-10 地球自由震荡的两种类型
○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》
-END-
