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科学家成功利用地球噪音测定其内部结构

时间:2015-1-5 9:38:27 点击:

  核心提示:腾讯科学讯 通常,科学家通过分析由地震产生的地震波来探查地球的内部结构。最新研究表明,由诸如风暴驱动海浪产生的地球“嗡嗡”噪音也能用来探测地球的内部构成。地震波穿过地层的方式取决于地球内部的物理性质,...

腾讯科学讯 通常,科学家通过分析由地震产生的地震波来探查地球的内部结构。最新研究表明,由诸如风暴驱动海浪产生的地球“嗡嗡”噪音也能用来探测地球的内部构成。

地震波穿过地层的方式取决于地球内部的物理性质,如岩石的组成、温度和压力等。科学家就是利用地震波的这种传递方式来得知地球内部那些看不见的地理构造的。

来自法国约瑟夫傅立叶大学的地震学家米歇尔•卡皮罗说:“科学家可以利用这些声波以与医学成像类似的方式产生地球内部的图像。利用地震产生的声波探测地球内部有一个明显的缺陷,那就是它必须依赖于地震。通常地震经常发生在某些特定的区域,这样就会造成一些地区成像非常清晰,另一些地区相对模糊。

在地球的内部,除了来自地震发出的地震波之外,还充斥着来自地球表面的各种波动产生的噪音,例如洋面上由风暴驱动的巨浪等。在过去,这些噪音被认为是无用、甚至是有害的,因为它经常淹没轻微的地震波信号。

然而,近年来科学家通过分析积累的大量地震数据,成功找到这些地震波背景噪音的规律。现在科学家可以利用这些环境背景噪音来为地球内部进行成像。这种成像的优势在于能够在没有地震发生的地区运用。

延伸阅读:横波和纵波

我们最熟悉的波动是观察到的水波。当向池塘里扔一块石头时水面被扰乱,以石头入水处为中心有波纹向外扩展。这个波列是水波附近的水的颗粒运动造成的。然而水并没有朝着水波传播的方向流;如果水面浮着一个软木塞,它将上下跳动,但并不会从原来位置移走。这个扰动由水粒的简单前后运动连续地传下去,从一个颗粒把运动传给更前面的颗粒。这样,水波携带石击打破的水面的能量向池边运移并在岸边激起浪花。地震运动与此相当类似。我们感受到的摇动就是由地震波的能量产生的弹性岩石的震动。

假设一弹性体,如岩石,受到打击,会产生两类弹性波从源向外传播。第一类波的物理特性恰如声波。声波,乃至超声波,都是在空气里由交替的挤压(推)和扩张(拉)而传递。因为液体、气体和固体岩石一样能够被压缩,同样类型的波能在水体如海洋和湖泊及固体地球中穿过。在地震时,这种类型的波从断裂处以同等速度向所有方向外传,交替地挤压和拉张它们穿过的岩石,其颗粒在这些波传播的方向上向前和向后运动,换句话说,这些颗粒的运动是垂直于波前的。向前和向后的位移量称为振幅。在地震学中,这种类型的波叫P波,即纵波它是首先到达的波。

弹性岩石与空气有所不同,空气可受压缩但不能剪切,而弹性物质通过使物体剪切和扭动,可以允许第二类波传播。地震产生这种第二个到达的波叫S波,即横波。在S波通过时,岩石的表现与在P波传播过程中的表现相当不同。因为S波涉及剪切而不是挤压,使岩石颗粒的运动横过运移方向。这些岩石运动可在一垂直向或水平面里,它们与光波的横向运动相似。P和S波同时存在使地震波列成为具有独特的性质组合,使之不同于光波或声波的物理表现。

大多数岩石,如果不强迫它以太大的幅度振动,具有线性弹性,即由于作用力而产生的变形随作用力线性变化。这种线性弹性表现称为服从虎克定律,是以与牛顿同时代的英国数学家罗伯特·虎克(1635~1703年)而命名的。这种线性关系由图2.2所示的加重物的弹簧伸展来表示。如果重物的质量加倍,线性弹簧的伸展也加倍,如果重物回到原来大小,则弹簧回到原来位置。相似地,地震时岩石将对增大的力按比例地增加变形。在大多数情况下,变形将保持在线弹性范围,在摇动结束时岩石将回到原来位置。然而在地震事件中有时发生重要的例外表现,例如,当强摇动发生于软土壤时,会残留永久的变形,波动变形后并不总能使土壤回到原位,在这种情况下,地震烈度较难预测。我们将在本书后面谈到这些关键的非线性效果。

弹簧的运动提供了极好的启示,说明当地震波通过岩石时能量是如何变化的。与弹簧压缩或伸张有关的能量为弹性势,与弹簧部件运动有关的能量是动能。任何时间的总能量都是弹性能量和运动能量二者之和。对于理想的弹性介质来说,总能量是一个常数。在最大波幅的位置,能量全部为弹性势能;当弹簧振荡到中间平衡位置时,能量全部为动能。我们曾假定没有摩擦或耗散力存在,所以一旦往复弹性振动开始,它将以同样幅度持续下去。这当然是一个理想的情况。在地震时,运动的岩石间的摩擦逐渐生热而耗散一些波动的能量,除非有新的能源加进来,像振动的弹簧一样,地球的震动将逐渐停息。对地震波能量耗散的测量提供了地球内部非弹性特性的重要信息,然而除摩擦耗散之外,地震震动随传播距离增加而逐渐减弱现象的形成还有其他因素。

由于声波传播时其波前面为一扩张的球面,携带的声音随着距离增加而减弱。与池塘外扩的水波相似,我们观察到水波的高度或振幅,向外也逐渐减小。波幅减小是因为初始能量传播越来越广而产生衰减,这叫几何扩散。这种类型的扩散也使通过地球岩石的地震波减弱。除非有特殊情况,否则地震波从震源向外传播得越远,它们的能量就衰减得越多。

作者:佚名 来源:不详
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