какие сейсмические волны вызывают колебания частиц горных пород вперед назад

Сейсмическая волна

Скорость распространения волн зависит от плотности и упругости среды. Скорость имеет тенденцию к росту по мере углубления, в земной коре она составляет 2—8 км/с, а при углублении до мантии — 13 км/с.

Землетрясения создают разные типы сейсмических волн с разной скоростью. Волна фиксируется на ряде сейсмологических станций, и по разнице во времени учёные вычисляют эпицентр. В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для изучения глубин Земли, искусственные волны используются для исследования подземных структур.

Содержание

Типы сейсмических волн

Есть два главных типа: объёмные волны и поверхностные волны. Кроме описанных ниже есть и другие, менее значимые типы волн, которые вряд ли можно встретить на Земле, но они имеют важное значение в астросейсмологии.

Объёмные волны

Они проходят через недра Земли. Путь волн преломляется различной плотностью и жёсткостью подземных пород.

P-волны

P-волны (первичные волны) — продольные, или компрессионные волны. Обычно их скорость в два раза быстрее S-волн, проходить они могут через любые материалы. В воздухе они принимают форму звуковых волн, и, соответственно, их скорость становится равной скорости звука. Стандартная скорость P-волн — 330 м/с в воздухе, 1 450 м/с в воде и 5 000 м/с в граните.

S-волны

S-волны (вторичные волны) — поперечные волны. Они показывают, что земля смещается перпендикулярно к направлению распространения. В случае горизонтально поляризованных S-волн земля движется то в одну сторону, то в другую попеременно. Волны этого типа могут действовать только в твёрдых телах.

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. Они бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява.

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 геодезические 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 объем 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 ее на 8. Но на телесейсмических дистанциях этот способ не подходит потому, что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость.

Ссылки

Это заготовка статьи по географии. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. Это примечание по возможности следует заменить более точным.

Полезное

Смотреть что такое «Сейсмическая волна» в других словарях:

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ВОЛНА — СЕЙСМИЧЕСКАЯ ВОЛНА, ударная волна, создаваемая ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯМИ или искусственными взрывами. Скорость и направление сейсмической волны меняется в зависимости от того, через какое вещество она проходит (вид горной породы, расплавленное ядро Земли… … Научно-технический энциклопедический словарь

сейсмическая волна — Упругая волна в геологической среде [ГОСТ 16821 91] Тематики сейсморазведка … Справочник технического переводчика

Сейсмическая волна — Сейсмическая волна: Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений и взрывов. Источник: БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ. ПРИРОДНЫЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ГОСТ 22.0.03 97/ГОСТ Р 22.0.03 95 (утв … Официальная терминология

сейсмическая волна — seisminė banga statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. earth quake wave; seismic wave vok. Erdbebenwelle, f; seismische Welle, f rus. сейсмическая волна, f pranc. onde seismique, f; onde sismique, f … Fizikos terminų žodynas

сейсмическая волна — 3.2.7. сейсмическая волна: Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений и взрывов. Источник: ГОСТ Р 22.0.03 95: Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Природные чрезвычайные ситуации. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Сейсмическая волна — упругое колебание, распространяющееся в грунтовой среде от очагов землетрясений, взрывов или иных источников импульсных нагрузок … Гражданская защита. Понятийно-терминологический словарь

кратная (сейсмическая) волна — Ндп. многократная волна Сейсмическая волна, совершившая два или более отражений от границ раздела геологических сред, включая поверхность Земли [ГОСТ 16821 91] Недопустимые, нерекомендуемые многократная волна Тематики сейсморазведка … Справочник технического переводчика

поперечная (сейсмическая) волна — S волна Сейсмическая волна, за фронтом которой колебания частиц среды происходят в направлении, перпендикулярном к направлению ее распространения [ГОСТ 16821 91] Тематики сейсморазведка Синонимы S волна … Справочник технического переводчика

преломленная (сейсмическая) волна — проходящая волна Сейсмическая волна, преломившаяся на границе раздела двух геологических сред [ГОСТ 16821 91] Тематики сейсморазведка Синонимы проходящая волна … Справочник технического переводчика

продольная (сейсмическая) волна — Р волна Сейсмическая волна, за фронтом которой колебания частиц среды происходят в направлении ее распространения. [ГОСТ 16821 91] Тематики сейсморазведка Синонимы Р волна … Справочник технического переводчика

Источник

Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях

Хлопок в ладоши возбуждает звуковые волны, которые дале­ко расходятся в воздухе, где попеременно происходит сжатие и разрежение; механическая энергия начального движения рук превращается в воздушные вибрации. Камень, брошенный в во­ду, создает волны, расходящиеся на поверхности воды в виде ря­би. Приблизительно то же самое происходит со студнеобразны­ми или другими упругими материалами: резкий толчок застав­ляет их дрожать вследствие распространения упругих волн от места толчка через все упругое тело. Горные породы Земли так­же обладают упругими свойствами, и это заставляет их дефор­мироваться и вибрировать под действием приложенных к ним сил сжатия и растяжения.

