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趣
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味
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地
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震
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学
中国地震学会—地球科学科普栏目
地震科普—地震波之魂——S波
看天上的星星尽显光辉
赏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 波的蜕变
房子不怕颠，就怕来回晃。
酥在颠劲上，倒在晃劲上。
——地震谚语
地震波很复杂， 基本成分六七种（图16-1）。造成房倒屋塌的元凶是一种特殊的波动——学名剪切波（Shear wave，简称S 波），别名横波（Transverse）， 又称“大S”。振动方向与波的传播方向垂直。
不难理解， 建筑物的重力向下， 地面的上下颠动当然不会引起实质性破坏， 但房屋经不住水平方向的摇晃。土石墙推上几十下没有不倒的， 摔跤的扫腿功夫更是关键的一招。
偏偏大S 的主要分量是水平向晃动，十分剧烈，没完没了。
难怪叫它横波，就是那个满脸横肉、横冲直撞、横行乡里、横不讲理的波！房屋抗震，也不是什么乱七八糟的都要抗，关键是要抗御横波的剪切破坏。
应对它，就得查八辈。从出生开始查起，直到它的蜕变、旋转、分裂和消失……它在每一个阶段都有特殊性，应对办法和利用之处都有所不同。
图16-1 地震波的基本成分
16.1 S 波的出生
◆ S 波的激发
构造地震的发生是岩体的剪切位错。图16-2 所示是一种逆冲型剪切位错——断层的上盘岩体向上方出现了错动（如箭头所示），汶川地震的震源位错就是这种方式。
震源的剪切位错当然会在连续介质中引出下一个问题：它会牵动紧邻的微小单元也出现剪切应变，且一个微小单元的变化又牵动到下一个……像水波一样越来越广，四面八方散开，这就是剪切波动的传播了。
所以说，S 波从刚诞生的那一刻起，每根汗毛孔都充满了剪切位错的形变，整个一个震源位错的动态化身。地球体内，唯有地震才能够激发出S 波，没有第二家。
图16-2 断层的逆向剪切位错
当然，地震震源也会激发出另一种膨胀- 收缩性质的波动——纵波（P 波），它的振动方向与波动射线平行，传播速度比S 波快。但是，地震波80% ～ 90% 以上的能量是交给正宗传人大S 的。于是，在估算地震能量、震级、烈度时，在分析震源机制、波动关系时，在抗震设防、构建房屋时，主要考虑的不是P 波，而是S 波。
剪切，是问题的关键。
没有剪切的震源，就不是构造地震；没有大S，地表的振动就成不了气候。甭管山石滚落、弹药爆炸、作业施工、广场跳舞……哪怕震耳欲聋，都激发不出S 波。
为什么会发生剪切位错呢？原因有三：
一是岩体内部存在原生的断层弱化面；二是板块运动产生了强大的构造应力；三是地球内部没有多余的、空闲的自由空间。当高压之下的岩体被逼到了绝境，除了被压缩到只剩块骨头外，只能用位错换和平！
断层两侧的伙伴们，女士们、先生们请注意啦！
劳驾您那侧的岩体向左边移动点，我这侧往右边多占点（图16-3），谁都没吃亏，但能够舒缓外部压力。宛如拥挤地铁里的乘客，多余空间没有了，大家只能相互挪动、多多关照，压力必然减少！双方沿着接触面的位错运动会成剪切形态，故命名“剪切位错”——科学上的一个美丽又好听的名词。
别忘了，位错有两种形式：一是平移；二是旋转。地铁车厢里的乘客都有经验。
图16-3 震源球体的力学模型
数学上，剪切位错的受力由成双的主压应力P 和成对的主张应力T 表征，按此计算出的P 波和S 波的理论地震图能较好地吻合实测记录。
