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<h1>地心震波奇幻之旅 🌍</h1>
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<p>好的,各位同學們,我們準備上課囉!</p>
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<p>今天我們要來一場「地心震波」的奇幻之旅!大家有沒有想過,當地震發生時,地底下到底發生了什麼事?我們是怎麼知道地球內部是什麼樣子?祕密武器就是「地震波」!</p>
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<p>這些圖片就像是地球物理學家的藏寶圖,帶我們一步步解開大地的謎團。接下來,老師會帶大家看懂這些圖,你會發現,原來地球物理學也可以這麼有趣!</p>
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<h2>第一站:認識我們的震波主角!</h2>
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<p>首先,我們來認識一下地震波這個大家族。想像一下,你在水池中央丟一顆石頭,水面上會產生一圈圈的漣漪,對吧?地震波就像是地球內部的漣漪,只是它更複雜,跑得更快!</p>
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<p>主要分成兩大家族:</p>
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<ul>
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<li><strong>體波 (Body Waves)</strong>:他們是急先鋒,喜歡在地球「身體」內部到处跑。</li>
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<li><strong>表面波 (Surface Waves)</strong>:他們是跟屁蟲,主要沿著地球表面傳播,也是造成建築物搖晃的元凶!</li>
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</ul>
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<p>讓我們來看看第一張圖:</p>
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<img src="1000030020.jpg" alt="不同種類的地震波示意圖">
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<p>這張圖很清楚地畫出了不同地震波的「舞步」。</p>
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<h3>體波 (Body Waves)</h3>
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<ul>
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<li><strong>P波 (Compressional Wave - 壓縮波)</strong>:他是速度最快的,像個急驚風!他的傳播方式是「前後壓縮」,就像彈簧一樣。想像一下捷運上人擠人,後面的人一推,力量就一波波往前傳,這就是P波。所以地震發生時,你最先感覺到上下跳動一下,通常就是P波老大駕到!</li>
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<li><strong>S波 (Shear Wave - 剪切波)</strong>:他跑得比P波慢,是個優雅的舞者。他的舞步是「左右搖擺」,像繩子甩動一樣,上下或左右晃動。這種搖晃對建築物的破壞力很強!</li>
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</ul>
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<h3>表面波 (Surface Waves)</h3>
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<ul>
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<li><strong>洛夫波 (Love Wave)</strong>:他跟S波有點像,也是左右晃動,但只在水平面上移動,像蛇一樣在地面上扭來扭去。</li>
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<li><strong>雷利波 (Rayleigh Wave)</strong>:他是最慢的,但也是最複雜的破壊王!他的舞步是「橢圓形滾動」,就像海浪一樣,讓地面上下前後滾動。你感覺到地面像在坐船一樣搖晃,就是雷利波的傑作。</li>
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</ul>
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<div class="note">
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<p><strong>重點筆記</strong>:P波最快,S波次之,表面波最慢。造成災害的主要是表面波!</p>
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</div>
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<h2>第二站:科學家如何「聽」地球的聲音?</h2>
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<p>我們不可能鑽到地心去探險,那要怎麼知道地底下的祕密呢?很簡單,我們在地面上擺放很多超級敏感的「耳朵」——<strong>接收器 (Receivers)</strong>,來接收地震波的訊號。</p>
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<img src="1000030022.jpg" alt="震源與接收器設置示意圖">
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<p>這張圖就是我們進行地球物理探勘的基本設置。我們會用一個<strong>震源 (Source)</strong>,比如用可控的炸藥或重錘,在地面上「敲」一下,製造出人造的微小地震。然後,在不同距離擺上一排<strong>接收器</strong>,去記錄不同種類的地震波什麼時候抵達。</p>
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<p>這就像什麼呢?想像一下,你在起點鳴槍,不同跑者(P波、S波、表面波)用不同的速度往前跑,我們在沿途設置好幾個碼錶(接收器),記錄他們分別在何時通過。有了這些時間紀錄,我們就能反推出跑道的狀況(地底下的構造)!</p>
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<h2>第三站:解讀地震波的「到貨通知單」</h2>
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<p>接收器收到的訊號,畫出來就叫做<strong>地震圖 (Seismic Trace)</strong>。讓我們來看看這張圖:</p>
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<img src="1000030030.jpg" alt="單一接收器記錄到的地震圖">
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<p>這張圖分成兩部分:(a) 部分畫出了震源和接收器的位置以及波的傳播路徑,(b) 部分就是這個接收器記錄到的地震圖。Y軸是<strong>傳播時間 (Travel Time)</strong>。</p>
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<p>讓我們像看快遞APP一樣來解讀這個「到貨通知單」:</p>
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<ol>
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<li><strong>最先抵達 (叮咚!P波到了!)</strong>:P波速度最快,所以最先被記錄到。它的振幅(搖晃的幅度)通常比較小。</li>
