Сейсмическая волна - Seismic wave

Эта статья о волнах, которые проходят через Землю. О океанских волнах, которые иногда называют «сейсмическими морскими волнами», см. Цунами.

Объемные волны и поверхностные волны

p-волна и s-волна от сейсмографа

Скорость сейсмических волн на Земле в зависимости от глубины.^[1] Незначительное S-скорость волны во внешнем ядре возникает из-за того, что оно жидкое, а в твердом внутреннем ядре S-скорость волны отлична от нуля

Сейсмические волны волны энергия которые путешествуют через Земля слоев и являются результатом землетрясения, извержения вулканов, движение магмы, большой оползни и большой рукотворный взрывы которые излучают низкочастотную акустическую энергию. Многие другие природные и антропогенные источники создают волны малой амплитуды, обычно называемые окружающие вибрации. Сейсмические волны изучаются геофизики называется сейсмологи. Поля сейсмических волн регистрируются сейсмометр, гидрофон (в воде), или акселерометр.

Распространение скорость сейсмических волн зависит от плотность и эластичность среды, а также тип волны. Скорость имеет тенденцию увеличиваться с глубиной сквозь земные корка и мантия, но резко падает, переходя от мантии к внешнее ядро.^[2]

Землетрясения создают разные типы волн с разной скоростью; при достижении сейсмических обсерваторий их разные время в пути помочь ученым определить источник гипоцентр. В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для исследования структуры Земля внутри, а искусственные колебания часто генерируются для исследования неглубоких подземных структур.

Типы

Среди множества типов сейсмических волн можно провести широкое различие между объемные волны, которые путешествуют по Земле, и поверхностные волны, которые путешествуют 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 астросейсмология.

• 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

Объемные волны проходят через недра Земли по траекториям, контролируемым свойствами материала с точки зрения плотность и модуль (жесткость). Плотность и модуль, в свою очередь, зависят от температуры, состава и фазы материала. Этот эффект напоминает преломление из световые волны. Два типа движения частиц приводят к двум типам объемных волн: Первичный и Вторичный волны.

Первичные волны

Основная статья: Зубец P

Первичные волны (P-волны) - это волны сжатия, которые продольный в природе. Зубцы P представляют собой волны давления, которые проходят через землю быстрее, чем другие волны, и первыми 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 по скорость звука. Типичные скорости 330 м / с в воздухе, 1450 м / с в воде и около 5000 м / с в гранит.

Вторичные волны

Основная статья: S-волна

Вторичные волны (S-волны) - это поперечные волны, которые поперечный в природе. После землетрясения S-волны приходят к сейсмографическим станциям вслед за более быстро движущимися P-волнами 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

Сейсмические поверхностные волны распространяются по поверхности Земли. Их можно классифицировать как форму механические поверхностные волны. 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

Основная статья: Волна Рэлея

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, Лорд Рэйли, в 1885 г. Они медленнее объемных волн, примерно 90% скорости S-волн для типичных однородных упругих сред. В слоистой среде (например, корка и верхняя мантия ) скорость волн Рэлея зависит от их частоты и длины волны. Смотрите также Волны ягненка.

Волны любви

Основная статья: Волна любви

Волны любви горизонтальны поляризованный поперечные волны (Волны SH), существующие только при наличии полубесконечный среда перекрывается верхним слоем конечной толщины.^[7] Они названы в честь A.E.H. Любить, британский математик, который создал математическую модель волн в 1911 году. Обычно они движутся немного быстрее, чем волны Рэлея, около 90% скорости S-волны, и имеют самую большую амплитуду.

Волны Стоунли

Основная статья: Волна Стоунли

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 максимальные значения на границе между двумя контактирующими средами и экспоненциально затухают в глубину каждой из них. Эти волны могут генерироваться вдоль стенок заполненного жидкостью скважина, являясь важным источником когерентного шума в вертикальные сейсмические профили (VSP) и составляя низкочастотную составляющую источника в акустический каротаж.^[8]Уравнение для волн Стоунли впервые было дано доктором Робертом Стоунли (1894–1976), заслуженным профессором сейсмологии, Кембридж.^[9]

Нормальные режимы

Чувство движения для тороидального ₀Т₁ колебание в течение двух моментов времени.

Схема движения для сфероидальных ₀S₂ осцилляции: пунктирными линиями обозначены узловые (нулевые) линии. Стрелки дают ощущение движения.

Свободные колебания Земли стоячие волны, результат интерференции двух поверхностных волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Интерференция волн Рэлея приводит к сфероидальное колебание S а интерференция волн Любви дает тороидальное колебание T. Режимы колебаний обозначаются тремя числами, например, _пS_л^м, где л - угловой порядковый номер (или степень сферической гармоники, увидеть Сферические гармоники Больше подробностей). Число м - азимутальный порядковый номер. Может потребоваться 2л+1 значения из -л к +л. Число п это радиальный номер заказа. Значит волна с п нулевые переходы по радиусу. Для сферически симметричной Земли период для данного п и л не зависит от м.