Проникнуть в природу землетрясения далеко не просто, но, к счастью, только три главных типа упругих волн создают те сейсмические колебания, которые ощущаются людьми и вызы­вают разрушения. Эти волны во многих важных отношениях подобны хорошо знакомым нам колебаниям в воздухе, воде и студне. Из них только два типа распространяются внутри объема горных пород. Более быстрые из этих объемных волн на­зываются первичными (Р) или продольными волнами. Их движе­ние имеет тот же характер, что и у звуковых волн, т. е. при своем распространении они попеременно давят на горные породы (сжи­мают их) или создают в них разрежение, растягивают их (рис. 5,а). Эти Р-волны, подобно звуковым волнам, способны прохо­дить и через твердые породы, например гранитные горные мас­сивы, и через жидкости, такие как вулканическая магма или вода океанов. Следует отметить, что из-за сходства этих волн со зву­ковыми часть Р-волн, выходя из глубин Земли к ее поверхности, может передаваться в атмосферу в виде звуковых волн, воспри­нимаемых животными и людьми, если частота их окажется в ин­тервале слышимости*).

Более медленные волны, проходящие через горные породы, называются вторичными (S) или поперечными волнами. При своем распространении они сдвигают частицы вещества в сто­роны, под прямым углом к направлению своего пути (рис. 5,6). Простое наблюдение ясно показывает, что если какой-то объем жидкости сдвинуть в сторону или повернуть, то он не вернется затем на прежнее место. Из этого следует, что поперечные волны не могут проходить через те участки Земли, которые состоят из жидкости, например через океаны.

Сейсмические волны третьего типа называются поверх­ностными волнами, поскольку их распространение ограничено зоной, близкой к поверхности грунта. Такие волны подобны ря­би, расходящейся по поверхности озера. Наибольшие колебания происходят на самой поверхности, а с глубинрй амплитуда волн становится меньше и меньше.

*) То есть больше 15 герц.

Поверхностные волны, создаваемые землетрясениями, делят­ся на два вида. Первый называется волнами Лява. Эти волны в сущности то же самое, что поперечные волны без верти­кальных смещений; они заставляют частицы грунта колебаться

из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной поверхности Земли, но под прямым углом к направлению своего распространения, как это показано на рис. 5,в. Воздействие волн Лява состоит в горизонтальных колебаниях, которые передаются основаниям построек и, следовательно, могут вызвать разруше­ния. Второй вид поверхностных волн известен под названием волн Рэлея. Как и в обычных морских волнах, частицы материа­ла, захваченного волнами Рэлея, движутся по вертикали и по го­ризонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по на­правлению распространения волн. Как показано на рис. 5,2, каждая частица породы при прохождении волны движется по эллипсу.

Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и из двух видов поверхностных волн обычно волны Лява приходят быстрее, чем Рэлея (см. дополнение 1). Таким образом, когда из очага землетрясения волны расходятся в раз­ные стороны в земной коре, то можно предсказать, каким имен­но образом отделятся друг от друга разные типы волн (пример таких расчетов приведен в приложении Ж в конце книги; в этом примере сейсмограф записывал только вертикальные колебания грунта и на сейсмограмме выделяются только продольные вол­ны, поперечные волны и волны Рэлея; волны Лява вертикальны­ми приборами не записываются). Поскольку волны Рэлея содер­жат вертикальную составляющую, они могут воздействовать на воду, например в озерах, тогда как волны Лява (которые не про­ходят через воду) действуют только на прибрежные части озер и океанских заливов, заставляя воду смещаться взад-вперед и перемешиваться, как у стенок вибрирующего бака.

Объемные волны (продольные • и поперечные) обладают и другим свойством, влияющим на производимые ими сотрясе­ния: при распространении через пласты горных пород земной коры они отражаются от границ между породами разного типа или преломляются на этих границах, как показано на рис. 6,а. Кроме того, какая бы волна ни испытывала отражения или пре­ломления, часть энергии волн одного типа идет на образование волн другого типа (рис. 6,6). Возьмем простой пример: продоль­ная волна подходит снизу к подошве слоя аллювия; при этом часть энергии будет передаваться вверх в виде продольной вол­ны (Р), а часть превратится в поперечные колебания (S) (еще одна часть энергии отразится обратно вниз в виде Р- и S-волн).

