2025年大學《行星科學》專業(yè)題庫——行星地震波傳播機制分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述P波和S波在物理性質(zhì)、傳播方式及傳播速度上的主要區(qū)別，并說明這些區(qū)別如何反映了地球（或其他行星）內(nèi)部介質(zhì)的不同狀態(tài)。2.解釋什么是莫霍界面（Moho），它為什么存在，以及P波和S波通過該界面時會發(fā)生哪些主要變化？這些變化對確定莫霍界面的深度和性質(zhì)有何意義？二、1.當一束P波從地球的固體地幔以某一角度入射到地幔-地核邊界（Gutenberg界面）時，會發(fā)生反射和折射。請描述反射波和折射波（包括轉(zhuǎn)換為S波的折射波）的傳播方向和波型變化，并解釋為什么S波無法穿過液態(tài)外核。2.什么是地幔波導(dǎo)（mantlewaveguide）現(xiàn)象？請簡述其形成的條件，并說明其對S波在地球內(nèi)部傳播路徑和觀測記錄的影響。三、1.地震波在通過不同介質(zhì)時，其傳播速度會發(fā)生改變。除了介質(zhì)的密度外，還有哪些主要因素會影響P波和S波的速度？請分別說明這些因素如何影響波速。2.地震學家通過分析地震波的走時（time-distancecurves）來推斷地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。簡述走時分析的基本原理，以及如何利用走時差異來識別地球內(nèi)部的不同圈層和界面。四、1.地震波在傳播過程中，尤其是在遇到界面時，會發(fā)生反射和折射。請解釋反射系數(shù)和折射系數(shù)的基本概念，并說明它們主要取決于哪些因素？2.假設(shè)在地幔中存在一個水平分布的低速帶，請描述從該低速帶上方的一點出發(fā)的P波和S波在通過低速帶時，其傳播速度、路徑和走時會發(fā)生哪些變化？這些變化對于探測和確定低速帶的位置和范圍有何幫助？五、1.簡述面波（包括Love波和瑞利波）的產(chǎn)生機制，并說明它們與體波（P波和S波）在傳播速度、振幅衰減和穿透深度等方面的主要區(qū)別。2.為什么面波只能在固體介質(zhì)中傳播？它們在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測中具有哪些獨特的優(yōu)勢？3.地震波速異常是指實際測量的波速與理論模型預(yù)測的波速之間存在差異。請列舉幾種可能引起地震波速異常的內(nèi)部原因（如溫度、壓力、成分、孔隙流體等），并簡述這些原因如何導(dǎo)致波速的變化。試卷答案一、1.P波是縱波，質(zhì)點振動方向與波傳播方向一致，可以在固體、液體和氣體中傳播，速度最快；S波是橫波，質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向，只能在固體中傳播，速度比P波慢。波速主要取決于介質(zhì)的彈性模量（抵抗形變的能力）和密度。P波和S波速度的差異反映了介質(zhì)對壓縮形變和剪切形變的響應(yīng)不同，P波速度更快說明介質(zhì)更難被壓縮，而S波速度反映介質(zhì)抵抗剪切變形的能力。在地球內(nèi)部，P波和S波速度的巨大差異以及S波的不連續(xù)存在，是判斷是否存在液態(tài)外核和確定不同圈層邊界（如莫霍面、古登堡面）的關(guān)鍵依據(jù)。2.莫霍界面（Moho）是地殼和上地幔頂部之間的分界面。它的存在是由于地殼和上地幔頂部在化學成分和物理狀態(tài)（特別是固體狀態(tài)）上存在顯著差異。當P波和S波從地殼進入上地幔時，由于介質(zhì)密度的增加和彈性模量的增大（特別是剛性模量的顯著增加），P波速度和S波速度都會發(fā)生明顯的突變，表現(xiàn)為波速的急劇增加。通過精確測量這些波速的變化，并結(jié)合地震波的走時數(shù)據(jù)，地震學家能夠確定莫霍界面的深度和起伏形態(tài)，從而揭示地殼的厚度和結(jié)構(gòu)。二、1.當P波從固體地幔入射到液態(tài)外核界面（古登堡面）時，一部分能量會以反射波的形式返回地幔，其傳播方向與入射波關(guān)于界面法線對稱；另一部分能量會以折射波的形式進入外核，但折射波的傳播方向會發(fā)生變化。由于液態(tài)外核不能傳播S波，入射的S波在到達界面時，會同時產(chǎn)生反射S波（傳播方向?qū)ΨQ）和一種特殊的折射波，稱為轉(zhuǎn)換波（轉(zhuǎn)換S波），其振動方向垂直于入射波和界面的公切線方向，沿外核傳播。P波的折射遵循斯涅爾定律，折射角取決于入射角和兩種介質(zhì)中P波速度的比值；由于外核不能傳播S波，S波無法發(fā)生有效的折射進入外核，只能全部反射。2.地幔波導(dǎo)現(xiàn)象是指S波在地幔中沿著一個高速帶（通常位于軟流圈之上或內(nèi)部）進行長距離傳播的現(xiàn)象。其形成條件是地幔中存在一個水平分布的、厚度較大的S波高速帶，該帶的S波速度顯著高于其兩側(cè)的介質(zhì)。當來自地核的S波向下傳播到達這個高速帶時，由于界面兩側(cè)波速的差異，S波會發(fā)生全反射，無法繼續(xù)向下進入地幔更深的部分，而是被“約束”在這個高速帶內(nèi)，沿著帶邊進行類似于光在光纖中傳播的“管道”式傳播，從而實現(xiàn)長距離的傳播。地幔波導(dǎo)的存在對S波的全球傳播路徑有重要影響，使得某些遠震的S波記錄到異常的走時和路徑，為研究地幔內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了重要信息。