地震波（Seismic waves），指從震源產生向四周輻射的聲波，當地震發生時，震源附近的介質發生急速的破裂以及不規則的運動，這種變化便構成了一個波源。由于地球內部物質介質的連續性，這種波動就向地球內部四面八方傳播開來，形成了連續介質中的彈性波，在地震學上稱為“地震波”。地震波按傳播方式可分為體波與面波，其中體波又可分為縱波與橫波兩種；面波是體波的次生波，典型面波以瑞利波與樂夫波為代表。
地震波的形成必須具備兩個基本條件，分別是震源和有彈性的傳播介質。影響地震波傳播速度的因素則包括巖層的孔度、孔內充填物、巖層風化程度、破碎帶等。由于地震波具有與聲波、光波相類似的波動性質，因此地震波在傳播過程中也會遵循聲波和光波相關的傳播基本原理，如惠更斯原理、費馬原理等。地震波具有連續的頻譜，在均勻介質中，地震波的振幅與傳播距離成反比，一般按照按照1/r的規律衰減。
地震波具有廣泛的應用場景，例如通過地震波可以探測地球內部的礦物性質、探查地基、鉆探斷層位置、地下水位、地下溶洞或洞穴等。除此之外，還可以根據地震波傳播速度的變化，了解地球內部的圈層結構，如1910年，安德里亞·莫霍洛維奇（Andrija Mohorovi?i?）提出地球內部存在一個分界面將地球分為內外兩層，即“莫霍界面”；1914年，德國地震學家本諾·古登堡（Beno Gutenberg）提出了地幔與地核之間的不連續界面，即后來的“古登堡不連續面”，為人類使用地震波認識地球內部奠定了基礎。
定義
地震波是指從震源產生向四外輻射的聲波，當地震發生時，地震震源區域附近的介質發生急速的破裂以及不規則的運動，這種變化便構成了一個波源。由于地球內部物質介質的連續性，這種波動就向地球內部四面八方傳播開來，形成了連續介質中的彈性波，在地震學上稱為“地震波”。
加拿大地震局（Earthquakes Canada）——地震波是由巖石突然運動產生的振動。地震發生后，地震波從震源傳播到地球表面。波的傳播速度取決于所穿越的巖石的性質和類型，但通常變化范圍為1至10千米/秒。一些波的頻率足夠高，而其他波的頻率非常低，對應的周期為幾秒或幾分鐘。
美國地震學聯合研究會（Incorporated Research Institutions for 地震學，IRIS）——地震波是由地震或爆炸等沖擊產生的聲波。地震波可以通過地球表面傳播（瑞利波和樂夫波），也可以通過地球內部傳播（P波和S波）。地震波在傳播過程中遵循與其他波在界面處相同的折射和反射規律，當地震波遇到不同介質之間的邊界時，波將按照斯涅爾定律反應，而跨邊界的折射角將取決于第二介質相對于第一介質的速度。
中國科學技術名詞審定委員會——由震源產生在地球內部連續介質中傳播的機械波。
地震波的形成
形成條件
地震波的形成必須具備兩個基本條件，分別是震源和有彈性的傳播介質。
震源是指地球內部發生地震時振動的發源地，是地震波產生的基礎。震源可分為自然震源和人工震源，自然震源是指由大自然中的事物自然運動引起的震動，如風、海浪和地殼內部變動等因素引起的震動；人工震源是指由機械沖擊等人為因素引起的振動，它的作用就是用人為的方法激發彈性地震波，使之在地下傳播、反射，經過儀器測量、資料處理和對資料的分析來探明深處地層高低起伏的構造。
彈性介質是指由無窮多的質元通過相互之間的彈性力組合在一起的連續介質。當其中某質元離開了平衡位置，介質中其他質元就會對其產生彈性回復力，使其回到平衡位置，因而產生振動。同時，周圍的質元也受到該質元的彈性力，依次產生振動。這樣，振動就在彈性介質中由近及遠地傳播出去，形成了波動。
形成原理
在外力作用下，物體內部質點的位置發生變化，即物體產生形變。如去掉外力作用后，物體能立即恢復原來形狀，這種物體則稱為完全彈性體，其所產生的形變謂之彈性形變。完全彈性體的形變具有兩種基本類型：一為體積形變，一為剪力形變。在外力作用下只改變物體體積而不改變形狀的稱為體積形變；只改變物體形狀而不改變體積的稱為剪切形變。