◆ S 波的传播
在弹性波动的理论上，英国·米歇尔（J Michell）和法国·泊松（S D Poisson，图16-4）做了很大贡献。
图16-4 米歇尔（1724—1793）和泊松（1781—1840 ）
前者在1755 年里斯本地震后投入了研究，估算了里斯本地震的波速值，并于1760 年提出：地震波有两种类型——快速传播的颤抖和慢速的水平晃动。数学家泊松的成就很多，1829 年对完全弹性体建立了严谨的波动方程。这些成果后来被英国·米尔恩（J Milne）和德国·帕什维茨（E von Rebeur-Paschwitz）的观测所证实（图16-5）。
图16-5 地震纵横波及其记录图
研究表明， 地震波之魂是S 波：
● 固体内， 唯天然地震才会激发出S 波。液体不能传播S 波；
● S 波是形成面波、自由振荡和地面旋转的主要因素，界面上会和P 波相互转换；
● S 波的横向震动， 是相对于射线径向而言的。它在三维空间里可以分解为入射（垂直，Vertical）平面里的分量SV和水平（Horizontal）平面里的分量SH（图16-6）。在各向异性介质内， 这两个分量的波速会不同， 观测中的到达时间就不同，显现出“分裂”现象。
图16-6 S 波分解成SV 和SH 两部分
16.2 S 波的蜕变
◆ 面波
地震面波和自由振荡常不为人知，在情理之中。因为二者确实不是由震源发出的，而是P 波和S 波离开震源一段距离之后，一边走路一边“打架斗殴”衍生出来的！
谚语“慢慢晃，慢慢摇，九十里外等着瞧”，汶川地震时北京、广州感到的摇晃，都是面波现象。
谜底的破译归功于两位英国人（图16-7）。
图16-7 瑞利（1842—1919）和勒夫（1863—1940）
瑞利（L Rayleigh）曾因发现氩、氦，氪和氖等惰性气体以及对空气密度的研究，获得1904 年诺贝尔物理学奖。1885 年奠定了弹性面波的理论基础，1887 年预见了一种面波（Surface Wave），命名瑞利面波。勒夫（A Love），1909 年曾经对地球的弹性引进过两个勒夫参数h 和k，对表征固体潮的“潮汐因子”很有用，还预见到地球的自由震荡。1911 年，他的大作《地球动力学问题》（Some Problems of Geodynamics）预见了另一种面波，命名为勒夫波（图16-8）。上述理论结果均得到观测的证实。
远离震中的地方是观测不到S 波的，但它并没有消失，而是蜕变成了面波！
图16-8 两种地震面波
形成面波的前提是必须有层状结构，导致纵横波多次反射继而干涉。SV 波与P 波在层界面与地球表面之间的干涉形成了瑞利波，SH 波和SH 波的干涉形成了速度更快的勒夫波。面波和导波（一种沿地下内界面传播的波）均属于漏能（Leaking Energy Wave）性质的波动，则标注为L 并辅以字标Q、R 等来区分，都以能量耗损最小的方式前行，绕地球兜上几圈，绝对是小菜一碟。破坏性均不大，也都存在频散现象。
月球上的震动称之月震（Moonquake），记录中没有发现面波。故而可以推测：月球浅部是极其破碎的，没有层状结构，也就不存在板块构造。
◆ 地球自由振荡
图16-9 表现了2011 年日本Mw9.0 地震的面波波阵面，波峰的环状条带传播到南美的震中对跖点时会汇聚，形成了一个俨如新的“震源”。再反方向扑回到震中，反复多次，自然又会“打架斗殴”！
图16-9 面波波阵面的传播
由于往返的面波只能在两个固定点（震中和对跖点）之间干涉，于是叠加后的波峰和波谷的位置就动弹不了，遂呈现出不同振型的花样——驻波（图16-10）。两瑞利波的干涉形成球型振荡，两勒夫波的干涉形成环型振荡，二者统称地球自由振荡。振幅更弱，周期更长（从4 ～ 100min），只在研究地球参数时才会利用。
图16-10 地球自由震荡的两种类型