Рис. 5. Схемы, изображающие форму колебаний грунта у его поверхности для четырех типов сейсмических волн. (Из книги Б. Болта [5].)

а-продольные волны, б-поперечные волны, в-волны Лява, г-волны Рэлея

Из сказанного становится понятно, почему на суше после первых толчков при сильных колебаниях грунта обычно ощу­щаются волны двух видов. Но если во время землетрясения вы окажетесь в море, то почувствуете, что судно воспринимает толь­ко один вид колебаний, передаваемый Р-волнами, так как S-волны не проходят через воду. Тот же эффект возникает, когда при сейсмических колебаниях в песчаных слоях происходит раз­жижение. Энергия поперечных волн, проходящих через разжи­женные слои, постепенно уменьшается, и в конце концов прохо­дят только продольные волны.

Когда Р- и S-волны достигают поверхности грунта, большая часть их энергии отражается обратно в земную кору, так что на поверхность почти одновременно воздействуют волны, движу­щиеся и вверх, и вниз. Поэтому вблизи поверхности, как прави­ло, происходит значительное усиление колебаний: иногда их ам­плитуда вдвое превышает амплитуду приходящих волн. Это приповерхностное увеличение амплитуды усиливает разрушения, производимые на поверхности Земли. В самом деле, при многих землетрясениях горнорабочие отмечали в подземных выработ­ках колебания более слабые, чем ощущали люди на поверх­ности.

Однако приведенное здесь описание не дает полного представления о тех мощных толчках, которые ощущаются вбли­зи эпицентра землетрясения. У внезапно вскрывшегося разлома, такого как Сан-Андреас в 1906 г., сильные движения грунта, от­мечаемые при землетрясении, представляют собой смесь сейсми­ческих волн различного типа, трудно отделимых друг от друга. Дело осложняется и тем, что источник излучения сейсмической энергии сам занимает какую-то площадь, и это еще больше уси­ливает беспорядочность разнородных колебаний грунта. Тем не менее позже в этой книге (в гл. 4, 6 и 7) мы попытаемся ра­зобраться в этих сложных движениях путем анализа инструмен­тальных записей сильных колебаний грунта, полученных вблизи очага землетрясения.

И последнее, что стоит сказать здесь по поводу сейсмических волн. Имеются убедительные доказательства-как наблюдавшие­ся на практике, так и теоретические,-что на сейсмические волны воздействуют и грунтовые условия, и рельеф местности. Напри­мер, в выветрелых поверхностных породах, в аллювии и водо-насыщенных грунтах амплитуда сейсмических волн, приходящих из более жестких глубинных пород, может и увеличиваться, и уменьшаться. Это означает, что, хотя детали волнового воздей­ствия очень сложны и усиление колебаний грунта может проис­ходить не беспредельно, все же было бы весьма благоразумно следовать, насколько возможно, библейскому совету — строить на твердой скале, а не на песке: по крайней мере основание по­стройки будет более устойчивым. Колебания могут усиливаться также у вершины или у подножья горного хребта в зависимости от направления подхода волн и от того, короткие это волны или длинные.

Разлом Сан-Андреас, как гигантский шрам, пересекает равнину Карризо в Ка­лифорнии. (С разрешения Р. Э. Уоллеса, Геологическая служба США.)

Источник

Сейсмические волны и движения земной поверхности

Самые большие разрушения при землетрясениях вызываются колебаниями земной поверхности под воздействием самих ударных волн. Различают четыре типа сейсмических волн, распространяющихся с разной скоростью; любой из типов имеет свои соответствующие особенности. Сначала следует именовать два типа волн, которые очень стремительно распространяются в горных породах. Это — первичные продольные сейсмические волны (Р-волны), отражающие деформации сжатия (так сближаются, к примеру, вагоны поезда при переводе стрелки), и вторичные поперечные сейсмические волны (5-волны), которые связаны с деформациями сдвига (как в закручивающейся скакалке). Почти всегда амплитуда обоих типов волн так мала, что они могут быть обнаружены только с помощью сейсмографов.

Скорость волн практически находится в зависимости от типа породы, в какой они распространяются; обычно Р-волны передвигаются со скоростью около 7,5 км/с, это в 2 раза резвее скорости «S-волн. Потому расстояние до источника, либо фокуса, землетрясения может быть определено по разности во времени приема этих волн сейсмографами. С еще более низкой скоростью распространяются так именуемые поверхностные волны. Они движутся приблизительно в 2 раза медлительнее, чем S-волны, но отличаются большей амплитудой. Поверхностные волны и вызывают самые сильные разрушения, сотрясая земную поверхность.

