Пути сейсмических волн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

Введение

Сейсмология

Сейсмические явления

Сейсмические волны.

Продольные и поперечные волны

Отражение и преломление

Пути сейсмических волн.

Сейсмические шкалы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Слово «землетрясение» - русское, и  смысл его ясен: землетрясение  – это трясение земли. А точнее, землетрясение – это колебание  земной поверхности при прохождении  волн от подземного источника энергии. По-гречески землетрясение – seismos, следовательно, сейсмические явления – это те, что связаны с землетрясениями, а именно сейсмические волны, сейсмические приборы (сейсмографы), записи сейсмических колебаний (сейсмограммы), сейсмические станции и т.д. Землетрясения – важная составная часть окружающей нас среды, и ни один район земного шара нельзя считать полностью от них избавленным. Сейсмологи работают во всех развитых, а также во многих развивающихся странах. Они интересуются, почему и как происходят землетрясения. Изучая волны, проходящие через Землю при землетрясениях, ученые воссоздают существенные детали ее внутреннего строения. Разработанные для такого изучения методы оказались полезными также при поисках нефти и других полезных ископаемых. В странах, где землетрясения происходят часто, возникают важные социальные и экономические проблемы, специальные задачи должны решать архитекторы и инженеры. Таким образом, сейсмология служит как практической деятельности человека,  так и познанию фундаментальных законов природы.

Мы привыкли считать земную поверхность чем-то прочным и  незыблемым. Однако в земле непрерывно возникают и затухают волны, именуемые  сейсмическими. Речь идет не только о катастрофических встрясках земной коры при землетрясениях, даже колебания травы под ветром порождают волны - микросейсмы, которые замечают и регистрируют приборы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сейсмология (Seismology -от греч.Seismos - землетрясение + Logos – учение)– это часть более широкой науки - геофизики, возникшей как пересечение и связующее звено двух более старых наук – геологии и физики. Геология в широком смысле слова занимается всесторонним изучением Земли, однако в настоящее время ее предметом, как правило, считают преимущественно описательное изучение происхождения и свойств горных пород  и содержащихся в них ископаемых, а также преобразований земной поверхности под воздействием высоких температур, давления, электричества и других сил. В сферу действия геофизики попадают, таким образом, разделы геологии, связанные с физическими измерениями и расчетами, и разделы физики, рассматри- вающие Землю и ее атмосферу

Сейсмология:

- систематизирует и анализирует  данные сейсмометрических наблюдений;

- выясняет причины землетрясений,  их связь с тектоническими  процессами и возможность их  предсказания;

- решает задачи сейсмического  районирования. 

Методы сейсмологии используются для изучения внутреннего строения "твердой" Земли и определения  положения важнейших границ раздела  между ее оболочками путем регистрации  сейсмических волн.

Сейсмические явления

Сейсмические явления наблюдаемые при землетрясениях на поверхности Земли со времен академика Б.Б.Голицина, принято делить на два типа - микросейсмические и макросейсмические. Первые это те, которые обнаруживаются только по записям приборов - это и микросейсмы (сейсмический шум, колебания в прямую не связанные с землетрясениями), и слабые колебания от далеких землетрясений - расстояние до эпицентров которых может исчисляться тысячами и десятками тысяч километров. Сюда же надо отнести и неощутимые микроземлетрясения. Вторые, это колебания которые непосредственно ощущаются человеком, вызывают разрушение и сильные деформации земной поверхности.

Сейсмические явления сопутствуют  нам повседневно - проехавший мимо автомобиль - ощущается по дребезжанию стекол в окне, приближающейся поезд метрополитена  распознается по вибрации пассажирской платформы. Таким образом, твердая  поверхность является проводником  механических колебаний к датчику, будь то это человеческое ухо или  прибор. Преобразованные специальными приборами - они могут быть записаны и изучены специалистами.

 

 

Сейсмические волны.

При землетрясении в очаге частицы  горных пород перемещаются, колеблются. Они толкают, колеблют соседние частицы, которые передают колебания еще  дальше в виде акустической волны. Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.

Продольные и поперечные волны.

На сейсмограммах эти волны  появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны, при прохождении  которых каждая частица среды  подвергается сначала сжатию, а затем  снова расширяется, испытывая при  этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в  направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и  жесткости породы. Вблизи земной поверхности  скорость Р-волн составляет 6 км/с, а  на очень большой глубине —  ок. 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн.

Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или  параллельно ей и не проникают  глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые.

Амплитуда и период характеризуют  колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение  частицы грунта при прохождении  волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается  одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются  колебания с различными периодами  — от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях  от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а  для S-волн — немного больше. Периоды  поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы — менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см — для поверхностных волн

Отражение и  преломление.

Встречая на своем пути слои пород  с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света  отражается от зеркальной поверхности  или преломляется, переходя из воздуха  в воду. Любые изменения упругих  характеристик или плотности  материала на пути распространения  сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается (см. рис.).

Пути сейсмических волн.

Продольные и поперечные волны  распространяются в толще Земли, при этом непрерывно увеличивается  объем среды, вовлекаемой в колебательный  процесс. Поверхность, соответствующая  максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку  модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее.

Сейсмические станции, находящиеся  вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны  Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли — РР и SS (или РR1 и SR1), а иногда - отраженные дважды — РРР и SSS (или РR2 и SR2). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, — как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения.

На глубине 2900 км скорость P-волн резко снижается от >13 км/с до ~8 км/с; а S-волны не распространяются ниже этого уровня, соответствующего границе земного ядра и мантии. Оба типа волн частично отражаются от этой поверхности, и некоторое количество их энергии возвращается к поверхности в виде волн, обозначаемых как РсР и SсS. Р-волны проходят сквозь ядро, но их траектория при этом резко отклоняется и на поверхности Земли возникает теневая зона, в пределах которой регистрируются только очень слабые Р-волны. Эта зона начинается на расстоянии ок. 11 тыс. км от сейсмического источника, а уже на расстоянии 16 тыс. км Р-волны снова появляются, причем их амплитуда значительно возрастает из-за фокусирующего влияния ядра, где скорости волн низкие. Р-волны, прошедшие сквозь земное ядро, обозначаются РКР или Р?. На сейсмограммах хорошо выделяются также волны, которые по пути от источника к ядру идут как волны S, затем проходят сквозь ядро как волны Р, а при выходе волны снова преобразуются в тип S. В самом центре Земли, на глубине более 5100 км, существует внутреннее ядро, находящееся предположительно в твердом состоянии, но природа его пока не вполне ясна. Волны, проникающие сквозь это внутреннее ядро, обозначаются как РКIКР или SКIКS.

Сейсмические шкалы

Сейсмические  движения сложны, но поддаются классификации. Существует большое число сейсмических шкал, которые можно свести к трем основным группам. В России применяется  наиболее широко используемая в мире 12-балльная шкала МSK-64 (Медведева-Шпонхойера-Карника), восходящая к шкале Меркали-Канкани (1902), в странах Латинской Америки принята 10-балльная шкала Росси-Фореля (1883), в Японии - 7-балльная шкала. Оценка интенсивности, в основу которой положены бытовые последствия землетрясения, легко различаемые даже не-опытным наблюдателем, в сейсмических шкалах разных стран различна. Напр., в Австралии одну из степеней сотрясения сравнивают с тем "как лошадь трется о столб веранды", в Европе такой же сейсмический эффект описывается так - "начинают звонить колокола", в Японии фигурирует "опрокинутый каменный фонарик". В наиболее простом и удобном виде ощущения и наблюдения представлены в схематизированной краткой описательной шкале (вариант MSK), которой может пользоваться каждый.