施沖擊力于各向同性均勻的無限大彈性體，則在彈性體內一定范圍形成隨時間而變化的彈性形變，這種彈性形變的連續傳遞即為彈性波。
大多數地震發生在地殼內，在地殼受構造應力變形時，能量以彈性應變能的形式儲存在巖石中，直到在某一點累積的應力超過了巖石的強度時巖石就發生破裂，或者說產生斷層破裂后儲存在巖石中的應變能便釋放出來，變形消失，應力消除，斷層兩側相互對著的巖體回跳到各自的平衡位置，中間留下錯開的部分即為斷層的錯距，釋放出來的應變能一部分轉化為熱能、一部分用于使巖石破碎、還有一部分轉化為聲波向外輻射傳播，隨即形成地震波。
地震波的傳播
傳播原理
由于地震波具有與聲波、光波相類似的波動性質，因此地震波在傳播過程中也會遵循聲波和光波相關的傳播基本原理，如惠更斯原理、費馬原理等。
惠更斯原理也稱“波前原理”，其原理內容為假設在彈性介質中，已知某時刻t1波前面上各點，則可把這些點看作是新的振動源，從t1時刻開始產生子波向外傳播，經過Δt時間后，這些子波的波前所構成的包絡面就是t1+Δt時刻的新的波前面。
根據惠更斯原理，若已知地震波在某一時刻ti的波前位置，就可求出任意時刻的新的波前位置。在均勻各向同性介質中，t1時刻的地震波前為S1，若要求得t=t1+Δt時刻的新波前面位置，首先以S1面上各點的振動源點為圓心，以vΔt為半徑（v為波速）作出一系列子波波前面，然后作各子波波前面的包絡面，則S2即代表后一時刻t1+Δt的新波前面位置，而S0則代表前一時刻t1-Δt的波前面的位置。所以根據惠更斯原理，可以確定波前到介質中任意點的時間。
費馬原理又稱“射線原理”或“最小時間原理”，它給出地震波總是沿地震射線傳播，以保證波到達某點時所用的旅行時間最少。在均勻各向同性介質中，顯然，地震射線應當是從震源O出發的直射線，因為地震波只有沿這樣的地震射線方向傳播到達觀測點，旅行時間才是最少的。在各向同性的均勻介質中，從一個等時面到另一等時面，只有垂直距離最短，因此波沿垂直于等時面的方向傳播所用旅行時間最少，故地震射線和等時面總是互相重直的。用波前和波射線的概念來描述波動景觀是一種簡便而清晰的方法。
當地震波在無限大空間傳播時，可以認為波是沿著射線傳播的，或者是波前空間傳播。波前的傳播時間t和空間坐標函數的關系為t＝t（x，y，z），稱t＝t（x，y，z）為時間場。
若已知該式的函數關系，就可以求出波前到達空間任一點（x，y，z）的時間，從而可得到時間t的空間分布。時間場是一個標量場。在時間場內將時間相同的點聯起來，就組成了等時面，等時面方程為t＝t（x，y，z）＝t1，稱為t1等時面。
在點震源作用下，無限均勻彈性介質中的等時面是以點震源為中心的鬼功球族；在非均勻介質時，則為曲面族。在時間場內等時面與波前面重合，所以射線也垂直于等時面。
傳播特性
頻率
地震波的頻率是指單位時間內地震波走過的完整波的數目。影響地震波頻率特征的因素，主要是地層的濾波作用。地震記錄上一個共性現象就是深層反射的頻率較淺層低。此外地震記錄上的頻率成分在橫向上也有變化，常可見到“發胖”“變瘦”“分叉”“合并”等現象。這些現象是與巖性變化或巖石的分層結構有關的因素引起的，即地層的濾波作用。
任何一個地震波皆可用一個波形函數A（t）來描述，而A（t）可以看作是由無限多個頻率連續變化的諧和振動參加而成的。這些諧和振動的振幅和初相位則隨頻率的改變而變化；振幅隨頻率變化的關系稱為振幅譜，初相位隨頻率的變化關系稱為相位譜，統稱之為地震波的頻譜。在均勻介質中，地震波的頻率與地震波能量衰減成正比，與其傳播的介質的Q值成反比，與傳播距離的增加成反比。
振幅
