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P波和S波的速度

P波和S波的實際傳播速度取決於岩石的密度和內在的彈性。對線彈性物質而言,當波與運行方向無關時,波速僅取決於兩個彈性性質,稱為彈性模量:岩石的體積模量k和剪切模量μ。

當向岩石立方塊表面施加一均勻壓力時,其體積將減小,其單位體積的體積變化作為所需壓力大小的度量,稱為體積模量。當P波穿過地球內部傳播時發生的就是這種類型的變形;因為它只因其體積變化,所以在流體中也可以發生,與在固體中一樣。通常體積模量越大,P波的速度就越大。

第二種變形類型是,在向岩石立方塊體兩相對的面上施加方向相反的切向力時,這體積方塊將受剪切而變形,而沒有體積變化。同樣,圓柱狀巖心兩頭受大小相等方向相反力扭曲時也發生這種變形。岩石對剪切或扭曲應力的抵抗越大,其剛性就越大。S波通過剪切岩石而傳播,剪切模量給出其速度的量度。通常是剪切模量越大,S波速度就越大。

因為地球內部的強大壓力,岩石的密度隨深度增大。由於密度在P波和S波速度公式中的分母項上,表面看來,波速度應隨其在地球的深度增加而減小。然而體積模量和剪切模量隨深度而增加,而且比岩石密度增加得更快(但當岩石熔融時,其剪切模量下降至0)。這樣,在我們的地球內部P和S地震波速一般隨深度而增加的。

雖然某一給定岩石彈性模量是常數,但在一些地質環境裡岩石不同方向上的性質可以顯著變化。這種情況叫各向異性,這時,P波和S波向不同方位傳播時具有不同速度。通過這種各向異性性質的探測,可以提供有關地球內部地質狀況的信息,這是當今廣泛研究的問題。
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