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<li><strong>接著抵達 (叮咚!S波到了!)</strong>:S波緊隨其後,振幅通常比P波大一些。</li>
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<li><strong>最後的重量級包裹 (表面波登場!)</strong>:表面波(洛夫波和雷利波)走得最慢,所以最後才到。但你看他的振幅,是不是又大又持久?這就��為什麼地表搖晃最厲害的時候,通常是表面波造成的。</li>
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| 124 |
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</ol>
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<p>你還注意到表面波有個特點叫 <strong>"Dispersed" (頻散)</strong> 嗎?這意思是,不同頻率(可以想像成不同波長的波)的表面波,跑的速度還不一樣!通常低頻的跑得快,高頻的跑得慢。所以訊號會被拉得很長,像漂亮的紡錘形。</p>
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<h2>第四站:從點到線,看穿地底結構!</h2>
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<p>如果我們只放一個接收器,得到的資訊很有限。所以,地球物理學家會沿著一條測線,擺放好幾個,甚至成千上萬個接收器!把所有接收器的紀錄,按照跟震源的距離排排站,就得到下面這張超酷的圖:</p>
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| 129 |
<img src="1000030034.jpg" alt="多個接收器的地震紀錄排列圖">
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| 130 |
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<p>這張圖的X軸是<strong>與震源的距離 (Distance)</strong>,Y軸是<strong>傳播時間 (Travel Time)</strong>。每一條垂直的線,都代表一個接收器的紀錄。</p>
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| 131 |
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<p>你發現了什麼規律嗎?</p>
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| 132 |
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<ul>
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<li><strong>距離越遠,抵達時間越晚</strong>:這很合理吧!跑得越遠,當然要花越多時間。</li>
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| 134 |
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<li><strong>P波、S波、R波形成漂亮的斜線</strong>:把每個接收器記錄到的P波抵達時間連起來,會形成一條斜線。這條斜線的<strong>斜率</strong>,其實就跟波速有關!斜率越小(線越陡),代表速度越快。你可以清楚看到,P波的線最陡,S波次之,R波(表面波)最平緩。</li>
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| 135 |
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<li><strong>頻散現象更明顯</strong>:在表面波(R波)的區域,你可以看到波形被拉得很開,這就是前面提到的「頻散」。</li>
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| 136 |
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</ul>
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| 137 |
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<p>透過分析這些線的斜率、形狀,科學家就能反推出地底下不同深度的岩層速度、厚度,甚至判斷那裡可能是什麼樣的岩石或地質構造。這就是我們不用鑽井,也能「看」透地球的方式!</p>
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<h2>第五站:從斜率到速度——解鎖地下的祕密</h2>
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<p>在上一站,我們提到P波的線最「陡」,代表速度最快。現在,我們要把它變成一個精確的數學公式!這也是地球物理學家最核心的技能之一。</p>
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| 141 |
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<p>請看下面這張圖,它完美地解釋了這一切:</p>
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| 142 |
<img src="1000030038.jpg" alt="走時曲線的斜率與速度關係圖">
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<p
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<ol>
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<li
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<li
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</ol>
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<
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<ul>
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<li
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<li
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</ul>
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<p
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<div class="formula">
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<p
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<p>或寫成 V = 1 / (dT/dX)</p>
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</div>
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<p
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<h3>進階探險:當地震波遇到不同岩層</h3>
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<p>地球內部當然不是均勻的,而是由一層一層不同的岩石構成。當地震波從一個地層,傳到另一個速度更快的地層時,會發生什麼事呢?就像光線從空氣射進水中會彎曲一樣,地震波也會發生**折射 (Refraction)**。</p>
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<img src="1000030041.jpg" alt="地震波在兩層介質中的折射示意圖">