三、1.除了密度，影響P波和S波速度的主要因素包括介質(zhì)的彈性模量，具體來說是楊氏模量（E）、剛性模量（G）和體積模量（K）。P波速度（Vp）主要與體積模量和剛性模量有關(guān)，而S波速度（Vs）主要與剛性模量和密度有關(guān)。通常，介質(zhì)的溫度升高、壓力增大（在一定范圍內(nèi)）以及成分中塑性組分增加，都會導(dǎo)致彈性模量下降，從而使P波和S波速度降低。反之，成分越純凈、結(jié)晶程度越高、溫度和壓力越低，波速通常越快。因此，溫度、壓力、化學成分、礦物相態(tài)（如結(jié)晶度、孔隙度）以及流體的存在等都是影響波速的關(guān)鍵因素。2.走時分析是利用地震波從震源到觀測點的旅行時間（走時）與震源深度、震源位置和觀測點位置之間建立的關(guān)系來推斷地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種方法?；驹硎牵簩τ诮o定的地球模型，理論上可以計算出從任意震源到任意觀測點的P波或S波的預(yù)期走時曲線（即走時-距離關(guān)系）。通過比較實際測量的地震波走時與理論走時，如果存在差異，則表明實際地球結(jié)構(gòu)與理論模型存在偏差。例如，如果測得的走時比模型預(yù)測的短，可能意味著震源或路徑上存在波速異?？斓膮^(qū)域；如果走時更長，則可能存在波速異常慢的區(qū)域。通過分析大量地震事件的走時數(shù)據(jù)，可以繪制出全球范圍的走時表，識別出不同的波速層和界面，從而構(gòu)建地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。四、1.反射系數(shù)（R）和折射系數(shù)（T）描述了波在兩種介質(zhì)界面處發(fā)生反射和折射時，反射波和折射波的振幅（或能量）與入射波振幅（或能量）的比值。對于P波，反射系數(shù)主要取決于兩種介質(zhì)中的P波速度和密度的差異；折射系數(shù)則取決于速度和密度的差異以及入射角。對于S波，反射系數(shù)和折射系數(shù)主要取決于兩種介質(zhì)中的S波速度和密度的差異。這些系數(shù)是線性彈性介質(zhì)中波動理論的數(shù)學結(jié)果，它們的大小直接反映了界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)（特別是波阻抗，即密度與波速的乘積）的匹配程度。波阻抗差異越大，反射越強，折射角度偏離垂直方向越明顯。2.低速帶是地幔中波速顯著低于周圍介質(zhì)的部分。當P波和S波通過低速帶時，由于波速變慢，其傳播時間會增加，導(dǎo)致走時曲線出現(xiàn)“彎曲”或“平臺”段。P波通過低速帶時，其路徑可能會發(fā)生彎曲，尤其是在靠近低速帶邊緣處。S波通過低速帶時，速度減慢，振幅衰減可能更顯著，并且其路徑也會發(fā)生彎曲。這些變化使得地震波能夠探測到低速帶的存在，并通過分析走時延遲、路徑彎曲程度和振幅變化，來確定低速帶的范圍、厚度、形狀和可能的成因（如高溫、高流體含量、部分熔融等）。五、1.面波是在介質(zhì)表面附近傳播的彈性波，包括Love波和瑞利波。Love波是橫波，質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向，且在垂直于傳播方向的平面內(nèi)振動，類似于地面上的水平搖擺。瑞利波是縱波和橫波的復(fù)合波，質(zhì)點振動方向在波傳播方向的垂直平面內(nèi)，質(zhì)點運動軌跡呈橢圓狀，隨深度衰減。面波的產(chǎn)生需要體波（P波和S波）在自由表面或近自由表面處發(fā)生多次反射和干涉。面波的速度比對應(yīng)的體波（P波和S波）慢，振幅隨深度迅速衰減，因此主要在地球淺部（通常是地殼和上地幔頂部）傳播。面波的能量主要集中在地表附近，對地表工程結(jié)構(gòu)影響較大，同時也是研究地殼結(jié)構(gòu)的重要工具。2.面波只能在固體介質(zhì)中傳播，因為它們依賴于自由表面或近表面的邊界條件來形成。Love波的傳播需要介質(zhì)具有自由表面和剪切模量（不能是流體）。瑞利波的傳播需要介質(zhì)具有體積模量和剪切模量（不能是流體）。由于液體和氣體不能抵抗剪切形變（剪切模量為零），因此面波無法在液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)中形成和傳播。面波在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測中具有獨特優(yōu)勢，因為它們可以提供關(guān)于地表附近和淺部地殼結(jié)構(gòu)的詳細信息。與只能穿透到較深地幔的體波相比，面波能更清晰地反映地殼的厚度、均勻性和不連續(xù)性。此外，面波的全球觀測記錄對于研究地球的整體旋轉(zhuǎn)、內(nèi)部質(zhì)量分布和耦合等長期動力學過程也至關(guān)重要。3.引起地震波速異常的內(nèi)部原因主要包括：①溫度：地溫升高通常會導(dǎo)致礦物晶格膨脹，原子間距增大，使得原子間作用力減弱，導(dǎo)致彈性模量下降，從而使波速降低。地幔深處溫度高，波速通常比淺部低。②壓力：壓力增大會使原子間距減小，原子間作用力增強，導(dǎo)致彈性模量增加，從而使波速升高。地幔深處壓力高，波速通常比淺部高。③成分：介質(zhì)成分的改變會直接影響礦物的性質(zhì)。例如，含有更多鐵鎂元素或部分熔融體的介質(zhì)，其波速通常會發(fā)生變化（通常降低）。不同礦物組合的混合也會導(dǎo)