7.12唐山古冶地震: 明白地震波 (Seismic Waves) 的分类

1 引言

2020年07月12日06时38分河北唐山市古冶区（北纬39.78度，东经118.44度）发生5.1级地震，震源深度10km。根据中国地震台网，震中距古冶区7公里、距开平区19公里、距滦州市23公里、距丰润区24公里、距路北区27公里，距唐山市28公里，距天津市132公里。

这次地震究竟是1976年唐山大地震的余震还是唐山地区地壳的一次正常能量释放本文不作讨论，唐山地区还会不会发生大型地震也不在本文讨论之内，这些问题得留给地震学家去研究和解答，我们感兴趣的是电视节目插播的这条“地震预警”信息：地震横波将在5秒后到达。如此精确和过于专业的预警表述，只能说我们的地震预警水平太先进了，即使美国的地质调查局目前也做不到这一点，特别是使用了“横波”这个词。不过对于大部分的普通民众，可能并不清楚“横波”的确切含义以及为啥要提及它，作为科普，本文简要介绍一下地震波(Seismic Waves)的分类。  

2 地震波的分类

地震是由于地球内部产生的震动引起的。当震源(Focus) 发出震动信号后，产生的地震波(seismic waves)向地球内部的不同方向和不同介质传播。介质的密度越大，传播速度越快。

地震波分为两大类: 一类称之为体波(body waves),另一类称之为面波(surface waves). 体波，顾名思义就是在地球内部传播的波，严格地来说，它是在地幔以下产生的波 。体波又可以分为两个子类，一个称之为P波, 另一个称之为S波；面波，顾名思义就是在地表传播的波，严格地来说，它是在地幔之上，岩石圈内(岩石圈厚度最大为200km)产生的波。面波也分为两个子类，一个称之为Love波，另一个称之为Raleigh波。

2.1 P波 (P-Waves)---压缩波 

P波中的P代表Primary，确切的意思是主波，也可以理解成Pressure压缩波，P波是地震发生时最早出现的波，也是传播速度最快的地震波，P波只在水平方向直线来回传播，因此中文把它称之为横波，这就是上面的预警信息中提到的"横波"。在水平方向上拉一根弹簧产生的波就是P波，介质的运动方向平行于波的传播方向。P波能够在不同的介质中传播，包括固体，液体和气体。P波在地壳中的传播速度是4km/s到7km/s，在地幔中的传播速度是8-8.5km/s。P波在固体中的传播速度比在液体中的传播速度快，P波在水中的传播速度是1450m/s, 在花岗岩中的传播速度是5000m/s.

已知古冶地震的震源深度为10km，假定在地壳内以相对低速传播，传播速度取最小值4000m/s, 从而可以计算出该P波到达地表的时间为2.5秒，理论上来说，根据这个传播时间就可以预警，不得不说这个技术太神了。

2.2 S波(S-Waves)---剪切波

地震波首先是以P波传播，接着以S波传播，S代表Secondary, 确切的意思是二次波，也可以理解成Shear，即剪切波。学习过岩土工程的同学知道，这种定名有点儿类似于我们的沉降表达---主固结(Primary Consolidation) 和二次固结(Secondary Consolidation)。S波的传播方向垂直于介质的运动方向，因此中文也称之为纵波。S波只能穿越相互连接的固体介质和气体介质，不能在液体介质中传播。S波的传播有点儿类似我们铺床单时的动作。S波传播得比P波慢，波速仅是P波传播速度的50%-60%左右。S波在地壳内的传播速度为2-4km/s，在地幔中的传播速度为4.5-5km/s。

2.3 面波

面波是在P波和S波发生后出现的。面波的传播速度比体波慢，传播距离比体波短，破坏力比体波强。其中Raleigh波的介质不是单向垂直运动，而是带有旋转性的运动，就像水中的波浪或者象混凝土搅拌机的运动。这是岩土地震工程中最关注的一种波的传播型式，Raleigh波能够快速破坏地基，造成土的液化。

Love波是在水平方向上蜿蜒曲折地运动。同样，Love波象筛子一样，能够快速破坏建筑物的地基。

看了许多民众地震时拍的视频，发现古冶地震的主要地震波是S波，地层垂直运动的时间长一些。

3 地震能不能预测

简言之，目前不能预测地震发生。尽管科学家们通过大量的地震数据建立了各种各样的数值模型，但是迄今为止，还不能预测什么时候在哪个位置发生多大的地震，只能计算出某一地区地震发生的概率。近期的研究也有使用深度学习技术来预测地震，说实话，这也就是写几篇论文混点儿研究基金而已，本质上解决不了地震的不确定性问题，因而也不能预测地震。地震预警只是震源发出地震信号后才能开始预警。公平地来说，没有多大用处，小的地震预警不预警都一样，大的地震预警了也来不及躲避。我在想那个预警机构，对于一个10km的浅层地震，横波的传播时间仅有2.5秒，它是怎么做到提前1分钟倒数的: 60,59, 58, ....5, 4, 3, 2, 1, 横波要来了，快跑呀！真是太神奇了

4 结束语

本文简要描述了地震波的分类。当地震发生时，首先出现P波，然后是S波，最后是面波，面波对建筑物的破坏力最大。对于岩土地震工程来说，通过输入地震波，UDEC和3DEC可以用来解释地震与断层运动的现象，分析地震载荷作用下工程结构的应力和变形，模拟地震载荷作用下地下水在节理内的流动及水-力之间的相互作用；FLAC和FLAC3D可以用来分析土的液化势和液化沉降。