传播的地震波怎么就转了性?

PanSci 2013-11-01 17:47

地理科学课本上，大家都学过地震波分P波与S波，也看过这两种地震波波速的变化图。但大家有没有想过，外地核是液态的，S波无法穿透，而内地核又会有S波的波速，既然无法穿透，那S波又是怎么再度出现的？科学家又是如测量S波在内地核的波速？的确，就文字逻辑上的判断，这是不容易理解的。

欲解迷题，先复习高中物理

其实，要认真解答这个问题，最好先复习下以前的高中物理，知道“波”的本质是什么，就可以轻松的理解，为什么S波会在内地核出现，而科学家们是怎么知道S波传递的速度了。

P波与S波波速随深度变化与地球的分层构造。图片摘自维基百科，作者Brews ohare以Creative Commons3.0授权。

高中物理课本，以声音为例，让大家知道了两种机械波的传递方式，分别为“纵波”与“横波”，当时是以声波作为纵波的例子，而横波则用绳波来举例，还有一点更重要的附注是“介质不随波动传播”，也就是不管波怎么传递，往前跑的只有能量，没有任何物质。也就是说，我在这边大喊，你在那边接收到的只有我发出的声音的能量，而不是我这边的空气分子。

同样的道理，地震波在地球内部传递时亦同时有P波和S波两种，P波的传递方式类似声波，S波则有点像是绳波一般，介质的运动和行进方向相垂直，这里说的“介质”，其实就是你我脚下的地壳、岩石。

各种地震波的质点运动方式示意。图片摘自台湾中央气象局地震百问。

接下来需要了解的就是光的折射与反射了。无论是P波与S波，很幸运的和光线一样，遵循着“斯涅尔定律(Snell’s Law， 又名折射定律，也即当光波从一种介质传播到另一种具有不同折射率的介质时，会发生折射现像，其入射角与折射角之间的关系，可以用斯涅尔定律来描述)”，入射角与折射角的关系，和介质的折射率有关。对于地壳中的岩石来说，岩石的种类就会影响波的速度，在界面上也会发生折射的现象。无论是P波和S波，从低速层到高速层时，就会偏离法线，反之则会偏向法线。从地壳到地核，除了软流圈和外地核之外，大致上是越往内部密度越大，而波速也随之增加，在经过地球剖面的各种地震波的波线，也是会呈现弧形的折射结果。

斯涅尔定律与多层折射的情形。

基础知识复习完毕，探寻地震波转性问题

接下来我们要切入问题的核心，从地函到外地核，一直到内地核，地震波究竟是怎么样传播与变化的呢？

P波的阴影带成因，图片取自USGS http://earthquake.usgs.gov/learn/glossary/?termID=170&alpha=S。

首先是从地函到外地核.一般认为外地核为液态的主要有两个原因：

S波在地函—地核接口会完全反射，无法穿透。

P波经过外地核时，先偏向法线折射，因而造成104度至140度间存在一个阴影区，记录不到地震波。

这是高中地理课本上的内容，但课本上并未再深究另一个事实，也就是在外地核—内地核接口上发生的“波相转变”，P波在遇上各种不同的界面都会有一部分转成SV波，然而在外地核—内地核的边界上，这个转换波变的更加重要。

“等等，怎么突然冒出什么SV波的？”想必大家一定会这么问，P波在遇上不同物质交界的时候，如果不是以90度角直射，多少在交界上的质点都会产生与S波相同的运动行为，而这样的S波，又会依其与界面的关系，分成垂直于交界面的SV波，和平行于交界面的SH波，其中SH波的质点运动在通过交界后不会有任何的变化，但SV波则会和P波在接口上发生质点互换的行为，造成P波转SV波、SV波转P波的现象。

因此理论上，P波在进入内地核后，会有一小部分转为SV波，而通过内地核的SV波，也无法直接出去再回到外地核，唯有部分由SV波转换成P波的波动再度被传出去，最后再回到地表的测站，这样特殊的波传路径，学术上以PKJKP(注1)来命名其波相(注3)。不过，从P转SV再转回P的能量衰减非常多，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，从波动方程式与斯涅尔定律上的推导，是可以证明这个波相存在，经由对大地震的分析，也有越来越多的数据能够佐证(注2)。

P波转换成SV波的示意。

PKJKP波的路径(中间转成SV波)。

理论是理论，真实情况仍等探究

最后，与大家再分享一个信息，目前的钻井技术，也只不过10公里出头而已，因此至今我们还没有技术了解地底下数百至数千公里的实际状况，仅能透过地震波来推测构造，以观测到的陨石成份、实验室里进行高温高压的实验来探讨地球的内部情况。

像是地核是铁镍等组成的这种结论，也是经由对陨石分析、地球质量的估算、行星的成因、地球磁场的形成的众多间接的证据而得出的。类似“如何测出内地核中S波波速？”也是经过观察波相、地震波的分析，并用已知的地球组成加以模拟，而得到的结果。这之中只要有一些新的研究出现，就有可能改写已知的教科书内容。

原文发表于PanSci，作者：潘昌志。转载时文字有修改。

本篇文章同时发布在作者博客“地球故事书”。 欢迎大家去看各种关于地球的故事。

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参考数据与延伸阅读：

石油探采时的P波与P转SV波的应用

美国地质调查所：地震仪

国立中正大学强地动实验室：地震波概述

中央气象局：地震百问

注1：早期对PKJKP的相关文献REVIEW

注2：PKJKP的观察(by IRIS)

注3：关于波相的命名(摘自《地球物理学概论》，中国地球物理学会编印，1998)： 震体波的传播路径可经由波线的方式来表示。若我们将穿过地球的波线加以分类，并给予每个波线一个适当的代码，对应于每一类波线的体波即称为一个波相(Wave phase)，以该类对应之波线代码命名。自震源往上传递的纵波和横波，以p, s分别表示。在地函中往下而上传递的纵波和横波分别以P和S表示；在外核中的纵波以K表示；在内核中的纵波和横波分别以I和J来表示；在地函和外核之边界上之反射点，以c表示；在内核和外核之边界上之反射点，以i表示。

地球内部的各种波径名称。图片来自：《地球物理学概论》 ,中国地球物理学会编印, 1998

震中发生在地表的各种波相之走时图。图片来自：《地球物理学概论》 ,中国地球物理学会编印, 1998