参数设置
蓝色:P波走时曲线,红色:S波走时曲线。竖点线表示所选震源距离。
$t_P = D / V_P$, $\quad t_S = D / V_S$
初期微动继续时间(PS时差)
$\Delta t = t_S - t_P = D \left(\dfrac{1}{V_S} - \dfrac{1}{V_P}\right)$
大森公式(近似)
$D \approx 7.42 \cdot \Delta t$ [km]
通过P波·S波速度差推估震源距离。直观理解大森公式和紧急地震速报的工作原理。
蓝色:P波走时曲线,红色:S波走时曲线。竖点线表示所选震源距离。
Vp/Vs与泊松比直接相关。$\nu = (Vp^2 - 2Vs^2) / (2(Vp^2 - Vs^2))$。花岗岩(Vp/Vs≈1.73、ν≈0.25)、饱和砂岩(Vp/Vs≈2以上、ν≈0.3~0.4)等,岩石种类和含水状态不同,Vp/Vs比不同。地震波层析成像利用此比探测火山岩浆库和流体存在。
从多个地震计的到达时差反向逆算三维位置(震源确定法)。震源距D是震央距(水平)和震源深度h的合成 $D = \sqrt{r^2 + h^2}$。深源地震(300km以上)发生在沉降板块内,日本特有深源地震面(和达-贝尼奥夫带)有观测记录。
仅从时间差无法推估规模。规模推估需要用P波振幅(最大变位)或P波波形陡峭度(频率内容)。紧急地震速报在P波到达3秒内从波形振幅进行"震级推估"和"震源距推估"结合,预测摇晃强度。
多个地震·地震计对的走时数据可三维成像地球内部速度结构。医学CT扫描的地球版。沉降板块(俯冲板)因冷温度、密度高,P波速度高呈明亮;热点(地幔柱)因温度高速度低呈暗色。地球规模的CFD/结构分析。
本工具假设均一速度结构(单层模型)。实际地球是地壳、上部地幔、过渡带、下部地幔、外核、内核的多层结构,深部处地震波会屈折反射。精确走时计算使用Jeffreys-Bullen表(JB表)或iaspei91速度模型(IASP91)。
地震波到达时刻模拟器基于从震源辐射的P波(纵波)和S波(横波)的传播速度差异,计算观测点各波的到达时刻。设P波速度为$V_p$,S波速度为$V_s$,震源距为$D$,则P波到达时刻$t_p$和S波到达时刻$t_s$分别表示为$t_p = D / V_p$和$t_s = D / V_s$。此时,两者的到达时差$\Delta t = t_s - t_p$被称为大森公式,整理为$\Delta t = D (1/V_s - 1/V_p)$。本模拟器利用这一关系,可视化从观测点测得的$\Delta t$反推震源距$D$的过程。另外,紧急地震速报原理也基于P波的早期检出,在S波到达前发警报,这依赖于$V_p > V_s$的速度差。通过本模拟器,可直观理解地震波传播特性和防灾技术的物理基础。
业界实际使用范例
建筑业,大成建设和大林组等将本模拟器用于耐震设计的高度化。例如超高层建筑"阿倍野哈尔卡斯"基础设计中,利用P波·S波到达时间差,根据假定震源距离等,优化免震·制振装置的配置。铁道领域,JR东日本将此应用于新干线早期停止系统,模拟地震检知到制动作动的时间延迟。与紧急地震速报联动的列车控制可靠性得到提高。
研究·教育应用
东京大学地震研究所将大森公式可视化教材采纳。学生直观理解震源距与P波·S波速度差(约1.7倍)的关系,成为地震学入门实习的必用工具。防灾科学技术研究所对比实时波形数据和模拟结果,研究地盘结构不均质性对到达时刻的影响。教育现场,中学理科课使用本工具进行"紧急地震速报工作原理"的体验学习。
与CAE分析的联动及实务定位
本模拟器与结构分析软件"ANSYS"、"Abaqus"的输入条件生成相联动。例如桥梁的地震应答分析,用本工具推估的震源距计算出的地震动波形作为边界条件设置。相比传统的统一地震波输入,更符合现象的非线性动态分析成为可能。在实务中,建筑许可申请时的性能评价书作成中,将本工具作为假定地震动合理性的视觉证据,促进设计者与审查机关的共识形成。
"P波和S波到达时差越大,震源越远"似乎是这样的思路,但实际上由于地盘结构的变化会改变波的传播速度,所以并非简单的正比例关系,需要注意。另外,"P波到达后到S波到达的时间直接对应震源距"的想法也很普遍,但大森公式仅是假设均质地盘的近似公式。实际地震中因地壳不均质性及反射屈折等影响,会产生误差。此外,"紧急地震速报在P波检知后立即确定震源"的理解也不准确。实际上需要数秒的处理时间来分析多个观测点数据,在震源附近的地区,S波到达后速报才发出的可能性是存在的。需要理解这一点。
震源距离100km情况下,P波速度6.8km/s、S波速度4.0km/s时计算,P波到达时间为14.7秒,S波到达时间为25.0秒,初动继续时间为10.3秒。阪神大震灾兵库县北部震源(M7.3)至神户市东灘区(距离约17km)的初动继续时间为5秒,大阪市(距离约50km)为7秒,证实了大森公式t=(TP-TS)×0.42的关系成立。