Землетрясения входят в число самых мощных и внезапных природных явлений на Земле. Они происходят из-за резкого высвобождения накопленной упругой энергии в коре планеты. Эта энергия обычно накапливается вдоль линий разломов, поскольку тектонические плиты медленно перемалываются и скользят мимо друг друга, создавая стресс в течение длительных периодов. Когда накопленный штамм превосходит силу пород, происходит внезапный разрыв, высвобождая энергию в виде сейсмических волн. Эти волны распространяются наружу из гипоцентра землетрясения - точки под поверхностью, где начинается разрыв - и из эпицентра, который находится непосредственно над ним на поверхности. Физика, управляющая этими сейсмическими волнами - их генерация, распространение и взаимодействие с земными материалами - формирует основу сейсмологии. Изучая сейсмические волны, ученые могут точно определить их местоположения, оценить их величину, исследовать глубину Земли и разрабатывать стратегии для смягчения ущерба, связанного с землетрясением. Эта статья углубляется в фундаментальную физику сейсмических волн, исследуя их типы, поведение и приложения как в оценке опасности, так и в исследовании Земли.

Что вызывает землетрясения?

Основной механизм, ответственный за землетрясения, объясняется теорией эластичного отскока, впервые сформулированной геологом Х.Ф. Ридом после разрушительного землетрясения 1906 года в Сан-Франциско. Согласно этой модели, тектонические силы постепенно деформируют камни по обе стороны от разлома, заставляя их изгибаться и накапливать энергию эластичного напряжения, очень похожую на растянутую резиновую ленту. В течение десятилетий или даже столетий эта энергия напряжения накапливается, когда камни сопротивляются движению вдоль разлома из-за трения. В конце концов, напряжение превышает силу трения разлома, вызывая внезапное скольжение или разрыв. Затем камни возвращаются к менее напряженной конфигурации, высвобождая накопленную энергию в виде сейсмических волн, которые излучаются через Землю.

Количество энергии, выделяемой во время землетрясения, зависит от нескольких факторов: размера области разлома, которая проскальзывает, количества смещения вдоль разлома и жесткости (эластичной жесткости) участвующих пород.В то время как большинство землетрясений имеют тектоническое происхождение, деятельность человека, такая как добыча полезных ископаемых, заполнение резервуара и гидравлический разрыв пласта, также может вызывать сейсмические события, хотя они, как правило, меньше и реже.

Разломы — трещины, вдоль которых происходят землетрясения — классифицируются в основном на основе направления скольжения:

  • Неисправности скольжения удара: Характеризуются горизонтальным движением, когда блоки проскальзывают друг мимо друга боком.
  • Обычные неисправности: Возникают там, где кора растягивается, заставляя один блок двигаться вниз относительно другого.
  • Напряжение (или обратный) неисправности: Формирование под действием сжатия, когда один блок выталкивается вверх над другим.

Каждый тип разлома производит различные сейсмические паттерны излучения. Во время разрыва плоскость разлома постепенно ломается со скоростью около 3 километров в секунду, генерируя сейсмические волны, которые несут энергию наружу. Понимание этих механизмов источника имеет решающее значение для прогнозирования моделей тряски земли, оценки риска цунами и разработки соответствующих инженерных ответов.

Виды сейсмических волн

Сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, в целом подразделяются на две группы на основе их путей распространения: волн тела , которые проходят через внутреннюю часть Земли, и поверхностных волн , которые проходят вдоль поверхности Земли.

Волны тела: P-волны и S-волны

P-волны, или первичные волны, представляют собой компрессионные волны, где частицы колеблются параллельно направлению движения волны. Они являются самыми быстрыми сейсмическими волнами, движущимися примерно от 5 до 8 километров в секунду в земной коре и до 13 километров в секунду в более плотном ядре. Из-за их высокой скорости P-волны прибывают первыми на сейсмические станции, отсюда и их название. Они могут путешествовать через твердые тела, жидкости и газы, что делает их бесценными для исследования внутренней структуры Земли. Их движение частиц включает в себя чередующееся сжатие и разрежение, подобно звуковым волнам, движущимся по воздуху.

S-волны, или вторичные волны, представляют собой сдвиговые или поперечные волны, где частицы движутся перпендикулярно направлению распространения волны. Они движутся со скоростью примерно 60% от скорости P-волн, как правило, от 3 до 4 километров в секунду в коре. В отличие от P-волн, S-волны не могут распространяться через жидкости, потому что жидкости не могут поддерживать сдвиговые напряжения. Эта характеристика была фундаментальной при обнаружении жидкого внешнего ядра Земли. S-волны прибывают после P-волн на сейсмографах и часто более разрушительны из-за их сдвигового движения, что может вызвать значительные структурные повреждения. Разница во времени между P- и S-волнами на станции является ключевым параметром для определения местоположения эпицентра землетрясения.

