| Часть серии по |
| Землетрясения |
|---|
Сейсмические волны - это волны энергии, которые проходят через слои Земли и являются результатом землетрясений , извержений вулканов , движения магмы, крупных оползней и крупных искусственных взрывов , излучающих низкочастотную акустическую энергию. Многие другие природные и антропогенные источники создают волны малой амплитуды, обычно называемые колебаниями окружающей среды . Сейсмические волны изучаются геофизиками, называемыми сейсмологами . Поля сейсмических волн регистрируются сейсмометром , гидрофоном (в воде) или акселерометром .
Распространения скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругости среды, а также от типа волны. Скорость имеет тенденцию увеличиваться с глубиной сквозь земную кору и мантию , но резко падает при переходе от мантии к внешнему ядру . [2]
Землетрясения создают разные типы волн с разной скоростью; когда они достигают сейсмических обсерваторий, их различное время прохождения помогает ученым определить местонахождение источника гипоцентра . В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для исследования структуры недр Земли , а искусственные колебания часто генерируются для исследования неглубоких подповерхностных структур.
Типы [ править ]
Среди множества типов сейсмических волн можно провести широкое различие между объемными волнами , которые проходят через Землю, и поверхностными волнами , которые распространяются по поверхности Земли. [3] : 48–50 [4] : 56–57
Существуют и другие способы распространения волн, кроме описанных в этой статье; хотя они имеют сравнительно небольшое значение для земных волн, они важны в случае астросейсмологии .
- Объемные волны проходят через недра Земли.
- Поверхностные волны распространяются по поверхности. Поверхностные волны затухают с расстоянием медленнее, чем объемные волны, распространяющиеся в трех измерениях.
- Движение частиц поверхностных волн больше, чем у объемных волн, поэтому поверхностные волны, как правило, вызывают больший ущерб.
Объемные волны [ править ]
Объемные волны проходят через недра Земли по траекториям, определяемым свойствами материала с точки зрения плотности и модуля (жесткости). Плотность и модуль, в свою очередь, зависят от температуры, состава и фазы материала. Этот эффект напоминает преломление от световых волн . Два типа движения частиц приводят к двум типам объемных волн: первичным и вторичным волнам.
Первичные волны [ править ]
Первичные волны (P-волны) - это волны сжатия, которые имеют продольную природу. P-волны - это волны давления, которые проходят через Землю быстрее, чем другие волны, и сначала достигают сейсмографических станций, отсюда и название «первичные». Эти волны могут проходить через любой тип материала, включая жидкости, и могут распространяться почти в 1,7 раза быстрее, чем S-волны . В воздухе они принимают форму звуковых волн, поэтому движутся со скоростью звука . Типичные скорости составляют 330 м / с в воздухе, 1450 м / с в воде и около 5000 м / с в граните .
Вторичные волны [ править ]
Вторичные волны (S-волны) - это поперечные поперечные волны . После землетрясения S-волны достигают сейсмографических станций после более быстро движущихся P-волн и смещают землю перпендикулярно направлению распространения. В зависимости от направления распространения волна может принимать разные поверхностные характеристики; например, в случае горизонтально поляризованных S-волн земля поочередно перемещается в одну сторону, а затем в другую. S-волны могут проходить только через твердые тела, поскольку жидкости (жидкости и газы) не поддерживают напряжения сдвига. S-волны медленнее, чем P-волны, а скорости обычно составляют около 60% от скорости P-волн в любом данном материале. Сдвиговые волны не могут проходить через жидкую среду [5] поэтому отсутствие S-волны во внешнем ядре Земли предполагает жидкое состояние.
Поверхностные волны [ править ]
Сейсмические поверхностные волны распространяются по поверхности Земли. Их можно классифицировать как вид механических поверхностных волн . Их называют поверхностными волнами, поскольку они уменьшаются по мере удаления от поверхности. Они распространяются медленнее, чем объемные сейсмические волны (P и S). При сильных землетрясениях поверхностные волны могут иметь амплитуду до нескольких сантиметров. [6]
Волны Рэлея [ править ]
Волны Рэлея, также называемые поверхностными волнами, представляют собой поверхностные волны, которые распространяются в виде ряби с движениями, аналогичными движениям волн на поверхности воды (обратите внимание, однако, что связанное с этим движение частиц на малых глубинах является ретроградным и что восстанавливающая сила у волн Рэлея и других сейсмических волн является упругим, а не гравитационным, как для волн на воде). Существование этих волн было предсказано Джоном Уильямом Страттом, лордом Рэлеем , в 1885 году. Они медленнее, чем объемные волны, примерно 90% скорости S-волн для типичных однородных упругих сред. В слоистой среде (например, в коре и верхней мантии ) скорость волн Рэлея зависит от их частоты и длины волны. См. Также волны Лэмба .
Волны любви [ править ]
Волны Лява представляют собой горизонтально поляризованные поперечные волны (SH-волны), существующие только при наличии полубесконечной среды, перекрытой верхним слоем конечной толщины. [7] Они названы в честь AEH Love , британского математика, который создал математическую модель волн в 1911 году. Обычно они движутся немного быстрее, чем волны Рэлея, около 90% скорости S-волн, и имеют наибольшую амплитуду.