地震波振幅是指地震波在傳播過程中震源所引起的地面振動的位移量，表示地震釋放能量大小的量度，是量化地震波能量大小的基本屬性參數。地震波在傳播過程中隨著距離（或深度）的增加，高頻成份會很快地損失，而且波的振幅按指數規律衰減。地震波振幅衰減的結果，往往造成深層反射波的振幅比淺層反射波振幅小幾百倍至數萬倍有時甚至得不到深層反射波。
已知在均勻介質中，點震源的波前為球面，隨著傳播距離的增大，球面逐漸擴展，但總能量仍保持不變，而使單位面積上的能量減小，振動的振幅將隨之減小，這稱之為波前擴散（或球面擴散）。設某一時刻球面波的波前面為S，總能量為E，單位面積上的能量為e，則有，式中r為球面的半徑。因為能量E與振幅A的平方成正比，可得，因而可得。因此，在均勻介質中，地震波的振幅與傳播距離成反比，即按照1/r的規律衰減。
由于實際巖層并非理想的彈性介質，在地震波的傳播過程中，其質點間的相互摩擦消耗了振動的能量，造成地震波振幅的衰減。稱此為介質對地震波的吸收衰減。
理論上可以證明，地震波的這類衰減，除與波的頻率有關外，并且隨著傳播距離的增大共振幅按負指數規律變化，即，式中A為地震波的振幅；A0為地震波的初始振幅；r為傳播距離；a（f）為與頻率有關的吸收系數，單位是（1/m），它表示單位距離振幅的衰減率，有時也可用每一波長距離振幅衰減的分貝數（dB/λ）來表示。
此外，地震波在傳播過程中，當遇到不同巖層的界面時，將產生波的透射、反射以及波的轉換等，若是不平整的介質界面，還會有波的散射（漫射），這些過程也會損耗地震波的能量，使波的振幅減小。
傳播速度
地震波傳播速度是地震波垂直穿過某一巖層界面以上各地層的總厚度與各層傳播時間總和之比，可以用來把地震記錄的時間轉換為深度（距離）。對于同一巖層來說，縱波和橫波的傳播速度不同，縱波速度永遠大于橫波速度。
根據理論推導vp縱波速度，為，橫波速度vS為。式中E是楊氏彈性模量，它是一個與巖石彈性性質有關的常量；彈性越好，E值越大。ρ是巖石的密度。σ為泊松比，對大多數巖石來說，泊松比σ≈0.25，所以或者vp≈1.73vS，即是說在同一種巖石中縱波速度比橫波速度大1.73倍。泊松比最小值為零，故有或，即縱波比橫波的傳播速度最小也要大1.414倍，因此，在遠離震源處總是縱波先到。
影響因素
地震波的傳播速度主要受巖石、土壤的彈性、密度影響。一般說來，速度隨地層埋深的增加而增加。另外，巖層的孔度、孔內充填物、巖層風化程度、破碎帶等諸因素也是影響地震波速度的主要因素，因此巖性與速度不是單值對應關系，不能單純用速度參數來提取巖性信息，必須采用多參數的綜合研究。
孔隙度為巖石中孔隙體積（氣相、液相所占體積）與巖石的總體積之比，也稱為孔隙率。常見巖石的孔隙度一般在0.1%~30%之間。一般巖石都具有裂隙，未固結的堆積層，還含有很多孔隙，孔隙內會充填各種氣體或液體。由于地震波在氣體或液體中傳播的速度要低于巖石BOBBIN固體中的傳播速度，因此裂隙和孔隙均有使地展波速度減慢，使視彈性模量減小的趨勢。孔隙度愈高，對聲波能量吸收愈大，因此，裂隙和孔隙有使地震波能量衰減增大、振動周期變長的傾向。
孔隙中充填物主要為砂粒，且數量較少，故透水性很強，壓縮性很低，強度很高。疏松的沙丘，縱波速度vp為1km/s，若將砂在容器中壓緊，其vp可達到3.5~4.5km/s。砂粒間空氣的vp為0.3km/s，如果孔隙充水，因水的vp＝1.5km/s，隨著孔隙水的增加，速度將有所增加。含氣和不含氣砂巖，在速度上有很大差異。例如不含氣砂巖的速度為5200m/s；當砂巖孔隙度為10%且含氣時，速度變為2500m/s；當孔隙度變為20%時，速度變為1610m/s。如果未固結層的vp小于1500m/s，則這一層里不存在孔隙水，這是調查地下水是否存在的常用的判斷方法。但如果隨著含水率的增加，土和軟巖的BOBBIN結構遭受破壞時，地震波速反而降低。例如在強風化的安山巖及固結度低的凝灰巖等軟巖中往往出現這種現象。
