什么是大森公式?
地震发生时,会有两种主要的体波从震源向四周传播。速度更快的 P 波(纵波)最先抵达,随后才是速度较慢的 S 波(横波)——后者带来最强烈的主震动。这两种波到达观测点的时间差,就是所谓的"初期微动持续时间",记作 \(t\)。大森公式正是利用这个时间差,来估算观测点到震源的距离 \(d\):$$d = k \times t$$这是一条通用的地震学物理规律,全球的地球科学课程都会讲到,并不局限于某个国家或地区。
计算器使用方法
首先选择地震类型,系统会据此给出大森常数 \(k\) 的典型参考值(浅源近距离地震约为 8 km/s,距离较远的地震约为 6 到 7 km/s)。你也可以在合理区间 4 到 10 km/s 内自行调整 \(k\) 值。接着输入初期微动时间 \(t\)(以秒为单位),也就是实测的 P 波与 S 波到达时间差。计算器会返回以千米为单位的震源距离 \(d\)。
公式原理详解
两种波传播的距离 \(d\) 是相同的。P 波用时 \(d/V_p\) 秒,S 波用时 \(d/V_s\) 秒,因此时间差为 $$t = \frac{d}{V_s} - \frac{d}{V_p} = \frac{d(V_p - V_s)}{V_p V_s}.$$求解 \(d\) 可得 $$d = \frac{V_p V_s}{V_p - V_s} \times t.$$其中前面的系数恰好就是大森常数 \(k = \dfrac{V_p V_s}{V_p - V_s}\),于是公式可简化为 \(d = k \times t\)。由于 \(k\) 的单位是 km/s,\(t\) 的单位是 s,所以 \(d\) 直接以千米为单位得出,无需再做单位换算。
实例演算
假设 \(k = 8\) km/s,\(t = 3\) s,则 $$d = 8 \times 3 = 24 \text{ km}.$$我们再用具体波速来验证:\(V_p = 8\) km/s,\(V_s = 4\) km/s,则 $$k = \frac{8 \times 4}{8 - 4} = \frac{32}{4} = 8 \text{ km/s}.$$P 波在 \(24/8 = 3\) s 时到达,S 波在 \(24/4 = 6\) s 时到达,二者相差 3 s,正好等于 \(t\)。可见震源距离约为 24 km。
常见问题
为什么 \(k\) 会变化? 波速取决于波所穿过的岩层介质,因此平均的 \(k\) 值会随深度和距离不同而改变,这就是典型取值落在 4 到 10 km/s 区间的原因。
如果 \(t = 0\) 会怎样? 这表示 P 波和 S 波同时到达,得到 \(d = 0\) km,意味着两者之间几乎没有可测量的时间间隔。
这个结果精确吗? 并不精确。它假设波沿直线穿过均匀介质、以恒定的平均波速传播,因此只是一个很好的教科书级近似值,而非精确的定位工具。