Некоторые примеры сфероидальных колебаний - режим «дыхания». ₀S₀, который включает расширение и сжатие всей Земли и имеет период около 20 минут; и режим «регби» ₀S₂, который включает в себя расширения в двух чередующихся направлениях и имеет период около 54 минут. Режим ₀S₁ не существует, потому что это потребовало бы изменения центра тяжести, что потребовало бы внешней силы.^[3]

Из основных тороидальных мод ₀Т₁ представляет изменения скорости вращения Земли; хотя это происходит, это слишком медленно, чтобы быть полезным в сейсмологии. Режим ₀Т₂ 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 Великой Отечественной войны. Землетрясение 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

Когда происходит землетрясение, сейсмографы рядом с эпицентр могут записывать как P-, так и S-волны, но те, кто находится на большем расстоянии, больше не обнаруживают высокие частоты первой волны S. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, это явление было оригинальным доказательством хорошо установленного наблюдения, что на Земле есть жидкость. внешнее ядро, как показано Ричард Диксон Олдхэм. Такое наблюдение также использовалось для аргументации сейсмические испытания, что Луна имеет твердое ядро, хотя недавние геодезические исследования показывают, что ядро ​​все еще расплавлено^{[нужна цитата ]}.

Обозначение

Волны землетрясений

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 разрыва на глубине d
г	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 представляет собой волну, которая начинает двигаться к центру Земли в виде S-волны. Достигнув внешнего ядра, волна отражается как P-волна.
• СПКИКП представляет собой волновой путь, который начинает движение 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

Гипоцентр / эпицентр землетрясения рассчитывается с использованием сейсмических данных этого землетрясения, по крайней мере, из трех разных мест. Гипоцентр / эпицентр находится на пересечении трех кругов с центром на трех наблюдательных станциях, показанных здесь в Японии, Австралии и США. Радиус каждого круга рассчитывается по разнице времен прихода продольных и поперечных волн на соответствующую станцию.

В случае локальных или близких землетрясений разница в время прибытия волн P и S можно использовать для определения расстояния до события. В случае землетрясений, произошедших на глобальном расстоянии, три или более географически разнесенных станции наблюдений (с использованием общего Часы ) регистрация приходов P-волн позволяет вычислить уникальное время и место на планете для события. Обычно для расчета используются десятки или даже сотни приходов P-волн. гипоцентры. Несоответствие, генерируемое вычислением гипоцентра, известно как «остаток». Невязки 0,5 секунды или меньше 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 локации начинается с предположения, что событие произошло на глубине около 33 км; затем он сводит к минимуму остаток, регулируя глубину. Большинство событий происходит на глубине менее 40 км, но некоторые происходят на глубине до 700 км.

Доля P- и S-волн при распространении

Быстрый способ определить расстояние от местоположения до очага сейсмической волны на расстоянии менее 200 км - это определить разницу во времени прибытия P-волны и S-волны в секунды и умножьте на 8 километров в секунду. Современные сейсмические группы используют более сложные место землетрясения техники.

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 возросшим скорости внутри планеты и называется Принцип Гюйгенса. Плотность на планете увеличивается с глубиной, что замедлит волны, но модуль камня увеличивается намного больше, поэтому глубже - значит 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, что существуют в Калифорнии, могут обеспечить точность примерно до километра, и гораздо большая точность возможна, когда время измеряется непосредственно с помощью взаимная корреляция из сейсмограмма формы волны.

Смотрите также

• Уравнение Адамса – Вильямсона
• Гелиосейсмология
• Отражательная сейсмология

использованная литература

1. Г. Р. Хелффрич и Б. Дж. Вуд (2002). «Мантия Земли» (PDF). Природа. Журналы Macmillan. 412 (2 августа): 501–7. Дои:10.1038/35087500. PMID  11484043. S2CID  4304379. В архиве (PDF) с оригинала от 24 августа 2016 г.
2. Ширер 2009, Введение
3. Ширер 2009, Глава 8 (См. Также опечатка )
4. Сет Штайн; Майкл Визессион (1 апреля 2009 г.). Введение в сейсмологию, землетрясения и строение Земли. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-14443-1131-0.
5. "Сейсмические волны". Музей естественной истории и культуры Берка. Получено 24 марта, 2019.
6. Sammis, C.G .; Хеньи, Т. (1987). Геофизические полевые измерения. Академическая пресса. п. 12. ISBN  978-0-08-086012-1.
7. Шериф, Р. Э., Гелдарт, Л. П. (1995). Разведочная сейсмология (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 52. ISBN  0-521-46826-4.
8. Глоссарий компании Schlumberger Oilfield. Волна Стоунли.
9. Роберт Стоунли, 1929 - 2008 гг. Некролог сына со ссылкой на открытие волн Стоунли.
10. Обозначения взяты из Bullen, K.E .; Болт, Брюс А. (1985). Введение в теорию сейсмологии (4-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521283892. и Ли, Уильям Х.К .; Дженнингс, Пол; Кисслингер, Карл; и др., ред. (2002). Международный справочник землетрясений и инженерной сейсмологии. Амстердам: Academic Press. ISBN  9780080489223.
11. «Список стандартных этапов IASPEI». Международный сейсмологический центр. Получено 7 апреля 2019.

Источники

• Ширер, Питер М. (2009). Введение в сейсмологию. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-88210-1.

внешние ссылки

• EDT: веб-сайт MATLAB для распространения сейсмических волн