地震波全解析：從水波類比到P波、S波的傳播原理

從水波認識地震波

我們最熟悉的波動莫過於水波。當向池塘裡扔一塊石頭時，水面受到擾動，並以石頭入水處為中心泛起漣漪，不斷向外擴展。這個波列是由水面附近的水顆粒運動造成的，但值得注意的是，水本身並沒有朝著波傳播的方向流動——如果水面上浮著一個軟木塞，它只會上下跳動，並不會漂離原位。

這個擾動是由水顆粒簡單的前後運動連續傳遞下去的：每個顆粒把運動傳給更前面的顆粒。透過這種方式，水波攜帶著石頭撞擊水面的能量向池邊移動，最終在岸邊激起浪花。地震運動的原理與此相當類似——我們感受到的搖晃，正是地震波能量使彈性岩石產生震動的結果。

P波（縱波）：最先到達的地震波

第一類地震波的物理特性恰如聲波。聲波乃至超聲波，都是在空氣中藉由交替的擠壓（推）與擴張（拉）來傳遞。由於液體、氣體和固體岩石一樣能夠被壓縮，因此同樣類型的波也能在海洋、湖泊等水體以及固體地球內部穿行。

地震發生時，這種波會從斷裂處以相同的速度向所有方向傳出，交替地擠壓和拉伸它們所經過的岩石。其顆粒沿著波的傳播方向前後運動，換句話說，顆粒的運動方向垂直於波前。向前與向後的位移量稱為振幅。在地震學中，這種類型的波稱為P波（縱波），它是地震發生後最先抵達的波。

S波（橫波）：靠剪切傳播的第二類波

彈性岩石與空氣有所不同：空氣可受壓縮但不能承受剪切，而彈性物質則能透過剪切和扭動，允許第二類波傳播。地震產生的這種第二個到達的波稱為S波。

S波通過時，岩石的表現與P波傳播過程截然不同。因為S波涉及的是剪切而非擠壓，岩石顆粒的運動方向橫越波的傳播方向。這些運動可以在垂直面或水平面內進行，與光波的橫向運動相似。P波與S波同時存在，使地震波列具備獨特的性質組合，有別於光波或聲波的物理表現。

由於液體或氣體內部不可能發生剪切運動，S波無法在其中傳播。正因如此，P波與S波這種截然不同的性質，可以被用來探測地球深部流體帶的存在。

S波的偏振現象：SH波與SV波

只有某個特定平面內振動的光波才能穿過偏光透鏡，穿透後的光稱為平面偏振光。太陽光穿越大氣時沒有偏振，即不存在優選的振動橫方向；然而經過晶體折射，或通過特殊製造的塑膠材料（如偏光眼鏡），非偏振光便能轉變為平面偏振光。

當S波穿過地球時，遇到構造不連續界面會發生折射或反射，並使其振動方向產生偏振：

• SH波：偏振後的S波若其岩石顆粒僅在水平面內運動，即稱為SH波。
• SV波：若岩石顆粒在包含波傳播方向的豎直平面內運動，則稱為SV波。

線性彈性與虎克定律

大多數岩石在不被迫以過大振幅振動的情況下，具有線性彈性，即由作用力引起的變形與作用力呈線性關係。這種表現稱為服從虎克定律，以與牛頓同時代的英國數學家羅伯特·虎克（1635～1703年）命名。同理，地震時岩石對增大的作用力會按比例增加變形。

在大多數情況下，變形保持在線彈性範圍內，搖動結束時岩石會回到原來位置。然而地震事件中有時會出現重要的例外：例如當強烈搖動發生於軟弱土壤時，可能殘留永久變形，土壤未必能恢復原位。在這種情況下，地震烈度就較難預測。

地震波的能量轉換與耗散

彈性運動清楚地揭示了地震波通過岩石時能量的變化方式。與彈簧壓縮或伸張相關的能量是彈性勢能；與彈簧部件運動相關的能量則是動能。任何時刻的總能量都是兩者之和。對理想彈性介質而言，總能量是一個常數：在最大波幅位置，能量全部為彈性勢能；當振盪至中間平衡位置時，能量全部轉為動能。

若假設沒有摩擦或耗散力存在，一旦往復彈性振動開始，它便會以相同幅度持續下去。但這只是理想狀態。實際上，地震時運動的岩石之間因摩擦逐漸生熱而耗散部分波動能量；除非有新的能量加入，否則如同振動中的彈簧一般，地球的震動將逐漸停息。對地震波能量耗散的測量，提供了地球內部非彈性特性的重要資訊。不過除了摩擦耗散之外，地震震動隨傳播距離增加而逐漸減弱的現象，還有其他成因。

幾何擴散：地震波為何隨距離衰減

聲波傳播時，其波前面是一個不斷擴張的球面，攜帶的聲音因此隨距離增加而減弱。與池塘中向外擴散的水波相似，我們觀察到水波的高度或振幅也會隨外擴逐漸減小。波幅減小是因為初始能量分布範圍越來越廣而產生衰減，這種現象稱為幾何擴散。

同樣的擴散效應也會使穿過地球岩石的地震波減弱。除非有特殊情況，否則地震波從震源向外傳播得越遠，其能量就衰減得越多。