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<p>這張圖展示了一個非常重要的現象:</p>
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<ul>
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<li>我們有一個速度比較慢的上層 ($V_1$) 和一個速度比較快的下層 ($V_2$)。</li>
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<li>地震波能量有兩條路可以跑到遠方的接收器:
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<ol>
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<li><strong>直達波 (Direct Wave)</strong>:沿著地表,直接在上層 $V_1$ 中傳播。這是最短的路徑。</li>
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<li><strong>折射波 (Refracted Wave)</strong>:先鑽到下層,沿著兩個地層的交界面,在飛快的 $V_2$ 層中「飆車」,然後再傳回地表。</li>
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</ol>
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</li>
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</ul>
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<p>你可能會想,折射波的路徑比較長,為什麼要理它?關鍵就在於,雖然路徑長,但它有一段是在高速公路($V_2$層)上跑的!因此,**當接收器離震源足夠遠的時候,走「折射」這條路的波,反而會比走「直達」的波更早抵達!**</p>
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<p>地球物理學家就是利用這個「誰先抵達」的比賽,以及它們各自的速度(可以從斜率算出),來反推出地底下岩層的深度和速度。這就是**地震折射法**的精髓!</p>
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<h2>總結與展望</h2>
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<p
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<p
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<p
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<p
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<p>地球物理小教室 © 2025</p>
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<h1>地心震波奇幻之旅 🌍</h1>
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<h2>第一站:認識我們的震波主角!</h2>
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<img src="1000030020.jpg" alt="不同種類的地震波示意圖">
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<h2>第二站:科學家如何「聽」地球的聲音?</h2>
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<img src="1000030022.jpg" alt="震源與接收器設置示意圖">
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<h2>第三站:解讀地震波的「到貨通知單」</h2>
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<img src="1000030030.jpg" alt="單一接收器記錄到的地震圖">
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<h2>第四站:從點到線,看穿地底結構!</h2>
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<img src="1000030034.jpg" alt="多個接收器的地震紀錄排列圖">
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<h2>第五站:從斜率到速度——解鎖地下的祕密</h2>
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<img src="1000030038.jpg" alt="走時曲線的斜率與速度關係圖">
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<p>在上一站,我們提到P波的線最「陡」,代表速度最快。現在,我們要把它變成一個精確的數學公式!這也是地球物理學家最核心的技能之一。</p>
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<h3>進階探險:當地震波遇到不同岩層</h3>
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<img src="1000030041.jpg" alt="地震波在兩層介質中的折射示意圖">
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<h2>第六站:折射法的最終章 – 計算地層厚度</h2>
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<p>上次我們學到,當地震波從慢速層 ($V_1$) 進入快速層 ($V_2$) 時會發生折射。但波的路徑到底是怎麼彎的呢?這取決於兩個地層的速度關係,就像著名的「司乃耳定律」描述的那樣。</p>
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<img src="1000030045.jpg" alt="司乃耳定律的三種情況">
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<p>這張圖清楚地展示了三種情況:</p>
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<ul>
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<li>(a) <b>往下變慢 ($V_2 < V_1$)</b>:波會往下彎,遠離介面。</li>
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<li>(b) <b>速度不變 ($V_2 = V_1$)</b>:波的路徑不變。</li>
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<li>(c) <b>往下變快 ($V_2 > V_1$)</b>:波會往上彎,貼近介面。這就是產生折射法「抄捷徑」現象的必要條件!</li>
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</ul>
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<p>當入射角越來越大,總會有一個完美的角度,讓折射波剛好「平貼」著介面,以 $V_2$ 的高速前進。這個特殊的入射角,我們稱之為**臨界角 (Critical Angle, $\theta_c$)**。</p>
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<img src="1000030048.jpg" alt="臨界角與臨界折射示意圖">
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<p>一旦形成臨界折射,能量就會沿著介面向前傳播,並持續不斷地將能量「洩漏」回地表,被我們的接收器接收。現在,讓我們把所有資訊整合在一張最終的藏寶圖上!</p>
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| 106 |
