为理解地震波奠定坚实的基础

2021年4月22日

1906年4月18日,一场大地震袭击了加利福尼亚北部,造成3000人死亡,200000余人无家可归,引发了旧金山和其他城市的大部分建筑火灾。地震引发了新的调查和分析,这导致了地震活动的新概念:哈里·菲尔丁·里德的弹性反弹理论。这一理论是我们预测和准备地震的现代能力向前迈出的关键一步。

在这一点上,我们可以看到,即使是悲惨的经历,如果我们能从中吸取教训,从1906开始,经验、探究和理论的反馈回路就有助于把现代地震学建立在科学的基础上。为了更好地准备未来的地震事件,过去的经验为现在和未来带来了一些积极的东西。

地球的三维模型,地球地图投影到模型表面,模型的内核以红色和黄色显示,在模型的上半部分传播地震波以黄色显示。
显示地震波在地球上传播的计算模型。

让我们来探索一些历史经验、探究和理论层面,以支持我们对地球地震活动的理解。

经历:1906年加利福尼亚地震

1906次地震当然不是第一次发生在一个繁忙的城市地区的地震事件,但它实际上是第一次被全世界拍摄并以其他方式见证。全景图显示了震颤和随后的火灾对旧金山的影响,然后是400000的城市;在美国西部最大。

在1906地震期间,旧金山的天际线有一张深褐色的色调照片,许多建筑物冒烟并着火。
1906地震后旧金山的天际线的黑白照片,显示了毁坏的建筑物和瓦砾。

全景图显示了旧金山在地震前后以及随后的火灾中所遭受的破坏。Pillsbury Picture Co.的顶级图像,并通过维基媒体共享.底部图像由Lester C.Guernsey拍摄,并通过维基媒体共享.

除了可怕的人类代价外,“这次地震以其巨大的水平位移和巨大的破裂长度让当代地质学家们大惑不解,”报告中指出美国地质调查局最新发明的地震仪提供了地震能量如何在地球上传播的宝贵记录。它的影响被记录在地球最远的地方哥廷根大学在德国,如图所示:

1906年加利福尼亚地震的一维地震记录,如德国记录。
1906加利福尼亚地震的地震记录,记录在哥廷根大学,距离9100公里。通过美国地质调查局.

调查:1908年的劳森报告

自然灾害发生后,人们自然会问:为什么会发生这种情况,又是如何发生的?在历史的大部分时间里,对这些问题的回答都是纯粹的推测。但是到了20年初th20世纪90年代,地震等自然现象的实证研究取得了重要进展。从18世纪中期开始,葡萄牙发生地震后,对地震活动的观测变得更加客观和系统。到1906年,著名的大学和天文台为加利福尼亚州对这一事件的调查贡献了20多名地球科学家,称为国家地震调查委员会. 其研究结果将在一份报告中发表1908年报告以小组组长、地质学家A.C.劳森的名字命名。

劳森报告的两个观察结果将证明特别重要:

  1. 软土地基上的建筑物遭受的破坏比基岩上的建筑物更大
  2. 地面明显地沿着一条可见的缝隙向相反的方向移动,而不仅仅是在旧金山附近地震的震中。

事实上,这条缝有将近300英里长,地面在我们现在所知的圣安德烈亚斯断层两侧剧烈移动。

1906年的一张灰度照片显示了位于圣安德烈亚斯断层线上的院子,栅栏上有一个8英尺高的缺口。

1906年的地震使穿过圣安德烈亚斯断层的栅栏移位了8英尺多,形成了照片中心所示的缺口。公共域图像通过美国地质调查局.

第一个发现暗示了地震能量如何通过不同的材料进行不同的传播;第二个发现将导致弹性回弹理论约翰·霍普金斯大学教授兼委员会成员哈里·菲尔丁·里德.

理论:弹性反弹、板块构造和地震波的行为

哈里·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)的弹性反弹理论首先在1908年的劳森报告中提出,然后在1910年的一篇论文中正式化,它为我们提供了地震成因的新概念。这个概念现在是如此熟悉,以至于很难想象它曾经有多么突破性(双关语)。

哈利·菲尔丁·里德的黑白肖像。

哈里·菲尔丁·里德。Charles Will Wright拍摄的图像,通过维基媒体共享.

如上所述,委员会已汇编了4月18日地面开裂的详细观察结果。这些裂缝是地震的原因还是影响?长期以来,人们一直认为断层线是地震活动的结果:地震的能量波分裂了坚实的地面。但是如果地面没有我们想象的那么坚实呢?

里德的理论得到了移动地面的照片和调查的支持,即暴露的断层线揭示了原因不只是地震的影响。

根据美国地质调查局:

【弹性反弹理论】描述了地壳如何随着板块运动的累积而逐渐弹性变形,直到通过沿断层快速滑动,释放多年累积的应变,并在此过程中产生地震波,从而产生震动,从而突然恢复到未变形状态。

这一理论的解释来自我们这个时代,而不是劳森报告。揭示其现代性的线索是“板块运动累积”一词。因为尽管里德能够清楚地说明地震是如何由沿断层线的剧烈运动引起的,但还没有人认为断层是“板块”之间的分界线在地球表面移动的岩石。

现代表面理论板块构造在经过几十年的进一步研究之后,这个问题才出现。地壳下的东西也大多是未知的,但很快另一位伟大的理论家将帮助回答这个问题。

用弹性反弹理论,里德通过从实证研究中仔细推断,反驳了一个常见的误解。1936年,丹麦地球物理学家和地震学家英格·莱曼通过对地震波行为的研究,她“发现”了地球的固体核心,这是一个类似的飞跃。

英格·莱曼的深褐色肖像。
Inge Lehmann,1932,皇家图书馆,丹麦国家图书馆,哥本哈根大学图书馆,授权下的图片。CC BY-SA 4.0通过维基媒体共享.

地震波可分为以下几类:

  • 纵波
    • 也称为主波或压力波
    • 地震后第一次被发现
    • 可以穿过气体、液体和固体
  • S波
    • 也称为二次波或剪切波
    • 传播速度较慢,因此在P波之后可以检测到
    • 垂直于其移动方向振荡,因此为“剪切”

对于Inge Lehmann的工作来说,最重要的是s波不会在粘度很低的液体中传播。

在20世纪20年代末,人们普遍认为地球的固体地壳和地幔包围着一个完全液态的地核。然而,P波和S波的行为存在不一致性,这表明情况并非如此。莱曼的调查最终在1936年发表了一篇题为P在她的论文中,她提出地球结构的不连续性可以解释观测到的地震波活动模式。

地表的波浪活动如何告诉莱曼地球中心是什么?她对地震记录的仔细研究表明存在一个P波阴影区,这表明地球的固体核心的存在。

基于模拟的地震学基础建设

来之不易的科学史课程有助于支持进一步的探索。例如,COMSOL Multiphysics®软件中的声学模块结合了我们对波浪行为的理解。这个地震波在地球模型中的传播可视化不同压力波和剪切波在地球内部结构上的产生和传播。该模型还捕获了所有其他类型的弹性波,如表面波和界面波。

观看这段基于新模型几何结构的视频,了解p波阴影区如何帮助我们“找到”地球的实心核心。

这里介绍的模型使用的是二维轴对称公式弹性波,时间显式接口以及压力声学,时间显式分析地震波如何通过地球传播的公式。

该模型可以轻松地耦合流体和固体,并实现与深度相关的材质特性。这也是一个大模型,解决了1720万个自由度!

下一步

下载地震波通过地球传播教程模型,通过下面的按钮亲自尝试(包括PDF文档中的分步说明):


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