Хотя землетрясения нередко обрисовывают как секундные действия, что полностью справедливо в масштабе геохронологической шкалы, они длятся в течение измеримого интервала времени. Обычно поверхностные движения не продолжаются и одной минутки: в 1906 г. в Сан-Франциско землетрясение длилось около 40 с. Но длительность величавого землетрясения на Аляске в 1964 г. была в 5 раз больше. Потом перечисленные типы волн затухают, а на замену им приходят афтершоки — дополнительные импульсы волнового движения, вызванные последующими подвижками пород в точке начального нарушения их целостности либо поблизости ее. Афтершоки могут длиться в течение многих дней; часто они бывают довольно сильными, но время от времени так слабенькими, что определяются только с помощью устройств. В течение суток после землетрясения на Аляске в 1964 г. было записанно 28 афтершоков, 10 из которых были довольно осязаемыми. Из-за афтершоков очищающие работы после землетрясения становятся небезопасными и никчемными.

Свидетели землетрясений в собственных рассказах обычно приукрашивают и преомнажают их драматическую природу. В реальности сейсмические волны обычно ощущаются только как сильные, насыщенные движения земной поверхности. Все же время от времени наблюдаются земные волны в буквальном смысле слова: волны движутся по земле, как по озеру. Некие рассказы об этом явлении можно считать полностью достоверными. При калифорнийском землетрясении 1906 г. в отдельных местах отмечались земные волны высотой до 1 м, было зафиксировано также распространение волн еысотой около 30 см и длиной 18 м. Волны еще наименьшей длины (2–3,5 м) наблюдались при землетрясении в равнине Ганга (Индия) в 1934 г. В той же стране ассамское землетрясение 1897 г. вызвало волны, распространявшиеся со скоростью «быстрее ходьбы человека, но медлительнее его бега».

Интенсивность землетрясения или измеряется в баллах, или выражается его магнитудой. Магнитуда землетрясения обычно измеряется по шкале Рихтера, нареченной так в честь ее создателя. Рихтер обусловил магнитуду как число, пропорциональное логарифму амплитуды (выраженной в микрометрах) более большой волны, зарегистрированной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра, т. е. от проекции на земную поверхность фокуса (либо источника) землетрясения. Магнитуда может изменяться от 1 до 9. Если магнитуда равна, к примеру, 5, то это означает, что энергия данного землетрясения в 10 раз превосходит энергию, высвободившуюся при землетрясении, имеющем магнитуду 4.

Сила землетрясения в баллах отражает доброкачественную меру его воздействия на всякую определенную точку. Она регится по переделанной шкале Меркалли, деления которой основаны на оценке наблюдаемых движений тех либо других предметов и степени разрушения. Баллы отмечаются цифрами от I до XII (числа римские, чтоб не было неурядицы с магнитудой)[1]. С удалением от эпицентра сила землетрясения миниатюризируется. Сила VII баллов будет свойственна для участка, прилегающего к эпицентру землетрясения, имеющего магнитуду 5. Такое землетрясение может повлечь за собой сильные разрушения построек, но верно сконструированные антисейсмические постройки должны выдержать эти толчки. Большими числятся землетрясения, магнитуды которых равны 5–6 и поболее; необъятные разрушения соответствуют IX баллам. Самые сильные землетрясения, как, к примеру, землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско, магнитуда которого составляла 8,3, вызывают практически полные разрушения и оцениваются в XI–XII баллов.

Сейсмические волны, как и волны всех других типов, могут затухать либо усиливаться или даже резонировать зависимо от того, через какие горные породы они проходят. Таким макаром, разрушительная сила землетрясения зависит не только лишь от его магнитуды, да и от местных геологических критерий. Более точное различие тут наблюдается меж коренными породами и неуплотненными осадками. Последние нисколечко не смягчают колебаний при землетрясении, и поэтому они менее применимы для заложения фундаментов.

Землетрясение 1967 г. в столице Венесуэлы Каракасе, имевшее магнитуду 6,5, не было в особенности сильным, но оно разрушило четыре высотных строения, и число погибших составило 200 человек. Все эти строения стояли на аллювии; при усилении сейсмических колебаний рыхловатые осадки утратили связность. Не считая того, частота волны в аллювии совпала с естественной частотой колебания построек, и появившийся резонанс вполне разрушил эти постройки. Явление другого порядка имело место во время еще более сильного землетрясения, потрясшего в 1952 г. южную Калифорнию. В зоне разрушений оказался Хрустальный грот, который осматривала в этот момент группа туристов. Люди ничего не ощутили, так как их окружал плотный известняк.

Такие различия в геологическом строении имеют очень огромное значение при исследовании сейсмических зон, в особенности при оценке различных побочных эффектов, вызываемых колебаниями грунтов во время землетрясения.

Источник