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<img src="1000030054.jpg" alt="直達波與折射波的完整走時曲線圖">
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| 107 |
+
<p>這就是地震折射法最經典的成果圖!它包含了所有祕密:</p>
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<ol>
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+
<li><strong>第一段斜線 (Direct)</strong>:這是「直達波」的走時紀錄,它的斜率是 $1/V_1$。所以我們可以從這段算出第一層的波速 $V_1$。</li>
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| 110 |
+
<li><strong>第二段斜線 (Refracted)</strong>:這是「折射波」的走時紀錄,它的斜率是 $1/V_2$。我們可以從這段算出第二層的波速 $V_2$。</li>
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| 111 |
+
<li><strong>交叉點 (Crossover Distance, $X_{cr}$</strong>):在這個距離之前,直達波比較快;過了這個點,抄捷徑的折射波就「超車」了,會先抵達!</li>
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| 112 |
</ol>
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| 113 |
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<div class="note">
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| 114 |
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<p><strong>終極祕密</strong>:科學家們發現,只要我們從圖上讀出 $V_1$、$V_2$ 以及折射波那條線在Y軸的截距(稱為截時 $t_i$),就可以透過公式計算出第一層地層的厚度 $h$!我們真的「看」到了地底的結構!</p>
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| 115 |
+
</div>
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| 116 |
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<h2>第七站:另一位關鍵角色——反射波與雙曲線</h2>
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| 118 |
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<p>除了鑽到下一層的折射波,還有一部分的能量會像照鏡子一樣,從地層介面上**反射 (Reflection)** 回來。這就是「反射波」,它提供了另一種探測地底的方式。</p>
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<img src="1000030057.jpg" alt="反射波原理與探測設置">
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| 120 |
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<p>反射波的原理非常簡單:**入射角等於反射角**。就像打撞球一樣,能量從震源出發,撞擊到介面後,反彈到接收器。距離越遠的接收器,就需要越大的入射角。</p>
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| 121 |
+
<p>那麼,反射波的時間-距離圖會是什麼樣子呢?它不是一條直線!</p>
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| 122 |
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<img src="1000030058.jpg" alt="反射波的雙曲線走時圖">
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| 123 |
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<p>這張圖揭示了反射波的特徵:</p>
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| 124 |
<ul>
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<li>圖 (a) 和 (b) 展示了反射波的 V 形路徑。</li>
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| 126 |
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<li>圖 (c) 是它的時間-距離圖。你會發現,它是一條優美的曲線,數學上稱之為**雙曲線 (Hyperbola)**。</li>
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| 127 |
</ul>
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| 128 |
+
<p>為什麼是曲線呢?因為隨著接收器距離 (X) 變遠,波走的路徑(V形的兩邊)不成比例地增長。在震源正下方 (X=0),波只需要垂直下去再上來,時間最短,這個時間點我們稱為 $t_0$。</p>
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| 129 |
<div class="formula">
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| 130 |
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<p>反射波走時公式: $T^2 = t_0^2 + (X/V_1)^2$</p>
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| 131 |
</div>
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| 132 |
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<p>地球物理學家非常喜歡這條雙曲線!因為只要分析這個曲線的形狀和 $t_0$ 的時間,就能非常精準地計算出上層波速 $V_1$ 和介面的深度 $h$。事實上,**地震反射法**是目前石油和天然氣探勘最主要、最精確的技術!</p>
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<h2>總結與展望</h2>
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<p>我們的地心震波奇幻之旅越來越精彩了!今天我們徹底搞懂了「折射法」,學會了如何從時間-距離圖中,像偵探一樣分析出地層的速度和厚度。</p>
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<p>此外,我們還認識了新朋友「反射波」,並知道了它獨特的雙曲線特徵。折射法擅長探測大的、層次的結構,而反射法則能描繪出非常精細的地底圖像。</p>
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<p>這兩種強大的工具,就是地球物理學家能夠在不開挖的情況下,繪製出地球內部結構圖的祕密武器。從尋找石油、礦產,到評估工程場址的安全性,都離不開它們。</p>
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<p>希望這趟旅程讓你對腳下的地球充滿了更多的好奇心!我們的探險還會繼續!</p>
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<footer>
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<p>地球物理小教室 © 2025</p>
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