Сейсмические волны и их измерение. Сейсмические волны и их измерения Длина сейсмической 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.

На сейсмограммах продольные и поперечные волны появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны.

Продольные волны представляют собой чередование зон сжатия и растяжения горных пород, и они проходят через твердые, жидкие и газообразные вещества. При своем распространении продольные волны как бы попеременно сжимают горные породы или растягивают их. Часть энергии Р-волн, выходя из недр Земли на ее поверхность, передается в атмосферу в виде звуковых волн, которые воспринимаются людьми при частоте более 15 Гц. Р-волны являются самыми быстрыми из объемных волн. Скорость распространения Р-волн, где m - модуль сдвига, r - плотность среды, в которой распространяется волна, и l - коэффициент, связанный с модулем всестороннего сжатия К,

Поперечные волны при своем распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути. Они не распространяются в жидкой среде, так как модуль сдвига в жидкости равен нулю. Скорость поперечных волн меньше продольных. Эти сейсмические волны раскачивают и смещают поверхность грунта как по вертикали, так и по горизонтали:

Ко второму типу относятся поверхностные сейсмические волны, распространение которых ограничено зоной, близкой к поверхности Земли. Они подобно ряби, расходящейся по глади озера. Различают поверхностные волны Лява и волны Рэлея.

Волны Лява (L) заставляют частицы грунта колебаться из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной земной поверхности под прямым углом к направлению своего распространения. Волны Рэлея (R) возникают на границе раздела двух сред и воздействуют на частицы среды, заставляя их двигаться по вертикали и горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волн. Скорость волн Рэлея меньше, чем волн Лява, и обе они распространяются медленнее, чем продольные и поперечные сейсмические волны и довольно быстро затухают с глубиной, а также с удалением от эпицентра землетрясения.

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.

Сейсмические волны в земной коре.

Упругие волны в твердой среде.

Сейсмоприемники. Корпус прибора заканчивается стальным штырем, который втыкается в землю и обеспечивает надежный акустический контакт с ней.

Схема сейсмоприемника.

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.

В твердой среде имеется два вида сопротивлений внешним механическим воздействиям: сопротивление изменению объема и сопротивление сдвигу, изменению формы элементов среды. Поэтому в однородном изо-тропном (с одинаковыми характеристиками во всех точках пространства и по всем направлениям в нем) пространстве могут распространяться волны двух типов - соответствующие изменению объема элемента среды и изменению его формы. Волны первого типа называются продольными (либо волнами сжатия или растяжения) или P -волнами (ppima ) - при землетрясениях и взрывах они приходят первыми. Волны второго типа, приходящие позже, называются поперечны ми или S -волнами (sekonda ). P -волна распространяется со скоростью V p =√(λ+2μ)/ρ , а S-волна -со скоростью V s =√μ/ρ , где λ и µ - упругие постоянные среды, а p - ее плотность. Максимальная скорость поперечной волны в твердой среде V s = 0,7V p , а в жидкостях и газах S -волна не распространяется вообще.

Колебания, связанные с S -волнами, могут происходить в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Поэтому их можно разделить на составляющие - например, параллельную земной поверхности и перпендикулярную ей. Они существуют раздельно и называются соответственно плоскополяризованными SH- и SV -волнами.

По свободной поверхности среды могут распространяться еще и поверхностные волны двух типов. Одни смещают среду в вертикальной плоскости, другие - в горизонтальной (волны с вертикальной и с горизонтальной поляризацией). Характерный пример волны первого типа - волна Рэлея, которая движется со скоростью C R ≈ 0,9V s . В романах Фенимора Купера индейцы загодя узнают о приближении всадников, прикладывая ухо к земле: они слышат именно рэлеевскую волну.

По границе раздела двух твердых сред - полупространства и сравнительно тонкого слоя - может идти поперечная, чисто сдвиговая волна Лява. А когда на такую границу падает S- или P -волна, возникают сразу четыре волны - две отраженные и две преломленные, которые обозначаются как PP , SS и так далее. Если же при отражении или преломлении на границе волна меняет тип, ее называют обменной.

В лабораторных условиях волны регистрируют пьезоэлектрическими датчиками; в полевых - сейсмоприемниками.

Упругие P- и S -волны успешно используются при анализе землетрясений, для геофизических исследований, поиска полезных ископаемых (в первую очередь нефти и газа), в физике твердого тела. А ночной хищник - скорпион миллионы лет назад "научился" с их помощью охотиться за добычей.

