地震概论第二章.ppt
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1、作者:赵克常,第一节 波的性质简述 第二节 地震波 第三节 地震波的类型 第四节 地震波的波序,第二章 地 震 波,作者:赵克常,波动是振动的传播过程。,机械波:机械振动在介质中的传播过程。,电磁波:变化的电场和变化的磁场在空 间的传播过程。,第一节 波的性质简述,作者:赵克常,作者:赵克常,作者:赵克常,1. 机械波产生的条件,弹性介质,注:波动是波源的振动状态或振动能量在介质中 的传播,介质的质点并不随波前进。,波源,作者:赵克常,2.横波和纵波,横波:质点的振动方向和波的传播方向垂直。,注:在固体中可以传播横波或纵波,在液体、 气体(因无剪切效应)中只能传播纵波。,纵波:质点的振动方向和
2、波的传播方向平行。,振动方向,传播方向,作者:赵克常,当波源作简谐振动时,介质中各个质点也作简谐振动,这时的波动称为简谐波(正弦波或余弦波)。,纵波和横波的传播过程:,作者:赵克常,3.波阵面和波射线,波线:沿波的传播方向作的一些带箭头的线。波线 的指向表示波的传播方向。,波阵面:在波动过程中,把振动相位相同的点连成的面(简称波面)。,波前:在任何时刻,波面有无数多个,最前方的波面即是波前。波前只有一个。,平面波:波面为平面,球面波:波面为球面,柱面波:波面为柱面,作者:赵克常,波阵面和波射线,平面波,球面波,1、在各向同性介质中传播时,波线和波阵面垂直。,注:,2、在远离波源的球面波波面上的
3、任何一个小部份,都可视为平面波。,作者:赵克常,球面波、柱面波的形成过程:,波阵面和波射线,作者:赵克常,4.波长和频率,频率和周期只决定于波源,和介质种类无关。,频率:周期的倒数。,周期:传播一个波长距离所用的时间。,波长:在同一条波线上,相差为 的质点间的距离。,波速、周期和波长之间存在如下关系:,作者:赵克常,波长、频率和波速之间的关系,当波长远大于介质分子间的距离时,宏观上介质可视为是连续的;若波长小到分子间距尺度时,介质不再具备连续性,此时不能传播弹性波。,弹性波在介质中传播时存在一个频率上限。,作者:赵克常,我们见到的波动很少是单频率的,它们通常是不同频率波动的混合。 在更多的情况
4、下,尽管一种特定的波并不是单一频率的,在这种波的波谱中却有一个或几个起主要作用的优势频率。对于光波来说,不同的优势频率决定了不同的颜色,而对于声波来说,不同的优势频率决定了不同的音调。当涉及频率或周期的时候,我们指的一般都是这种优势频率或优势周期。 我们可以用波前来描述波的传播。在高频近似的情况下,我们也可以使用波射线来描述波的传播。这种情况与在光学中所见到的情形是相似的:在那里,我们可以使用光线来描述光波的传播,光线不仅能描述光的传播,而且还可以很好地描述光在不同介质的分界面上的反射和折射。但是,如果涉及到光波的干涉、散射和衍散,那么光线的概念就不再适用,我们还得回到光波的概念。,作者:赵克
5、常,第二节 地震波,地震波是一种由地震震源发出在地球内部传播的波。至今为止,人们对地球内部的认识主要来自地震学,因为人们不能直接达到地球内部,只能靠地震激发的地震波来研究它。 当地震发生时,从震源辐射出各种类型的波,有些波通过地球内部传播,有些沿着表面传播。从这些波的走时,频率和振幅特性或频散性质,可以确定地球内部的波速和深度的关系。,作者:赵克常,一、弹性介质及弹性常量 1、弹性介质,岩石或地层的连续性并不好,而且岩石的化学成分和物理性质也常有变化。但是,我们所讨论的地震波,其波长一般大于数百米以至数千米,因此地球介质通常可以认为是均匀和连续的。 对于天然地震和人工爆破,除了在源附近外,介质
6、所受的力一般都是很小的, 延续的时间很短, 通常可以视介质为完全弹性体。,作者:赵克常,介质的弹性性质(elastic):,DL,s,应变: e=DL/L,DL/L=s/E,应力: s=F/A,s=Ee,Hookes Law:,未加载,加载,卸载,作者:赵克常,介质的 脆性 性质(brittle),DL,s,未加载,加载,卸载,作者:赵克常,介质的塑性性质(plastic):,DL,s,未加载,加载,卸载,卸载不能完全恢复原状,有“永久残余变形”。,作者:赵克常,Stress-Strain Relation (based on experimental result),Linear range
7、 (Hookes Law),Elastic range,failure,Plastic deformation,Permanent strain,0,Strain(e),Stress(s),Failure (brittle),作者:赵克常,Rheology(流变学) Property,Time (t),Strain (e),stress applied,permanent strain,on,off,elastic,anelastic,plastic,作者:赵克常,应力、应变及广义胡克定律,h,Dh,A,F,截面积:,作用在 A上的拉力,胡克定律:,应力:,应变:,作者:赵克常,2、弹性常量
8、杨氏模量(E),在线应变(纯伸长或纯压缩)情况下,应力与应变满足 式中L是纵向应力引起的长度变化,E为杨氏模量。,作者:赵克常,泊松比( ),当样品受到纵向拉力,在纵向发生伸长的同时,在横向上也必然发生相应的缩短,反之,纵向压缩,必伴随横向的扩张。设样品的横截面线度为d,其变化量为d,则横向线度的相对变化率d/d与纵向长度的相对变化率L/L之比为常数,此常数即为泊松比,即 式中 称为泊松比。实验表明,对于一切介质, 介于0到1/2之间,金属介于1/4到1/3之间。对于地球介质,常取1/4表示地幔的大部分,对于地球外核(液态)取为1/2。式中的负号表明d与L变化方向相反。,作者:赵克常,体变模量
9、(K),在地球介质中,最常见的是液体静压力,即各个方向都受到压力,且大小相等。体变模量则表示在这种情况下应力与应变的比值,即 式中K称为体变模量,V是静压力引起的体积变化量。,作者:赵克常,切变模量(),在单纯发生剪切应力(力的方向与受力面平行)时,应力与应变的比值称为切变模量。切应变时不发生体积变化,仅发生形状变化。可以表示成 式中是在切变情况下的偏转角度,为切变模量,或叫刚性系数。,作者:赵克常,上述的E、K、 四个弹性常数是由物质本身性质决定的。在这四个弹性常数中,只有两个是独立的,满足:,作者:赵克常,x,y,z,(x,y,z),一般情况下,物体的变形 用位移场或形变场描述。,因此,一
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