【地球物理】小白板地科竞赛入门篇：地震波初探课

小白板27地科竞赛基础篇： 地球物理入门导学 什么是地球物理？ 地球物理学是用物理学的原理和方法，研究地球内部结构、物质组成及其各种物理场（如重力场、磁场、电场、地震波场等）的一门学科。 什么是地球物理？ 真题中的地球物理 真题中的地球物理 26年决赛地球物理 地球物理的正确打开方式✔️ 前置学科知识： 数学：三角函数+导数+微积分（材料补充） 物理：必修一二力学基础+可能的大学物理内容（材料补充，如：角动量守恒定律、转动惯量…） 地理：必修一地球圈层结构 地球物理的正确打开方式✔️ 前置学科知识： 数学：三角函数+导数+微积分（材料补充） 物理：必修一二力学基础+可能的大学物理内容（材料补充，如：角动量守恒定律、转动惯量…） 地理：必修一地球圈层结构 地震波基础回顾 Part1 课内教材中的地震波 地震波的分类 地震波是一种能在岩石等介质中传播的机械振动。地震波分为体波（Body wave）和面波（Surface wave）两种类型。体波可以在地球深部传播，又可分为纵波与横波，面波是体波到达地表或界面后产生的次生波，在地表和地壳界面传播，主要的地震面波有瑞雷波与勒夫波 地震体波（P波+S波） ①纵波（P波）：为地震体波的一种类型，质点振动位移方向与波的传播方向一致。 ②横波（S波）：为地震体波的一种类型，质点振动位移方向与波的传播方向垂直。 地震面波 瑞雷波：为面波的一种类型，沿界面传播，其传播速度略低于横波，引起质点在竖向做逆时针椭圆运动，是P波和S波竖向偏振分量受界面影响干涉的结果，振幅随竖向沿离开界面距离衰减。 勒夫波：为面波的一种类型，勒夫波引起质点运动方向与波传播方向垂直，类似于S波，但差别是勒夫波侧向震动振幅会随深度增加而减少。勒夫波是S波的水平分量受界面影响的结果，可单独传播，只在分层介质中出现。 小试牛刀 （预赛真题 不定项）地震横波（S波）具有下面叙述的哪些特征？（ ） A. 它是传播速度最快的体波 B. 它的质点偏振方向与振动传播方向垂直 C. 它不能在液体介质中传播 D. 它的质点偏振方向与振动传播方向一致 小试牛刀 （预赛真题 不定项）地震横波（S波）具有下面叙述的哪些特征？（ BC ） A. 它是传播速度最快的体波 B. 它的质点偏振方向与振动传播方向垂直 C. 它不能在液体介质中传播 D. 它的质点偏振方向与振动传播方向一致 小试牛刀 （预赛真题 不定项）地震发生时释放出来的能量，绝大部分以机械能（岩石破裂和位移）和热能的形式存在于震源区，并以地震波的形式向四周传播。地震发生后，地震台站先接收到穿过地球传来的（ ） A. 纵波 B. 横波 C. 勒夫波 D. 瑞利波 小试牛刀 （预赛真题 不定项）地震发生时释放出来的能量，绝大部分以机械能（岩石破裂和位移）和热能的形式存在于震源区，并以地震波的形式向四周传播。地震发生后，地震台站先接收到穿过地球传来的（ A ） A. 纵波 B. 横波 C. 勒夫波 D. 瑞利波 地震波的几何路径 Part2 费马原理与斯涅尔定律 费马原理是说地震波沿射线的走时与沿其他任何路径的走时相比为最小，即波总是沿所使用走时最少的路径传播，又叫费马最小原理和射线原理。在各向同性的介质中，最小走时路径和最短距离路径是一致的，但在复杂的非均匀介质中，当地震波传播至速度不连续界面时，会发生反射、透射、折射等情形，此时距离最短路径与走时最短路径不重合，这种特点与光波在不同介质中传播时的情况类似。斯涅尔定律是费马原理在地震波传播中的定量应用（如图2-1-6）。 斯涅尔定律： 图2-1-6 斯涅尔定律示意图 费马原理与斯涅尔定律 上式反映在速度不连续界面上，入射波、透射波和反射波之间的几何学关系。入射角等于反射角，而透射角的大小与下层介质的波速V₂有关系。在同一界面上，对入射波、反射波和透射波都具有相同的射线参数： 当V₂＞V₁时，存在临界角θᴄ，当θinc=θᴄ，θₜ=90°，即： 此时，透射波会沿着速度不连续界面以下层介质的速度向前“滑行”，这样形成的地震波又称为折射波。 图2-1-6 斯涅尔定律示意图 反射波、首波的走时方程 以观测点的震中距为横坐标，地震波到达时间为纵坐标。绘成的曲线称为走时曲钱。地震波到达时间与震中距关系的方程称为走时方程。对于震源O在地表，地震接收器R也在地表的情况(图2-1-7),不同传播路径的地震波的走时方程如下: 推导折射波（首波）的走时方程 首波的临界距离与反超距离 首波的临界距离与反超距离 随着接收器R与震源O的距离逐渐增加，第一次出现折射波的时候，这个距离就是临界距离。