16、地震波之魂——S波
16.3 S 波的旋转
16.4 S 波的分裂
16.5 S 波的消失
房子不怕颠，就怕来回晃。
酥在颠劲上，倒在晃劲上。
——地震谚语
16.3 S 波的旋转
大S 干过的坏事真是罄竹难书，既有现行还有旧账：烟囱、墓碑、立柱类的建筑都遭受过旋转破坏，扭转角度少则几度多至二三十度（图16-11）。
图16-11 地震波旋转运动的破坏
地震波的旋转，早就知道，但重视不够。既缘于经典胡克（Hooke）定律不完备，没有计入应变的反对称部分，更由于10-5 ～ 10-9rad/s 的旋转变幅太小，致使20 世纪50 年代已建立的旋转运动方程［1］一直被束之高阁。
现今，悬索桥、高架桥、大跨度、跨海隧道越来越多。世界前十名的最高建筑里，半数以上在中国（高度528 ～ 729m），再忽略旋转效应将十分危险。2006 年，国际上成立了旋转地震学专业工作组（IWGoRS），正在大力攻关［2，3］。
需要明确：连续介质的变形，总包含平移运动（translation）和旋转运动（rotation）两项。前者是两点间距变化引起的单元体积的改变，后者是两点间距（如图16-12中的对角线AD）保持不变的转动。
常规地震仪都是速度计，只能测到速度三分量Vx、Vy、Vz（图16-12），再经时间积分给出平移位移量u、v、w，并没有直接测到旋转量ω。地倾斜仪尚能测到一些，比如EW 向倾斜量对应NS 轴向的旋转。
大S 并非纯粹的横向运动，还会发生微单元的旋转，但又绝不是自由空间中的刚体转动！不会出现某个村庄绕着一座高山大转圈的现象。P 波是纯应变波，与旋转无直接关系。已经观测到了SH 波和勒夫波产生的轴向垂直的扭转运动，传播速度与S 波一致［3，4］。在地表层的速度足够低时，地震波的旋转效应很大，有可能是导致建筑物破坏的重要因素［5，6］。
图16-12 地震观测和旋转变形
利用地倾斜资料， 揭示了2017 年四川九寨沟Ms7.0 地震的旋转场［7］， 旋转效应集中在震中附近约150km 范围内， 主要分布在近垂直于断层走向的区域（图16-13）。
图16-13 地面旋转图像［7］，（a）和（b）分别是旋转的EW 和NS 分量
16.4 S 波的分裂
◆ 地震预测
20 世纪70 年代发现的S 波分裂，是地震学的一个重要进展。英国学者S Crampin于1981 年建立了物理模型。
S 波入射到一个排列规则的裂隙（即各向异性）区，会分裂成顺着裂隙方向偏振的快波SH 和一个垂直于裂隙方向的慢波SV（图16-14），类似于光学中的双折射。裂隙密集度越高，快慢波的时间差Δt 越大、应力水平越高。S 波分裂的测定简单、分辨好，物理基础扎实。
根据冰岛台的S 波分裂，Crampin 曾在1999 年成功地预测了一次冰岛5.0 级地震。
前5 次的3.5 ～ 5.1 级地震前的S 波分裂有个特点［8］：快慢波的时差Δt 线性加大，临震前降低（图16-15）。这可能是应力积累到一定水平后，微裂隙向发震断层面簇集而导致的应力松弛。
图16-14 在微裂隙岩石中的S 波分裂
图16-15 S 波分裂的时间延迟在地震和火山喷发前的变化
1998 年10 月27—29 日他们向冰岛气象局发出了预测意见。当年11 月13 日在震中距2km 处，罕见地发生了一次5.0 级地震。还发现，世界上有14 次1.7 ～ 7.7级地震和3 次火山喷发前也存在类似现象［9］。
◆ SKS 分裂的空间变化
从震源出发的S 波会在路途中出现振动性质的转换。比如SKS 震相，它两次通过核幔边界，先从S 波转换成P 波，再从P 波转换成S 波（图16-16）。
图16-16 SKS 波分裂的空间变化
由于S 波携带的震源区的各向异性会在液态外核段（这里只存在P 波）完全消失，而下地幔又是各向同性的，故而接收区的记录里通常仅有SV 分量。一旦在观测中发现了SH 分量，说明S 波在接收区的上地幔部分肯定发生过分裂，从而可确定深部橄榄石的晶格优势方位、板块运动和深部力学状态。
