近地表物质周期性分布在抗震中的作用分析

李正伟

（云南医药健康职业学院，云南·安宁 650223）

一、引言

地震是地球内部的某个部分在内外力作用下突发剧烈运动而引起地面震动的现象，也称地动。地震主要以弹性波的形式由震源向外传播能量[1]。根据爆发诱因，可分为人工地震和天然地震。天然地震由于地下深处岩石破裂、错动，长期积累的能力急剧释放而产生，造成的破坏和影响范围极大。

基于对油气资源需求和抗震防震的迫切需要，地震的产生机理与地震波的传播特性研究一直是地质学和地球物理学的研究热点。马晓龙[2]基于堪察加半岛和阿留申群岛的地震和南美洲西海岸的地震以及太平洋西岸的地震信息分析了下地幔底部小尺寸不均一速度的结构特征；廖少波[3]结合汶川地震研究了强震作用下块状岩体边波的稳定性；赵秋芳[4]结合川东某地震勘探区实测微测井和华北某勘探区的地震信息，探究了地震波的衰减机理；鉴于地层的非完全弹性，造成的地震信号分辨率降低和失真，影响到了地震成像的精度，汪宇锋[5]等研究了地震波吸收建模和补偿方法。胡晓临[6]探讨了动态晶格法在各向异性地震波场模拟中的应用。

在学者的不断努力下，创立了基于位移表示定理、弹性动力学和综合两种优势综合法的三种地震模拟方法；应用有限差分、谱元法、伪普法、有限元、边界元法和有限体积法等数值计算方法探究地震波在地壳近地表面的传播特性。尽管在探究地震的产生机理和传播方法方面取得了喜人的成就，然而由于地震波的爆发中心（震中）位于地球深层和地震所产生的的能量十分巨大，以至于在研究地震波时，只能借助于模型进行推测。构建地震模型探究地震的发生机理和探究地震波传播特性依然是研究地震的重要方法。

二、声学材料

声学材料的研发已成为近年来的一个研究热点。根据声波长度与晶体的晶格常数的比值大小，将声学材料分为声学超构材料[7]、声子晶体[8]和声学超颖材料[9]。基于局域共振机理发展起来了两门新型此案例——声学超构材料和声学超颖材料，声学超构材料侧重于研究10Hz—10kHz 宽频声禁带，声学超颖材料主要侧重于高频或超高频声带的研究。在局域共振型结构中，声频带隙比对应晶格常数大2个数量级。存在弹性波带隙，材料的周期性分布与结构的周期性是产生带隙的主要原因，产生带隙机理主要源于声波的散射。

在特定的频率范围内，声波在声子晶体中传播呈现出负折射、声聚焦、吸收、定向传播以及缺陷态等特性。在一定的频率范围内，声学超构材料和声学超颖材料还具有负折射、隐身、投射等特性。集中质量法、多散射理论、时域有限差分法、传递矩阵法和平面波展开法等算法广泛应用于声学材料带隙的计算；周期结构和单散射体的Mie 散射共同作用是形成声学材料带隙特性的主要原因；在Bragg 型声学材料中，各元胞之间的相互作用或者说周期性结构起主导性作用[10]；在局域共振型声学材料中，单个散射体的共振特性起着主导作用。

三、地震波

地震来临之前的数分钟、数小时或数天时间内，地下深处会传来异常声响，称之为地声[11]。表1.反映了在地震发生前，地球内部所发出的声响。

李国平[11]依据波的传播特性，将福建省的上地壳至地幔分成了七层，这些说明将类比声子晶体的结构分析地震波的传播特性是可行。

由于地球内部的构造及其复杂，地壳、地幔都不是有由单层物质构成，然而相比于人造声子晶体，地壳的厚度在数千米到数十千米之前，由震源产生的次声波波长在几公里到数公里之间，抵消了地壳内部物质不纯所带来的影响。

本文将依据地球的内部结构及其物质的相关特性，建立层状声子晶体结构模型，以探索地震波在地壳中的传播特性，并依据地壳不同层的物质特性，构建三维声子晶体的结构模型，已探究被撕裂的小波以及热声子的传播特性。

四、地震波的传播特性模拟

图1.地壳二维结构模型

应用有限元软件comsol模拟建立宽30km，高41km的二维图形，模拟地震波在周期性材料中的传播特性。最下层为基岩，密度和声速为常数，其上为四层密度和传播声速依次递减的周期性材料，以模拟地表上层地震波的传播特性。设置的相关材料如下表所示。地层基岩模块宽30km，高1km，密度为3000kg/m3，声速为3000km/s；其上每层都是宽30km，高为10km的模拟地壳，密度函数和声速函数如下：

输入100Mpa 的压力，h 为岩土厚度所得结果如图所示。

图2.周期性结构的传播特性

图3.地震波能量的耗散结构。

由图可知，地震波在经过密度和速度固定材料后，所携带绝大部分能量会耗散在周期性的材料中。

五、总结

通过分析地壳的地质结构和声子晶体的周期性结构特点，找到了地震声波与声波之间的联系，结合地壳上层岩石的层析特点，设计了密度和传声周期性变化的材料，通过施加声压模拟地震波在周期性结构岩石等地表物质的传播特点，发现了近地表周期性岩石土壤在耗散地震波所携带的能量的巨大作用。