在临界距离处的接收器R首先接收到的是直达P波，因为其路径较短，而折射波相当于绕了远路。要想使折射波第一个到达接收器，需要接收器和震源之间的距离较远，这样虽然仍然绕了远路，但全反射A—C段高速的优势能更明显体现，故会在临界距离以外的某一距离处反超直达波，成为地震图上首先到达的震相，这也是首波这个名字的来源（图2-1-8）。地震勘探领域使用折射波这一名称；天然地震领域常使用首波这一名称，最常见的首波是在莫霍面“滑行”的Pn波。除使用习惯外，折射波和首波同义（没有率先到达接收器的折射波也可以叫首波）。 首波的临界距离与反超距离 随着接收器R与震源O的距离逐渐增加，第一次出现折射波的时候，这个距离就是临界距离。在临界距离处的接收器R首先接收到的是直达P波，因为其路径较短，而折射波相当于绕了远路。要想使折射波第一个到达接收器，需要接收器和震源之间的距离较远，这样虽然仍然绕了远路，但全反射A—C段高速的优势能更明显体现，故会在临界距离以外的某一距离处反超直达波，成为地震图上首先到达的震相，这也是首波这个名字的来源（图2-1-8）。地震勘探领域使用折射波这一名称；天然地震领域常使用首波这一名称，最常见的首波是在莫霍面“滑行”的Pn波。除使用习惯外，折射波和首波同义（没有率先到达接收器的折射波也可以叫首波）。 竞赛真题精练时间～ 地震首波概念 【不定项选择】关于地震首波，下面描述正确的是（ ） A. 它总是地震图上首先到达的震相 B. 它可以首次在临界距离处观测到 C. 它在临界距离以外的某一距离处成为地震图上首先到达的震相 D. 它的形成需要上覆低速介质层和下部与之密接的高速介质层 地震首波概念 【不定项选择】关于地震首波，下面描述正确的是 （ BCD ） A. 它总是地震图上首先到达的震相 B. 它可以首次在临界距离处观测到 C. 它在临界距离以外的某一距离处成为地震图上首先到达的震相 D. 它的形成需要上覆低速介质层和下部与之密接的高速介质层 本题考察首波的临界距离与反超距离，解题必备图↓ 地震波+软流圈 ★★【不定项选择】根据物理性质，地球可以划分为若干圈层，关于软流圈，下面描述正确的是（ ） A. 岩浆的主要物质来源 B. 软流圈位于上地幔 C. 软流圈物质的密度比其上覆介质的密度小 D. 软流圈物质的地震波速度比其上覆介质的地震波速度小 地震波+软流圈 ★★【不定项选择】根据物理性质，地球可以划分为若干圈层，关于软流圈，下面描述正确的是（ ABD ） A. 岩浆的主要物质来源 B. 软流圈位于上地幔 C. 软流圈物质的密度比其上覆介质的密度小 D. 软流圈物质的地震波速度比其上覆介质的地震波速度小 本题考察软流圈的基本特性 地震波+软流圈 ★★【不定项选择】根据物理性质，地球可以划分为若干圈层，关于软流圈，下面描述正确的是（ ABD ） A. 岩浆的主要物质来源 B. 软流圈位于上地幔 C. 软流圈物质的密度比其上覆介质的密度小 D. 软流圈物质的地震波速度比其上覆介质的地震波速度小 本题考察软流圈的基本特性 作为部分熔融的软流圈是固态还是液态？ 地震波+软流圈 ★★【不定项选择】根据物理性质，地球可以划分为若干圈层，关于软流圈，下面描述正确的是（ ABD ） A. 岩浆的主要物质来源 B. 软流圈位于上地幔 C. 软流圈物质的密度比其上覆介质的密度小 D. 软流圈物质的地震波速度比其上覆介质的地震波速度小 地震体波特性 （26年3月初赛真题·不定项选择）某地发生强烈地震，震中区域的居民首先感觉到上下颠簸，随后才感觉到左右摇晃。这可能是因为（ ） A. 地震横波（S波）的传播速度比纵波（P波）快，且先到达地面 B. 地震纵波（P波）的传播速度比横波（S波）快，且振动方向与传播方向一致 C. 横波（S波）使物体振动方向与传播方向垂直，且携带能量较小 D. 震中区域的地质结构特殊，对S波有选择性放大作用 地震体波特性 （26年3月初赛真题·不定项选择）某地发生强烈地震，震中区域的居民首先感觉到上下颠簸，随后才感觉到左右摇晃。这可能是因为（ B ） A. 地震横波（S波）的传播速度比纵波（P波）快，且先到达地面 B. 地震纵波（P波）的传播速度比横波（S波）快，且振动方向与传播方向一致 C. 横波（S波）使物体振动方向与传播方向垂直，且携带能量较小 D. 