Поверхностные волны: волны любви и Рэлея

Когда волны тела достигают поверхности Земли, они генерируют поверхностные волны, которые движутся вдоль границы между корой и атмосферой. Поверхностные волны обычно движутся медленнее, чем волны тела, но часто проявляют большие амплитуды и более длительные периоды, вызывая наиболее значительные встряхивания и повреждения во время землетрясения.

Любовные волны состоят из горизонтального сдвига, перпендикулярного направлению распространения волны. Они являются самыми быстрыми поверхностными волнами, со скоростями чуть меньше S-волн. Любовные волны требуют низкоскоростного поверхностного слоя, накладывающегося на слой с более высокой скоростью — обычное состояние в земной коре. Их движение бок о бок может скручивать и сдвигать фундаменты зданий, что делает их особенно разрушительными для определенных структур.

Волны Рэйли вызывают эллиптические, ретроградные движения частиц, похожие на океанские волны. Наземные частицы движутся как вертикально, так и горизонтально в направлении, противоположном распространению волны, производя ощущение качения, часто ощущаемое людьми во время землетрясений. Волны Рэйли движутся медленнее, чем волны Любви, и проявляют дисперсию — их скорость зависит от длины волны, причем более длинные длины волн движутся быстрее. Эта дисперсия заставляет волновой поезд распространяться с течением времени, свойство, используемое в геофизических исследованиях для вывода свойств подземного материала.

Распространение сейсмических волн по Земле

Скорость и поведение сейсмических волн при их прохождении через Землю критически зависят от физических свойств материалов, с которыми они сталкиваются. На скорость сейсмических волн влияют плотность пород и упругие модули, в частности, модуль объема, управляющий компрессионными волнами, и модуль сдвига, управляющий сдвиговыми волнами. Как правило, более плотные и более жесткие породы передают сейсмические волны быстрее.

Когда сейсмические волны сталкиваются с интерфейсами между различными слоями породы, такими как граница коры-мантии (разрыв Мохоровичича или «Мохо») или граница ядра-мантии, они подвергаются отражению и преломлению. Отражение включает волны, отскакивающие обратно в исходный слой, в то время как преломление изгибает волны, когда они переходят в новую среду с различными скоростными свойствами. Эти явления следуют закону Снелла, который связывает углы падения и преломления со скоростями волн в каждой среде. Сложное взаимодействие отражений и преломлений приводит к характерным шаблонам прибытия на сейсмических станциях, позволяя ученым нанести на карту внутреннюю структуру Земли.

Рефлекция и рефракция в деталях

Когда сейсмическая волна ударяет о границу под углом, часть ее энергии отражается назад, а остальная часть преломляется в следующий слой. Например, Р-волны, идущие от коры в мантию, сталкиваются с увеличением скорости волны, заставляя их изгибаться вниз. Из-за сферической формы Земли и градиентов скорости сейсмические волны следуют по изогнутым путям через внутреннюю часть, позволяя некоторым волнам появляться обратно на поверхности в тысячах километров от источника землетрясения. Это поведение лежит в основе сейсмических обзоров отражения, широко используемых в разведке углеводородов, где отраженные волны обнаруживают подземные геологические структуры, такие как складки, разломы и резервуары.

Сейсмические теневые зоны и ядро Земли

Важным следствием сейсмического волнового поведения является существование сейсмических теневых зон — областей, где определенные сейсмические волны не прибывают из-за внутренней структуры Земли. Поскольку S-волны не могут проходить через жидкое внешнее ядро, они отсутствуют за пределами примерно 103 градусов углового расстояния от источника землетрясения, создавая S-волновую теневую зону ]. Аналогично, P-волны сильно преломляются границей ядра-мантлы, что приводит к ] P-волновая теневая зона между примерно 103 и 143 градусами.

За 143 градуса некоторая энергия P-волн (известная как волны PKP) пересекает ядро и появляется на противоположной стороне Земли, хотя и с задержками. Идентификация и геометрия этих теневых зон предоставили первое прямое доказательство слоистой внутренней структуры Земли, включая жидкое внешнее ядро и твердое внутреннее ядро. Это открытие произвело революцию в нашем понимании геодинамики и генерации магнитного поля планеты.

Измерение и запись сейсмических волн

Обнаружение и запись сейсмических волн выполняется с помощью инструментов, называемых сейсмографами . Современный сейсмограф обычно состоит из массы, подвешенной на пружине — инерционном маятнике — размещенном в стабильной раме, прикрепленной к Земле. Когда сейсмические волны заставляют землю двигаться, подвесная масса остается почти неподвижной из-за инерции, и относительное движение между массой и рамой преобразуется в электрический сигнал. Этот сигнал оцифрован и записан как сейсмограмма , которая фиксирует движение земли с течением времени.

Анализируя сейсмограммы с нескольких станций по всему миру, сейсмологи могут определить гипоцентр землетрясения, рассчитать его величину и охарактеризовать процесс разрыва.Время прибытия Р- и S-волн особенно важно для определения местоположения источника землетрясения и оценки его расстояния от каждой станции.