Волны Стоунли [ править ]
Волна Стоунли - это тип граничной волны (или межфазной волны), которая распространяется вдоль границы твердое тело-жидкость или, при определенных условиях, также вдоль границы твердое тело-твердое тело. Амплитуды волн Стоунли имеют свои максимальные значения на границе между двумя контактирующими средами и экспоненциально затухают в глубину каждой из них. Эти волны могут генерироваться вдоль стенок заполненной жидкостью скважины , являясь важным источником когерентного шума на вертикальных сейсмических профилях (ВСП) и составляя низкочастотную составляющую источника при акустическом каротажном каротажном исследовании . [8] Уравнение для волн Стоунли впервые было дано доктором Робертом Стоунли (1894–1976), заслуженным профессором сейсмологии, Кембридж. [9]
Нормальные режимы [ править ]
Свободные колебания Земли - это стоячие волны , результат интерференции двух поверхностных волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Помехи рэлеевских волн приводит к шаровидным колебаний S в то время интерференции волн Лява дает тороидальный колебаний Т . Режимы колебаний обозначаются тремя числами, например, n S l m , где l - порядковый номер углового сигнала (или степень сферической гармоники , подробнее см. Сферические гармоники ). Число m - это азимутальный порядковый номер. Может принимать 2 l +1 значений от - l до + l.. Число n - это радиальный порядковый номер . Это волна с n пересечениями нуля радиуса. Для сферически симметричной Земли период для данных n и l не зависит от m .
Некоторые примеры сфероидальных колебаний - это режим «дыхания» 0 S 0 , который включает расширение и сжатие всей Земли и имеет период около 20 минут; и режим 0 S 2 «регби» , который включает расширение в двух чередующихся направлениях и имеет период около 54 минут. Режим 0 S 1 не существует, потому что он потребовал бы изменения центра тяжести, что потребовало бы внешней силы. [3]
Из основных тороидальных мод 0 T 1 представляет изменения скорости вращения Земли; хотя это происходит, это слишком медленно, чтобы быть полезным в сейсмологии. Режим 0 T 2 описывает закручивание северного и южного полушарий относительно друг друга; у него период около 44 минут. [3]
Первые наблюдения свободных колебаний Земли были сделаны во время сильного землетрясения 1960 года в Чили . В настоящее время известны периоды тысяч мод. Эти данные используются для определения некоторых крупномасштабных структур недр Земли.
P- и S-волны в мантии и ядре Земли [ править ]
Когда происходит землетрясение, сейсмографы рядом с эпицентром могут регистрировать как P-, так и S-волны, но находящиеся на большем расстоянии сейсмографы больше не обнаруживают высокие частоты первой S-волны. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, это явление было оригинальным доказательством хорошо установленного наблюдения о том, что у Земли есть жидкое внешнее ядро , как продемонстрировал Ричард Диксон Олдхэм . Этот вид наблюдения также использовался, чтобы доказать с помощью сейсмических испытаний , что Луна имеет твердое ядро, хотя недавние геодезические исследования показывают, что ядро все еще расплавлено [ цитата необходима ] .
Обозначение [ править ]
Путь, который проходит волна между фокусом и точкой наблюдения, часто изображается в виде лучевой диаграммы. Пример этого показан на рисунке выше. Когда учитываются отражения, волна может пройти бесконечное количество путей. Каждый путь обозначается набором букв, которые описывают траекторию и фазу через Землю. Как правило, верхний регистр обозначает прошедшую волну, а нижний регистр обозначает отраженную волну. Двумя исключениями из этого правила являются «g» и «n». [10] [11]
| c | волна отражается от внешнего ядра |
| d | волна, отразившаяся от неоднородности на глубине d |
| грамм | волна, которая проходит только сквозь кору |
| я | волна, которая отражается от внутреннего ядра |
| я | зубец P во внутреннем ядре |
| час | отражение от разрыва во внутреннем ядре |
| J | зубец S во внутреннем ядре |
| K | зубец P во внешнем ядре |
| L | волна Любви, иногда называемая LT-Wave (обе кепки, а Lt - разные) |
| п | волна, которая проходит по границе между корой и мантией |
| п | зубец P в мантии |
| п | волна P, поднимающаяся к поверхности из фокуса |
| р | волна Рэлея |
| S | волна S в мантии |
| s | S-волна, поднимающаяся к поверхности из фокуса |
| ш | волна отражается от дна океана |
| Буквы не используются, когда волна отражается от поверхностей. |
Например:
- ScP - это волна, которая начинает двигаться к центру Земли в виде S-волны. Достигнув внешнего ядра, волна отражается как P-волна.
- sPKIKP - это волновой путь, который начинает двигаться к поверхности в виде S-волны. На поверхности он отражается в виде P-волны. Затем P-волна проходит через внешнее ядро, внутреннее ядро, внешнее ядро и мантию.