震中区域的地质结构特殊，对S波有选择性放大作用 岩石基本力学性质 （单选）运动学涡度（Wₖ）可以定量表达物质在变形过程中纯剪切组分和简单剪切组分所占的比例，数值介于0和1之间。只有纯剪切应变时，Wₖ=0；而简单剪切应变，Wₖ=1；二者各占50%时，Wₖ=0.71。当Wₖ=0.5时，对纯剪切组分和简单剪切组分大小描述最准确的是（ ） A. 纯剪切组分高于简单剪切组分 B. 纯剪切组分低于简单剪切组分 C. 纯剪切组分等于简单剪切组分 D. 纯剪切组分占简单剪切组分的 1/2 岩石基本力学性质 （单选）运动学涡度（Wₖ）可以定量表达物质在变形过程中纯剪切组分和简单剪切组分所占的比例，数值介于0和1之间。只有纯剪切应变时，Wₖ=0；而简单剪切应变，Wₖ=1；二者各占50%时，Wₖ=0.71。当Wₖ=0.5时，对纯剪切组分和简单剪切组分大小描述最准确的是（ A ） A. 纯剪切组分高于简单剪切组分 B. 纯剪切组分低于简单剪切组分 C. 纯剪切组分等于简单剪切组分 D. 纯剪切组分占简单剪切组分的 1/2 本题主要考查对运动学涡度概念的理解。根据题目，Wₖ可以定量表达物质在变形过程中纯剪切组分和简单剪切组分所占的比例，数值越小，纯剪切应变占比越高。当Wₖ=0.71时，纯剪切组分和简单剪切组分所占的比例相同；随着Wₖ减小到0.5，纯剪切组分的占比高于简单剪切组分，A项正确。 多知识点融合 （不定项选择）下列关于地球的叙述你认为哪些是正确的？（ ） A. 地球的重力加速度在地球表面附近达到最大值 B. 地球可以分为内圈和外圈两大部分 C. 地球中含量最多的元素是氧和硅 D. 地球内部都是固体岩石 E. 地球内部的圈层主要是依据地震波的传播特征划分的 F. 地球内部的温度和压力是随深度的增加而增加的 多知识点融合 （不定项选择）下列关于地球的叙述你认为哪些是正确的？（ BEF ） A. 地球的重力加速度在地球表面附近达到最大值 B. 地球可以分为内圈和外圈两大部分 C. 地球中含量最多的元素是氧和硅 D. 地球内部都是固体岩石 E. 地球内部的圈层主要是依据地震波的传播特征划分的 F. 地球内部的温度和压力是随深度的增加而增加的 A选项图解：在核幔界面上→重力加速度g达到极大值 多知识点融合 （不定项选择）下列关于地球的叙述你认为哪些是正确的？（ BEF ） A. 地球的重力加速度在地球表面附近达到最大值 B. 地球可以分为内圈和外圈两大部分 C. 地球中含量最多的元素是氧和硅 D. 地球内部都是固体岩石 E. 地球内部的圈层主要是依据地震波的传播特征划分的 F. 地球内部的温度和压力是随深度的增加而增加的 【解析】地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。地球外圈可进一步划分为四个基本圈层，即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈；而地球内圈可进一步划分为三个基本圈层，即地幔圈、液体外核圈和固体内核圈，B项正确，D项错误。 多知识点融合 （不定项选择）下列关于地球的叙述你认为哪些是正确的？（ BEF ） A. 地球的重力加速度在地球表面附近达到最大值 B. 地球可以分为内圈和外圈两大部分 C. 地球中含量最多的元素是氧和硅 D. 地球内部都是固体岩石 E. 地球内部的圈层主要是依据地震波的传播特征划分的 F. 地球内部的温度和压力是随深度的增加而增加的 地震波计算题 【单选】在某一地震观测台站处，S波到时位于P波到时之后2.5 s，假定台站附近区域的地震波速度恒定，其中P波速度为6.0 km/s，S波速度为3.5 km/s，该台站与震源之间的距离大约为（ ） A. 11 km B. 21 km C. 31 km D. 41 km 地震波计算题 【单选】在某一地震观测台站处，S波到时位于P波到时之后2.5 s，假定台站附近区域的地震波速度恒定，其中P波速度为6.0 km/s，S波速度为3.5 km/s，该台站与震源之间的距离大约为（ B ） A. 11 km B. 21 km C. 31 km D. 41 km 【解析】本题为直达波的走时计算题，设所求距离为S；t₁、t₂分别为直达P波、S波从发震时刻传播到台站所用的时间，则有以下三组方程： S=Vᴘ·t₁ S=Vₛ·t₂ t₁-t₂=2.5 联立求解S=21km 下期讲解地震波深挖考点～ 下期讲解地震波深挖考点～ 下期讲解地震波深挖考点～ $