Масштабы магнитуд землетрясений

Количественная величина землетрясения включает в себя различные масштабы. Шкала величины Рихтера, разработанная в 1935 году, измеряет логарифм максимальной амплитуды движения земли, записанный стандартным сейсмографом, расположенным в 100 километрах от эпицентра. Хотя исторически значимая, шкала Рихтера насыщает большие землетрясения и менее точна для отдаленных или очень глубоких событий.

Сегодня предпочтительной метрической величиной является шкала величины момента (FLT:1]] (Mw), которая основана на сейсмическом моменте — физической величине, рассчитанной как продукт области разрыва разлома, среднего смещения скольжения и жесткости породы. Шкала величины не насыщает и может надежно характеризовать землетрясения всех размеров, от незначительных подземных толчков до крупных событий мегатравмы. Дополнительной к величине, шкала интенсивности, такая как шкала модифицированной интенсивности Меркалли (MMI), описывают наблюдаемые эффекты и повреждения в конкретных местах, отражая тяжесть встряхивания земли и условия локального участка.

Использование сейсмических волн для изучения внутренних частей Земли

Сейсмические волны служат мощным инструментом для визуализации внутренних частей Земли, подобно медицинским ультразвуковым изображениям человеческого тела. С помощью метода, называемого сейсмической томографией , ученые анализируют время перемещения тысяч сейсмических волн, записанных глобальными сетями, для построения трехмерных моделей внутренней структуры планеты. Изменения скорости сейсмических волн выявляют различия в температуре, составе и фазе материалов Земли.

Области, где сейсмические волны движутся медленнее, указывают на более горячие, менее плотные материалы, такие как мантийные плюмы или частично расплавленные зоны. И наоборот, более высокие скорости волн соответствуют более холодным, более плотным областям, таким как субдукционные литосферные плиты, спускающиеся в мантию. Сейсмическая томография осветила глубокие корни вулканов, геометрию зон субдукции и даже анизотропные свойства внутреннего ядра, улучшив наше понимание конвекции мантии и тектоники плит.

Другим критическим методом является анализ поверхностно-волновой дисперсии. Поскольку поверхностные волны разных длин волн проникают на разные глубины, измерение их скорости в зависимости от длины волны (или периода) позволяет геофизикам сделать вывод о структуре скорости сдвиговой волны коры и верхней мантии. Эта информация играет важную роль в инженерной сейсмологии для характеристики участка и в исследовании региональных тектонических процессов.

Опасность землетрясений и готовность

Понимание физики сейсмических волн имеет важное значение для оценки и смягчения сейсмических опасностей. Тяжесть тряски грунта в любом месте зависит от множества факторов, включая магнитуду землетрясения, расстояние от эпицентра, местные геологические условия и направленность распространения разрыва. Мягкие почвы и осадочные бассейны могут усиливать сейсмические волны, увеличивая интенсивность тряски и потенциал повреждения.

Инженеры используют спектры ответов , которые суммируют максимальные реакции здания на различные частоты движения земли, для проектирования структур, способных выдерживать ожидаемые землетрясения. Эти спектры получены из записанных акселерограмм — временных рядов ускорения земли во время встряхивания — и информируют строительные коды по всему миру.

Системы раннего предупреждения, такие как система ShakeAlert, реализованная на западе США, используют тот факт, что электронные сигналы движутся быстрее сейсмических волн. Когда сеть сейсмографов обнаруживает начальную Р-волну от землетрясения, компьютеры быстро оценивают ее местоположение и величину, отправляя оповещения в населенные районы до прибытия более разрушительных S-волн и поверхностных волн. Этого предварительного уведомления, которое может варьироваться от нескольких секунд до десятков секунд, достаточно, чтобы замедлить поезда, остановить промышленные процессы, открыть двери пожарной части и позволить людям принимать защитные меры.

На личном уровне готовность включает в себя знание того, как «сбрасывать, покрывать и удерживать» во время тряски, закрепляя тяжелую мебель и приборы и поддерживая комплект аварийного питания. Сообщества принимают положения сейсмического проектирования в строительных нормах, чтобы гарантировать, что новые конструкции могут противостоять ожидаемым движениям земли, сводя к минимуму потери жизни и имущества.

Заключение

Сейсмические волны представляют собой гораздо больше, чем агенты разрушительного встряхивания - они являются окном в динамические процессы, формирующие нашу планету, и решающим инструментом для снижения риска землетрясений. От быстрых компрессионных импульсов Р-волн до катящихся движений волн Рэлея, каждый тип сейсмических волн кодирует жизненно важную информацию об источниках землетрясений, путях распространения и внутренней структуре Земли. Достижения в сейсмическом приборостроении, глобальном обмене данными и вычислительном моделировании продолжают повышать нашу способность прогнозировать встряхивание земли, исследовать подземные ресурсы и распутывать глубокие геодинамические силы, которые создают континенты и океаны. Благодаря постоянным исследованиям и готовности общество может лучше сосуществовать с беспокойной земной корой и смягчать последствия этих грозных природных событий.