转换波分析

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:35:12 #地球物理学,地震学

在地震学与地球物理学中,转换波分析(英语:Converted-wave Analysis)是指分析地震波波相转换的科学。当地震波入射到介质界面时,会同时产生反射横波、反射纵波、透射横波、透射纵波等不同的波相,这些波就称为转换波,也就是C波(英语:Converted-wave),转换波分析就是探讨此间的过程、分析转换结果,并应用于地球物理学或地球物理勘探的科学。

当地震发生时,地震波会被向外发射进入地球深处。当地震波的行进遇到介质不连续的地方,例如固液界面或任何岩石密度有显著改变的地方时,震波造成的质点的振动方式就有可能发生改变。在地球中许多不连续特别明显的地域(例如地幔与外地核的边界),振动方式的改变甚至明显到让一部分的纵波变成横波、让一部分的横波变成纵波。

转换波分析理论最出现于各教科书的应用就是他对于地核中P波—S波转换的解释。地球上,地质不连续最显著的地方就是地幔(固体)—外地核(液体)及外地核(液体)—内地核(固体)的边界。这是因为地震波中包含的S波是横波,无法存在于液体的外地核,故地震波若欲向下传播,在这两种界面上,要先让S波从有到无,再由无到有。而这之中,所有能量移转都要以C波先将S波能量“寄放”于P波中来呈现。关于C波转换的原因,以下是目前通行理论的解释:

当P波行进,遇到不同介质的交界面时,如果不是以90度角直射,都会一定程度上造成界面质点垂直和平行两种方向的运动。这种复合式的运动的震动对从正上方的观察者来看,等价于垂直界面方向的“SV波”和平行界面方向的“SH波”两种“S波”的叠合。SH波的质点运动在通过界面后不会有任何的变化,但倘若SV波再遇到一次界面,则其造成的质点运动会是垂直的,所以又可以等价为P波。因此,地震波在地下行进时,会出现P波变成S波、S波变成P波的现象。

地震波的这种互相转换特性在地球物理上具有重大意义。因为地球的外地核是液态的,从地幔进入的S波无法在其中活动,罔论穿越这层障碍,但是科学家却又在地球的内地核中检测出了S波活动的迹象。目前通行的解释是这种S波是由P波在内外地核的交界上转换形成的,P波得以穿过外地核。然而从P转为SV再转回P波的能量衰减非常大,如何去量度与证明理论的正确性,仍然是地震学家们争论的议题。

关于转换波分析的研究,虽然资料采集和资料分析虽然比一般的地球物理转性方法困难,但是研究C波也能为人类的科学带来许多贡献。以下列举一些常见的转换波分析的应用:

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