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地球纵波速度能达到35 km/s吗?

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众所周知,地震会直接或间接激发出各类地震波,如纵波,横波,面波等等,这些地震波就是造成破坏的元凶。本文主要讨论纵波。



纵波是如何产生的?

要回答这个问题,我们先看看什么是纵波。



从上图,我们可以看到,有一团“紧密”的状态从左往右传播。

这种振动状态的传播就是波。

并且,仔细看图中的黑点。

在波到达后,黑点被压缩;波传播过后,黑点被拉伸;最后,回归正常。

压缩拉伸,显然对应的就是体积变化。

这说明,所谓纵波,就是“体积变化”状态的传播。

最常见的纵波就是声波,即声音的传播。

具体而言,体积变化为:正常—密集—稀疏—正常。

仔细看,质点运动方向和波传播的方向一致,因此称为纵波。与之对应,横波质点运动方向与波传播方向垂直。

那在地震发生时,为什么会产生纵波呢?



让我们做个思想实验。如上图所示,当地震发生时,破裂前锋猛烈地向前移动,必然会导致破裂前锋以前的介质发生压缩,这一压缩的状态又引起压缩介质前未变形的介质压缩,不断重复这一过程,纵波就产生并向远方传播。

注意,由于地震主要是断层两侧剪切位错,自然地,纵波相比横波(由剪切位错产生),其振幅就小得多,如下图所示。

那请大家思考一下,什么情况下,纵波会比横波振幅大?请在评论区留言。



P代表纵波,S代表横波。

显然,纵波在横波前,这说明其最先到达。换言之,纵波速度最快。

那么,跑得最快的纵波到底能有多快?

在地球上,能超过30 km/s?

地震学经过100多年的发展,对地球内部地震波速度可以说是了如指掌。

这是研究的基础,无论是地下结构成像,还是地震破裂过程研究。

根据研究结果,

地震介质最大纵波速度大概不到14 km/s,发生位置为地核与地幔的交界处。



那么,请问大家,为什么内核纵波速度不是最大的?请大家在评论区留言。

如何从理论上计算纵波速度呢?

经过百年前各位力学大佬的推导,在均匀各向同性的介质中,

纵波速度为:



其中,μ是剪切模量,λ是第一拉梅常数,ρ是密度。

这个公式,数学物理方程课,会讲如何推导,用到的基本物理原理是高中的牛顿第二定律。

剪切模量是度量物理抵抗剪切变形的能力,越大,越不容易剪切变形。

第一拉梅常数是度量物理抵抗体积变形的能力,越大,越不容易变形。

这两个参数的关系,通过应力-应变关系可以很好地揭示:



显然,其他情况一定时,越致密,抵抗变形的能力就越强,纵波速度就会越大。比如水比空气致密,则声音在水中传播速度大于在空气中。

既然纵波是压缩状态的传播,为什么其传播速度还和剪切模量大小有关?请大家在评论区留言。

总之,地球介质的纵波速度,最大也就14 km/s。

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