巖石的風化程度是指巖石在地質內力和外力的作用下發生破壞疏松的程度，破碎帶是指被斷層錯動搓碎的部分，常由巖塊碎屑、粉末、角礫及黏土顆粒組成，其兩側被斷層面所限制。風化程度對聲波速度的影響表現為風化的區域性差異上，會使速度降低。巖層破碎后，其地震波速度顯著低于周圍物質，一般基巖破碎部分的縱波速度vp為1.0-2.0km/s。利用地震鉆探，不僅能發現基巖中的破碎部分，而且也能發現未固結層中的破碎部分。
巖層的埋藏深度是指巖層的頂面（或底面）至地面的鉛直距離。一般情況下，巖石埋藏得越深，反映它的年代越老，若有超覆構造存在時，老地層覆在新地層之上。承受上覆地層壓力的時間長和強度大，就是所謂的壓實作用。因此，同樣巖性的巖石埋藏深、時代老的要比埋藏淺，時代新的巖石速度更大。上圖給出了當v0=1400m/s時，不同巖石孔隙度、速度和深度的關系曲線，當埋藏深度大于0.7km后，速度隨深度大致呈線性增加。
主要類型
地震波基本有兩類，即體波與面波。其中體波又可分為縱波與橫波。面波是體波的次生波，典型面波以瑞利波與樂夫波為代表。
體波
體波是指通過介質體內傳播的波。介質質點振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波（P波），質點振動方向與波的傳播方向正交的波稱為橫波（S波）。
縱波是指介質因擾動而引起的運動速度改變、方向與傳播方向平行（一致）的波。當彈性介質中（如巖層）某一部分受外力作用發生體積形變時，由于體變與法向應力的相工作用，使質點成層的發生振動，這種振動表現為各質點之間的膨脹與壓縮，并使這種振動沿整個彈性介質傳播出去，即形成膨脹與壓縮互相交替著的縱波。縱波的特點是質點的振動方向與波傳播方向一致（平行）。由于任何一種介質（固態、液態、氣態）都可以承受不同程度的壓縮與拉伸變形，所以縱波可以在所有介質中傳播。
橫波是指介質因擾動而引起的運動速度改變、方向與傳播方向垂直的波。橫波只能在固體介質中傳播。這是因為橫波的傳播過程是介質質點不斷受剪變形的過程，液態和氣態介質不能承受剪力作用，因而不能傳播橫波。由于橫波的上述特征，通常又稱其為“剪切波”。橫波對介質體的剪切作用，如果發生在不同剛度的兩層介質的界面上，就會引起偏振，結果在界面上分解成垂直與水平分量，即SV波與SH波。
在地震鉆探工作中，不論用炸藥震源還是非炸藥震源，一般是向外產生均勻對稱的壓縮力。因此，使質點發生體變，故主要產生縱波，但由于地層的不均勻性和激發作用不完全具有球形對稱性質，所以也同時產生橫波。如果地層不均勻性和激發作用的不對稱性越明顯，則越容易產生明顯的橫波。
面波
面波是指沿著介質表面（地面）及其附近傳播的波。它是體波經地層界面多次反射形成的次生波。在半空間表面上一般存在兩種波的運動，即瑞利波（R波）與樂夫波（L波）。
瑞利波是指波通過時自由面上質點做平面橢圓運動，橢圓的長軸垂直于自由面，短軸平行于自由面，質點運動方向與波傳播方向相反的波，由英國物理學家瑞利（Lord John William Rayleigh）于1885年首先發現。橢圓的形狀隨質點距自由表面的深度而定，其特點是振幅大，在地表以垂直運動為主。由于瑞利波是P波與S波經界面折射選加后形成，因而它一般發生在距源（0.65-2.25）H0（H0為震源深度）以外的地域內，而在震中附近并不出現。
樂夫波是指在層狀巖石中沿層面傳播的波，由英國地球物理學和數學家樂夫（Agustus Edward Hough Love）在1911年首先發現。樂夫波的傳播，類似于蛇行運動，質點在與波傳播方向相垂直的水平橫向內作剪力型振動。質點在水平向的振動與波行進方向耦合后會產生水平扭矩分量，這是樂夫波的重要特點之一。樂夫波的另一個重要特點是其波速取決于波動頻率，因而樂夫波具有頻散性。樂夫波的形成條件是覆蓋層的剪切波速小于基巖半無限體的剪切波速。
