Posted by 对地震学较为熟悉的人们都知道，大多数地震波通常只在固体地球内传播。然而，诸如P波之类的地震波在充满着熔融态金属的外核、或是在人类生命之源的海洋等内部也可以传播。特别是，科学家们通过近代的地震观测发现，地表的海洋中还可以传播一种特别的地震波。如图1所示，由于这种地震波的速度比S波还慢，在震波图中往往以第3个到达的地震波出现，因此这种地震波被命名为T波（tertiary wave，直译为“第3个波”）。
T波的传播特征
T波通常会被海底地震仪和设置在海岸附近的观测点记录到。特别是根据最近的观测结果，人们发现T波在被称为SOFAR通道（SOFAR channel，深海低频声学通道）的水深1000至3000米的区域可以得到很好的传播。因此，如果观测点附近的海洋深度超过了3000米，则T波就更容易被记录到。通常来讲，T波在海洋中的传播速度仅为1.5 km/s，比在地表附近传播的P波（约6.0 km/s）和S波（约3.5 km/s）都要慢。由于海洋内部物质的不均匀性，T波可以被反复反射、散射，因此T波的持续时间比通常的地震波都要久很多，甚至其振幅大小有时都会比P波和S波大很多。
那么，为什么T波可以在水深1000至3000米的SOFAR通道中有效地传播呢？这是因为这个区域内独特的水温和水压可以形成一种震波以很慢的速度进行传播的层（低速带）。通常而言，介质的温度越低，则波速也越低；而介质的压强越大，则波速也会增大。刚才提到的SOFAR通道恰好处于水压不强也不弱，温度不高也不低的状态，因此可以形成利于低速度波进行传播的水层。而在其上方和下方的水层则因为水温较高或水压较大的原因，只能形成高速带。地震波在这种上下都被高速带夹住的低速度层传播时，由于震波很难穿透至高速带，因此震波的能量一直被保存在低速带中，从而使得T波在SOFAR通道中可以不受阻地进行传播。如读者有兴趣，可以根据如图2所示的模型，利用地震波传播学中最基本的斯奈尔折射定律等进行推导。
T波的生成原理
从本质上来讲，与P波类似，T波也是一种纵波。不过，T波并不是从震源发出的地震波，而是地震波传播至海底等地形时变换而来的波。因此，在海底下方发生的浅源地震、伴随海底火山喷火产生的振动等事例中，经常可以观测到T波。目前，学界已经提出了至少2个关于T波的生成原理。
首先，让我们来介绍一个被称为“倾斜海底面模型”的模型。根据这个模型，产生自震源的地震波在转换为T波后，如果海底面的倾角较大，则T波可以在水平传播的过程中在海面与海底面之间进行多重反射，最终整体呈现出T波在SOFAR通道持续进行传播的特征。而另一种模型则是考虑了海底面倾角较小的情况。这个模型认为，即便海底面倾角较小，地震波也可以通过深海底存在的海底山脉等局部的凹凸地形转换成T波。
深源地震产生的T波
刚才讲到，T波多产生自浅源地震。然而，有时地震学者们也可以观测到产生自深源地震的T波。例如，每当库页岛等俄罗斯沿太平洋地区下方发生深源地震后，在距离震中约10000千米开外的波利尼西亚地区经常可以观测到T波；而在玻利维亚发生深源地震后，远在太平洋彼岸的小笠原群岛也可以观测到T波。这究竟是为什么呢？
原来，由于深源地震的震源附近被柔软的地幔包裹着，因此地震波可于地壳内部在不受衰减的情况下进行传播。在地震波顺着板块内部传播至海沟附近后，由于海沟附近的海底面基本都呈倾斜状，根据刚才提到的“倾斜海底面模型”，地震波在此处可以转换为T波。
但是，这该如何解释并非所有深源地震都能形成可被观测的T波呢？为了解释这个问题，我们需要仔细思考俯冲至地幔内部的板块的形状。在大多数人的直觉里，板块在海沟俯冲至地幔内部时，貌似不会产生大范围的断裂等情况。然而，事实上由于地球内部复杂的压强、温度等物理环境，俯冲至地幔内部的板块并不一定呈现出很好的连续性。因此，在很多地区发生的深源地震并不能像刚才所提到的情形一样，地震波可能无法保持在板块内部进行传播。这便导致传播到海沟附近的倾斜海底面的震波能量大为削弱，因此无法生成规模较大的T波。
海底山脉反射而来的T波
还记得我们在“T波的生成原理”一节中提到的关于海底山脉的第2个模型吗？为了更加直观地理解这个模型，让我们一起来思考一个典型例子——2008年岩手县沿岸北部地震。该次地震发生于2008年7月24日凌晨0时26分，规模为Mj 6.8级，震源深度约为110千米，被认为是发生在俯冲于东北日本下方的太平洋板块内部的一次地震。由于地震规模较大，日本防灾科学技术研究所（NIED）在地震发生后紧急召集了研究人员，对遍布日本各地的观测点记录到的地震波形进行了分析。
就在研究人员们集中精力分析地震波形时，如图3所示，在地震发生约50分钟后，设置在研究室内的实时波形监视器上突然出现了十分奇妙的波形。没有明确的初动、持续时间极长、只有位于海岸附近的观测点观测到较大的波形等特征，使得这个波形看起来与余震或者其他地区发生的地震所形成的波形明显不同。
后来，经过研究人员们的分析，这个奇怪的波形被认为是T波所致。不过，由于地震发生约50分钟后才观测到这个波形，研究人员认为这个T波并非是在震源附近的海底直接形成的，而是在T波在震源附近的海底形成后，传播至遥远的夏威夷群岛附近的天皇海山链后反射回日本附近才被观测到的（图4）。为了验证这个假说，研究人员们还特意进行了理论计算。最终，数值计算的结果与实际观测到的波形基本吻合，验证了该假说成立。
T波对防灾面的影响
T波不仅会对沿岸地区造成持续且较为强烈的摇晃，同时还有带来规模更大的海啸风险。以2006年11月发生的千岛群岛近海地震（Mj 8.1）为例，在日本气象厅预测的海啸到达时刻的几小时后，正当人们以为海面已经趋于平静，海啸不会再来袭时，北海道沿岸地区竟然再次观测到了规模较大的海啸。这个海啸与刚才2008年岩手县沿岸北部地震的例子相同，都是由天皇海山链反射的T波导致的。而以最近几年发生的若干次鸟岛地震为例，这些地震的规模明明都只有5-6级左右，通常来讲远远不及可以引发海啸的规模，但实践中伊豆群岛等地每次都能观测到半米左右的海啸。当然，在我去年发布的一篇博文（5级地震也能引发海啸？——浅谈日本鸟岛地震海啸）中提到过，鸟岛近海地震海啸的成因尚未明确。但近年随着对T波研究的深入，越来越多的研究人员认为T波可能就是这些海啸的罪魁祸首（或主要原因之一）（Sandanbata, et, al., 2023）。因此，除了可以对地震波动力学等领域作出进一步贡献外，对防灾科学而言，围绕T波进行更为深入的研究是十分有必要的。
参考文献
- 小原一成・前田拓人．（2009）．T波．なゐふる．75．pp. 2-3．
- Sandanbata, O., Satake, K., Takemura, S., Watada, S., & Maeda, T. (2023). Enigmatic tsunami waves amplified by repetitive source events in the southwest of Torishima Island, Japan. Authorea Preprints.