有一些接收区台站的下方也会存在S 波未分裂的情况。这个时候，可以利用该台附近的参考台站，由参考台记录到直达S 波的分裂，进而揭示出震源区的各向异性，而且是全球不同深度的各向异性信息（图16-16）。
此类研究，是当下一个热点课题。
16.5 S 波的消失
◆ 液体不能传播S 波
水是液体，液体的剪切模量是零，不承受和传递剪切应力，也就没有S 波。因此，海里的船舶会免遭地震破坏，亦无海啸吞噬之患（图16-17）。水下通信和海洋勘探，只能用纵波P（即声呐）。
这个好机会，人类当然要抓住了！
1. 发现地核结构
1914 年，德国犹太裔专家古登堡（Gutenberg）发现：在震中距大于103°（1 度约为110km）的地方就再也记录不到S 波了，而且直达P 波也进入影区，射线最低点在2 900km 深处。这说明，在这个深度以下存在液态地核，该界面被命名为G（图16-18）。当时，古登堡才25 岁。
图16-17 S 波在水中消失
图16-18 莱曼（1888—1993）与地核的发现
1936 年，丹麦女地震学家莱曼（I Lohmann）又发现：在震中距大于143°的区域又能观测到P 波，还发现了内核界面的反射P 波震相，证实P 波的影区仅在103°～143°的局部范围。这就证明地球内核又转变成固态了，界面深度约为5 000km，命名为L 界面。
2．建设浮动核电站
核电站的选址难度犹如上青天，一二十年的勘探都有可能拍不了板。难在哪里？地震安全性的标准远高于水电站，核反应堆的运行还需要巨量的冷却水。近年有办法了：既然海水中没有S 波，制冷水又容易解决，那么安全、快捷、节约的好办法莫过于在海船上建造核电站，经海底电缆向陆地供电。
美国最早起步，他们在1968 年就把该想法应用到巴拿马运河区。俄罗斯于2019年底建造成功，已在北冰洋沿岸工作（图16-19）。我国正建造一座200MW 的小型海上核反应堆，可向岛屿和海洋作业船提供电、热，并淡化海水。
图16-19 俄罗斯首座浮动核电站
◆ 核监测
《全面禁止核试验条约》于1996 年签约，但没有真正生效，美国议会至今都没有接受（图16-20）。据悉，美国在2019 年2 月悄悄进行过一次未产生爆炸的亚临界核试验［10］，他们一直在研制低当量或零当量的核弹。因此，各国对核试验的监测工作，也就始终没有停止。
图16-20 1945—2017 年间全球核爆次数（左：斯德哥尔摩国际和平研究所）和美国内华达地下核试验场（右图）
监测核试验的地震学基础：核爆是深度浅的膨胀源（图16-21），不能直接激发出S 波。
图16-21 爆炸震源和P 波辐射图样
图16-22 所示为牡丹江地震台记录到的朝鲜3 次核试验，以P 波和纵向多次反射波为主，确实没有S 波。
此外，分析体波震级ML 和面波震级MS 的关系，也是识别核爆的有效途径——它的S 波成分小、面波弱，其面波震级相对地震波的会系统偏低。应注意的是，小当量（＜ 12kt）的核爆很容易与2 级地震混淆，难以识别。
图16-22 核爆在记录图和震级测定上的差异
篇幅所限，S 波的故事只能讲到此。
在图16-23 的分形图案里，3 个基本元素是三个正方形，它们的关系（a2 + b2 =c2），即勾股定理（西方称“毕达哥拉斯定理”）。
挂在参天大树上的苹果，琳琅满目。我们只不过摘了个横波S，闻了闻，尝了尝。而地震波的“苹果”多达100 多种！仅国际上规范的名称就有69 种，个个清香可口，有着说不尽的故事，道不完的甘美……它们携带着地球内部的各种秘密和情报，可不敢小看每个小苹果呀！
图16-23 地震波的苹果树
听到了吗？孩子们正唱着民歌：
路旁的花儿正在开，
树上的果儿等人摘。
远方的客人请你留下来，
请你留下来……
来源：中国地震学会
转发：震道