См. в номере на ту же тему ст.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

1. Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.
2. Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Сейсмические волны подразделяются на гипоцентральные (продольные и поперечные) и поверхностные (волны Релея и Лява).

1.
2. Гипоцентральные поперечные волны (S -волны)
3. Волны Релея и Лява (R -волны и L -волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясения в толще верхнего слоя земной коры. Смещение частиц грунта в R -волне происходит в вертикальной плоскости, а в L -волне - в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения этих волн.

Общее воздействие приведенных поражающих факторов землетрясения на земную поверхность характеризуется интенсивностью землетрясения, которая выражается в баллах. В зависимости от интенсивности колебаний поверхности земли установлена следующая классификация землетрясений

4. Гипоцентральные продольные волны (Р-волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во всех направлениях с поочередным образованием зон сжатия и растяжения. Смещение частиц грунта при этом происходит вдоль направления распространения волн.
5. Гипоцентральные поперечные волны (S-волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во всех направлениях с образованием зон сдвига. Смещение частиц происходит перпендикулярно направлению распространения волн.
6. Волны Релея и Лява (R -волны и L -волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясения в толще верхнего слоя земной коры. Смещение частиц грунта в R -волне происходит в вертикальной плоскости, а в L -волне - в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения этих волн.

Основными параметрами сейсмических волн являются: скорость распространения, максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волн.

Скорость распространения гипоцентральных продольных волн около 8 км/с, гипоцентральных поперечных волн около 5 км/с, а поверхностных волн - 0,5 - 2 км/с.

Максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волн зависят от грунтовых условий, расположения очага и мощности землетрясения.

Таблица 1

	Сила землетрясения	Краткая характеристика
	Не ощущается	Отмечается только сейсмическими приборами.
	Очень слабые толчки	Отмечается сейсмическими приборами. Ощущается только отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя в верхних этажах зданий, и очень чуткими домашними животными.
		Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика.
	Умеренное	Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен. Внутри здания сотрясение ощущает большинство людей.
	Довольно сильное	Под открытым небом ощущается многими, внутри домов - всеми. Общее сотрясение здания, колебание мебели. Маятники часов останавливаются. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих. Ощущается людьми и вне зданий, качаются тонкие ветки деревьев. Хлопают двери.
		Ощущается всеми. Многие в испуге выбегают на улицу. Картины падают со стен. Отдельные куски штукатурки откалываются.
	Очень сильное	Повреждения (трещины) в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные и плетневые постройки остаются невредимыми.
	Разрушительное	Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются.
	Опустошительное	Сильное повреждение и разрушение каменных домов. Старые деревянные дома кривятся.
	Уничтожающее	Трещины в почве иногда до метра шириной. Оползни и обвалы со склонов. Разрушение каменных построек. Искривление железнодорожных рельсов.
	Катастрофа	Широкие трещины в поверхностных слоях земли. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома почти полностью разрушаются. Сильное искривление и выпучивание железнодорожных рельсов.
	Сильная катастрофа	Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озёрах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает.

Сложность спасения людей в условиях землетрясения обусловлена внезапностью его возникновения, трудностями ввода сил и развертывания поисково-спасательных работ в зоне массовых разрушений; наличием большого количества пострадавших, требующих экстренной помощи; ограниченным временем выживания людей в завалах; тяжелыми условиями труда спасателей. Очаг поражения землетрясением в общем случае характеризуется: разрушением и опрокидыванием зданий и сооружений, под обломками которых гибнут люди; возникновением взрывов и массовых пожаров, происходящих в результате производственных аварий, замыканий в энергетических сетях и разгерметизации емкостей для хранения воспламеняющихся жидкостей; образованием возможных очагов заражения химическими отравляющими веществами; разрушением и завалом населенных пунктов в результате образования многочисленных трещин, обвалов и оползней; затоплением населенных пунктов и целых районов в результате образования водопадов, подпруд на озерах и отклонения русел рек.

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.

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 (см. рис. 1).
^

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.

Виды землетрясений

Существует несколько классификаций землетрясений. В частности, по способу возникновения, выделяют тектонические, вулканические, техногенные землетрясения, обвальные землетрясения и горные удары. Поскольку этот фактор является одной из основных характеристик данных явлений, целесообразно остановиться на каждом из упомянутых видов подробнее.