應用實例
地球內部探測
通過地震波的探測可以得到地球內部的礦物的性質。如當地震波通過的物質密度大，地震波的傳播速度就快，物質密度小，傳播速度就慢。由于科學技術的限制，人們無法直接對地球的深部進行探測，地震波需要經過地球內部傳播到地表，而人們對地震波的探測則較容易，所以通過地震波來研究地球內部的物質性質不失為一種行之有效的方法。地震波從震源發出，當穿過不同巖石界面時，如果巖石傳播震波的速度不同，震波就會發生折射和反射，曲折返回地表。因此可以根據傳播所需時間來推算得出地下不同波速巖石分布的圖像。
地基勘探
用地震波勘探法探查地基，在土建工程中應用最早且最為普遍。這是因為無論是建筑物的地基、水壩的壩基，還是道路橋梁的路基和橋基，在設計前都必須事先了解所在場地地層的構造和巖土的力學性質，為初步設計提供依據。雖然這種任務同樣可以由工程地質鉆探或其它方法完成，但是地震波勘探法有其不可替代的一面，它不僅能提供地層的構造情況（如分層界面的位置和層厚），而且還可以給出很有用的地震波傳播速度的資料，這是鉆探或其它方法（如電測法）所辦不到的。除此之外，地震波鉆探在確定諸如斷層位置、地下水位、地下溶洞或洞穴等方面也是很有成效的。
工程領域
地震波在工程中的應用范圍很廣。首先，在進行地震小區劃時，利用地震波來研究場地的土壤性質、土層構造及地下介質的速度剖面，再結合工程地質條件和水文地質條件等其他資料，便可對場地的地震危險性作出估計。其次，在評定地震烈度及震害時，可使用近場地震波振動速度或加速度記錄資料作為一種微觀定量標準。再者，研究地震波對建筑物的破壞作用，是設計抗震工程的基礎。此外，在多種工業及民用建設工程中，可采用地震波方法探測建筑物的地基、水壩的壩基、道路與橋梁的路基和橋基等場地的地層構造和巖土力學性質，以及斷層走向、地下水位、地下溶洞位置等重要構造因素。最后，在礦區，還可用地震波方法測定礦井周圍的巖體應力狀態，為從事挖掘工程、估計安全度等提供必要的基礎資料。
相關研究
不規則地形條件對地震波傳播路徑和地震烈度異常區的發生均有重大影響，主要體現在局部地形對地震波的散射和波型轉換，國際上震害資料也反映了其對地表位移和加速度幅值放大效應等的巨大影響。因此，場地反應分析一直以來都是地震學及工程抗震領域關注的重點。2023年，張佳文等學者提出了一種不規則地形條件下的地震波輸入方法，得出地震波的單射角度變化對不規則場地地表位移響應影響較大，自由表面點隨著P波入射角度的增大，橫向位移幅值先增大后減小，豎向位移呈現逐漸減小的趨勢；隨著SV波入射角度增大，橫向位移呈現逐漸減小的趨勢，縱向位移規律相反。整體變換規律與規則場地條件下的相一致且符合實際。
崩塌是黃土高原地區最常見、致災最為嚴重的地質災害之一。2023年，劉曉云等學者通過野外鉆探，采用原位地震波測試的方法，詳細分析了離石區黃土崩塌隱患體內部的波速結構特征。結果發現，在豎直方向上，地震波速整體隨深度增加而增大；水平方向上，地震波速自邊坡坡面向坡體內部逐漸增大。結合數值模擬，發現崩塌隱患體由于受到卸荷回彈作用的影響，產生了指向坡外的形變。形變增量的大小與距離邊坡坡面的遠近有關，距離坡面越近形變增量越大，致使對應土體的密實度減小。密實度的減小是隱患體內部波速存在差異的重要原因。
參考資料 >
地震波——點亮地球內部的一盞明燈.嘉峪關市人民政府.2024-04-01
Glossary of seismological terms.earthquakescanada.2024-04-17
Seismic Waves: P, S, and Surface.iris.2024-04-17
Seismic Wave Behavior: Curving paths through the Earth.iris.2024-04-17
地震波.術語在線.2024-04-11