Полезность P и S волн для определения места события [ править ]
В случае местных или близлежащих землетрясений разница во времени прихода продольных и поперечных волн может использоваться для определения расстояния до события. В случае землетрясений, которые произошли на глобальном расстоянии, три или более географически разнесенных наблюдательных станции (с использованием общих часов ), регистрирующих приход P-волн, позволяют вычислить уникальное время и местоположение на планете для события. Обычно для расчета гипоцентров используются десятки или даже сотни приходов P- зубцов.. Несоответствие, генерируемое вычислением гипоцентра, известно как «остаток». Остаточные значения 0,5 секунды или менее типичны для удаленных событий, остатки 0,1–0,2 с типичны для локальных событий, что означает, что большинство зарегистрированных прибытий P хорошо соответствуют вычисленному гипоцентру. Обычно программа определения местоположения начинается с предположения, что событие произошло на глубине около 33 км; затем он сводит к минимуму остаточную величину за счет регулировки глубины. Большинство событий происходит на глубине менее 40 км, но некоторые происходят на глубине до 700 км.
Быстрый способ определить расстояние от местоположения до источника сейсмической волны на расстоянии менее 200 км - это взять разницу во времени прибытия P-волны и S-волны в секундах и умножить ее на 8 километров в секунду. Современные сейсмические группы используют более сложные методы определения местоположения землетрясений .
На телесейсмических расстояниях первые прибывающие P-волны обязательно прошли глубоко в мантию и, возможно, даже преломились во внешнее ядро планеты, прежде чем вернуться на поверхность Земли, где расположены сейсмографические станции. Волны распространяются быстрее, чем если бы они двигались по прямой от землетрясения. Это связано с заметно увеличившимися скоростями внутри планеты и называется принципом Гюйгенса . Плотность планеты увеличивается с глубиной, что замедляет волны, но модуль скалы увеличивается намного больше, поэтому чем глубже, тем быстрее. Следовательно, более длинный маршрут может занять меньше времени.
Чтобы рассчитать точный гипоцентр, необходимо очень точно рассчитать время прохождения. Поскольку P-волны движутся со скоростью многие километры в секунду, отклонение от расчета времени пробега даже на полсекунды может означать ошибку в несколько километров с точки зрения расстояния. На практике используются P прибытия со многих станций, и ошибки компенсируются, поэтому вычисленный эпицентр, вероятно, будет довольно точным, порядка 10–50 км или около того во всем мире. Плотные массивы близлежащих датчиков , таких как те , которые существуют в Калифорнии может обеспечить точность примерно на километр, и гораздо больше точности возможно при синхронизации измеряется непосредственно кросс-корреляции из сейсмограмм сигналов.
См. Также [ править ]
- Уравнение Адамса – Вильямсона
- Гелиосейсмология
- Отражательная сейсмология
Ссылки [ править ]
- ^ GR Helffrich & BJ Wood (2002). «Мантия Земли» (PDF) . Природа . Журналы Macmillan. 412 (2 августа): 501–7. DOI : 10.1038 / 35087500 . PMID 11484043 . S2CID 4304379 . Архивировано 24 августа 2016 года (PDF) .
- ^ Ширер 2009 , Введение
- ^ a b c Shearer 2009 , Глава 8 (также см. список опечаток )
- ^ Сет Штайн; Майкл Визессион (1 апреля 2009 г.). Введение в сейсмологию, землетрясения и строение Земли . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-14443-1131-0.
- ^ «Сейсмические волны» . Музей естественной истории и культуры Берка . Проверено 24 марта 2019 года .
- ^ Саммис, CG; Хеньи, Т.Л. (1987). Геофизические полевые измерения . Академическая пресса. п. 12. ISBN 978-0-08-086012-1.
- ^ Sheriff, RE, Гелдарт, LP (1995). Разведочная сейсмология (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 52. ISBN 0-521-46826-4.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Глоссарий нефтяных месторождений Schlumberger. Волна Стоунли.
- ↑ Роберт Стоунли, 1929 - 2008 .. Некролог его сына со ссылкой на открытие волн Стоунли.
- ^ Обозначения взяты из Bullen, KE; Болт, Брюс А. (1985). Введение в теорию сейсмологии (4-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521283892.и Ли, Уильям HK; Дженнингс, Пол; Кисслингер, Карл; и др., ред. (2002). Международный справочник землетрясений и инженерной сейсмологии . Амстердам: Academic Press. ISBN 9780080489223.
- ^ "Стандартный список фаз IASPEI" . Международный сейсмологический центр . Дата обращения 7 апреля 2019 .
Источники [ править ]
- Ширер, Питер М. (2009). Введение в сейсмологию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88210-1.
Внешние ссылки [ править ]
 | В Викиуке по исторической геологии есть страница по теме: Сейсмические волны |
- EDT: веб-сайт MATLAB для распространения сейсмических волн
| vтеГеофизика | |
|---|---|
| Обзор |
|
| Подполя |
|
| Физические явления |
|
| |
Категория
Портал
Commons
