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味
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地
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震
xue
學
中國 地震學會—地球科學科普欄目
地震科普—地震波之魂——S波
看天上的星星盡顯光輝
賞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 波的蛻變
房子不怕顛，就怕來回晃。
酥在顛勁上，倒在晃勁上。
——地震諺語
地震波很復雜， 基本成分六七 種（圖16-1）。造成房倒屋塌的元兇是一種特殊的波動——學名剪下波（Shear wave，簡稱S 波），別名橫波（Transverse）， 又稱「大S」。振動方向與波的傳播方向垂直。
不難理解， 建築物的重力向 下， 地面的上下顛動當然不會引起實質性破壞， 但房屋經不住水平方向的搖晃。土石墻推上幾十下沒有不倒的， 角力的掃腿功夫更是關鍵的一招。
偏偏大S 的主要分量是水平向晃動，十分劇烈，沒完沒了。
難怪叫它橫波，就是那個滿臉橫肉、橫沖直撞、橫行鄉裏、橫不講理的波！房屋抗震，也不是什麽亂七八糟的都要抗，關鍵是要抗禦橫波的剪下破壞。
應對它，就得查八輩。從出生開始查起，直到它的蛻變、旋轉、分裂和消失…… 它在每一個階段都有特殊性，應對辦法和利用之處都有所不同。
圖16-1 地震波的基本成分
16.1 S 波的出生
◆ S 波的激發
構造地震的發生是巖體的剪下位錯。 圖16-2 所示是一種逆沖型剪下位錯——斷層的上盤巖體向上方出現了錯動（如箭頭所示），汶川地震的震源位錯就是這種方式。
震源的剪下位錯當然會在連續介質中引 出下一個問題：它會牽動緊鄰的微小單元也出現剪下應變，且一個微小單元的變化又牽動到下一個……像水波一樣越來越廣，四面八方散開，這就是剪下波動的傳播了。
所以說，S 波從剛誕生的那一刻起，每 根汗毛孔都充滿了剪下位錯的形變，整個一個震源位錯的動態化身。地球體內，唯有地震才能夠激發出S 波，沒有第二家。
圖16-2 斷層的逆向剪下位錯
當然，地震震源也會激發出另一種膨脹- 收縮性質的波動——縱波（P 波），它 的振動方向與波動射線平行，傳播速度比S 波快。但是，地震波80% ～ 90% 以上的能量是交給正宗傳人大S 的。於是，在估算地震能量、震級、烈度時，在分析震源機制、波動關系時，在抗震設防、構建房屋時，主要考慮的不是P 波，而是S 波。
剪下，是問題的關鍵。
沒有剪下的震源，就不是構造地震；沒有大S，地表的振動就成不了氣候。甭管 山石滾落、彈藥爆炸、作業施工、廣場跳舞……哪怕震耳欲聾，都激發不出S 波。
為什麽會發生剪下位錯呢？原因有三：
一是巖體內部存在原生的斷層弱化面；二是板塊運動產生了強大的構造應力；三 是地球內部沒有多余的、空閑的自由空間。當高壓之下的巖體被逼到了絕境，除了被壓縮到只剩塊骨頭外，只能用位錯換和平！
斷層兩側的夥伴們，女士們、先生們請註意啦！
勞駕您那側的巖體向左邊移動點，我這側往右邊多占點（圖16-3），誰都沒吃 虧，但能夠舒緩外部壓力。宛如擁擠地鐵裏的乘客，多余空間沒有了，大家只能相互挪動、多多關照，壓力必然減少！雙方沿著接觸面的位錯運動會成剪下形態，故命名「剪下位錯」——科學上的一個美麗又好聽的名詞。
別忘了，位錯有兩種形式：一是平移；二是旋轉。地鐵車廂裏的乘客都有經驗。
圖16-3 震源球體的力學模型
數學上，剪下位錯的受力由成雙的主壓應力P 和成對的主張應力T 表征，按此 計算出的P 波和S 波的理論地震圖能較好地吻合實測記錄。
◆ S 波的傳播
在彈性波動的理論上，英國·蜜雪兒（J Michell）和法國·帕松（S D Poisson， 圖16-4）做了很大貢獻。
