Сейсмическая волна - NiNa.Az

Сейсмические волны — волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация, удар, как и любое воздействие на горные породы, вызывающие в них появление упругих колебаний. Сейсмические волны изучаются в сейсмологии и разведочной геофизике. Для записи колебаний, вызываемых сейсмическими волнами, применяются автономные сейсморегистраторы или приёмники, подключённые к сейсмостанциям. Скорость распространения волн зависит от плотности и упругих модулей среды, в которой распространяется волна. Скорость сейсмических волн обычно убывает с уменьшением глубины; на уровне мантии — 13 км/с, в верхних слоях земной коры она составляет 1—8 км/с,. Частота сейсмических волн изменяется в диапазоне от долей до первых сотен герц (т.е. от инфразвука до ≈первой октавы).

Типы сейсмических волн

Распространение P- и S-волн

Сейсмические волны подразделяются на объёмные и поверхностные.

Объёмные волны

Объёмные волны без ограничений распространяются во всём объёме геологической среды. Они делятся на продольные и поперечные.

P-волны

Основная статья: P-волна

P-волны (первичные) — продольные, волны сжатия-растяжения. Создают колебания, ориентированные вдоль луча волны. Обычно их скорость в два раза быстрее S-волн, проходить они могут через любые материалы. На нижней стороне границы Мохоровичича скорость P-волн приблизительно равна 8100 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 13600 м/с.

S-волны

Основная статья: S-волна

S-волны (вторичные волны) — поперечные волны. Частицы среды испытывают колебания перпендикулярно линии распространения волны. Жидкости не пропускают S-волны, это является одной из причин того, что землетрясение на корабле в море ощущается в виде вертикального толчка, словно корабль натолкнулся на подводный объект. На нижней стороне границы Мохоровичича скорость S-волн приблизительно равна 4400 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 7300 м/с.

Поверхностные волны

Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн.

Поверхностные волны бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява. В волнах Лява частицы колеблются в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны. В волнах Рэлея частицы движутся по эллипсам вперед-вверх-назад-вниз относительно направления распространения волны. Поверхностная волна распространяется медленнее S-волны, при этом волна Лява быстрее волны Рэлея.

P- и S-волны в мантии и ядре

Когда происходит землетрясение, сейсмографы вблизи эпицентра записывают S- и P-волны. Но на больших расстояниях обнаружить высокие частоты первой S-волны невозможно. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, на основании этого явления Ричард Диксон Олдхэм выдвинул предположение, что Земля имеет жидкое внешнее ядро. По этому виду исследования в дальнейшем было выдвинуто предположение, что у Луны твёрдое ядро, но недавние геофизические исследования показывают, что оно ещё расплавлено.

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

В случае локальных или близлежащих землетрясений разница прибытия P- и S- волн может использоваться для обнаружения дистанции от события. В случае глобальных землетрясений четыре или более наблюдательных станций, синхронизированных по времени, записывают время прибытия P-волн. На основе этих данных можно вычислить эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объём данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км — это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить её на 8. Но на телесейсмических^{[неизвестный термин]} дистанциях этот способ не подходит, потому что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость.

Амплитуда сейсмической волны

Амплитудой сейсмической упругой волны является максимальное значение смещения колеблющейся частицы горной породы относительно равновесного состояния. В зависимости от типа приёмника сейсмических колебаний амплитуда может быть равна максимальной скорости или ускорению колеблющихся частиц. После преобразования в приёмниках сейсмический сигнал становится электрическим, поэтому амплитуда выражается уже в мВ или в единицах АЦП. Эталона сейсмической волны в настоящее время не существует, поэтому вопрос об единице измерения амплитуды остаётся открытым и она полагается безразмерной.

В зависимости от полярности сейсмического импульса амплитуда волны может иметь положительное или отрицательное значение. Импульс с положительной амплитудой имеет полярность (порядок следования фаз) такой же как и у волны, создаваемой непосредственно источником, а импульс с отрицательной амплитудой — противоположный.

Амплитуда сейсмической волны зависит от плотности энергии в пространстве между фронтом и тылом, поэтому из-за перераспределения неизменной упругой энергии на всё больший объём, амплитуда волны уменьшается с удалением фронта волны от источника. Кроме того, на значение амплитуды влияет акустическая жёсткость (волновой импеданс), определяющий степень уменьшения амплитуды. В акустически жёстких средах амплитуда упругой волны падает, в акустически мягких — возрастает. Также амплитуда упругой волны прямо зависит от кинетической энергии, которые источник волны сообщает среде.

Примечания

1. Эйби, 1982, с. 31.
2. Эйби, 1982, с. 78.
3. Эйби, 1982, с. 82.
4. Эйби, 1982, с. 16.
5. Эйби, 1982, с. 42.
6. Бармасов А. В. Курс общей физики для природопользователей. Колебания и волны.. — БХВ-Петербург, 2009.
7. Гурвич И. И., Боганик Г. Н. Сейсмическая разведка. — М.: Недра, 1980.

Литература

• Физика сейсмических волн и внутреннее строение Земли / Академия наук СССР; Междуведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (Москва); отв. ред. Е. Ф. Саваренский. — М.: Наука, 1983. — 223 с.
• Эйби Дж. А. Землетрясения = Earthquakes. — М.: Недра, 1982. — 50 000 экз.

Ссылки

• [dic.academic.ru/dic.nsf/enc3p/267306 Статья в БЭс]
• http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html