圖16-4 蜜雪兒（1724—1793）和帕松（1781—1840 ）
前者在1755 年裏斯本地震後投入了研究，估算了裏斯本地震的波速值，並於 1760 年提出：地震波有兩種型別——快速傳播的顫抖和慢速的水平晃動。數學家帕松的成就很多，1829 年對完全彈性體建立了嚴謹的波動方程式。這些成果後來被英 國·米爾恩（J Milne）和德國·帕什維茨（E von Rebeur-Paschwitz）的觀測所證實（圖16-5）。
圖16-5 地震縱橫波及其記錄圖
研究表明， 地震波之魂是 S 波：
● 固體內， 唯天然地震才 會激發出S 波。液體不能傳播S 波；
● S 波是形成面波、自由 振蕩和地面旋轉的主要因素，界面上會和P 波相互轉換；
● S 波的橫向震動， 是相 對於射線徑向而言的。它在三維空間裏可以分解為入射（垂直，Vertical）平面裏的分量SV和水平（Horizontal）平面裏的分量SH（圖16-6）。在各向異性介質內， 這兩個分量的波速會不同， 觀測中的到達時間就不同，顯現出「分裂」現象。
圖16-6 S 波分解成SV 和SH 兩部份
16.2 S 波的蛻變
◆ 面波
地震面波和自由振蕩常不為人知，在情理之中。因為二者確實不是由震源發出 的，而是P 波和S 波離開震源一段距離之後，一邊走路一邊「打架鬥毆」衍生出來的！
諺語「慢慢晃，慢慢搖，九十裏外等著瞧」，汶川地震時北京、廣州感到的搖 晃，都是面波現象。
謎底的破譯歸功於兩位英國人（圖16-7）。
圖16-7 瑞立（1842—1919）和勒夫（1863—1940）
瑞立（L Rayleigh）曾因發現氬、氦，氪和氖等惰性瓦斯以及對空氣密度的研 究，獲得1904 年諾貝爾物理學獎。1885 年奠定了彈性面波的理論基礎，1887 年預見了一種面波（Surface Wave），命名瑞立面波。勒夫（A Love），1909 年曾經對地球的彈性引進過兩個勒夫參數h 和k，對表征固體潮的「潮汐因子」很有用，還預見到地球的自由震蕩。1911 年，他的大作【地球動力學問題】（Some Problems of Geodynamics）預見了另一種面波，命名為勒夫波（圖16-8）。上述理論結果均得到觀測的證實。
遠離震央的地方是觀測不到S 波的，但它並沒有消失，而是蛻變成了面波！
圖16-8 兩種地震面波
形成面波的前提是必須有層狀結構，導致縱橫波多次反射繼而幹涉。SV 波與 P 波在層界面與地球表面之間的幹涉形成了瑞立波，SH 波和SH 波的幹涉形成了速度更快的勒夫波。面波和導波（一種沿地下內界面傳播的波）均屬於漏能（Leaking Energy Wave）性質的波動，則標註為L 並輔以字標Q、R 等來區分，都以能量耗損最小的方式前行，繞地球兜上幾圈，絕對是小菜一碟。破壞性均不大，也都存在頻散現象。
月球上的震動稱之月震（Moonquake），記錄中沒有發現面波。故而可以推測： 月球淺部是極其破碎的，沒有層狀結構，也就不存在板塊構造。
◆ 地球自由振蕩
圖16-9 表現了2011 年日本Mw9.0 地震的面波波陣面，波峰的環狀條帶傳播到 南美的震央對跖點時會匯聚，形成了一個儼如新的「震源」。再反方向撲回到震央，反復多次，自然又會「打架鬥毆」！
圖16-9 面波波陣面的傳播
由於往返的面波只能在兩個固定點（震央和對跖點）之間幹涉，於是疊加後的 波峰和波谷的位置就動彈不了，遂呈現出不同振型的花樣——駐波（圖16-10）。兩瑞立波的幹涉形成球型振蕩，兩勒夫波的幹涉形成環型振蕩，二者統稱地球自由振蕩。振幅更弱，周期更長（從4 ～ 100min），只在研究地球參數時才會利用。
圖16-10 地球自由震蕩的兩種型別
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圖文來源：【趣味地震學】
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來源：中國地震學會
