Сейсмология - Seismology

Анимация цунами вызванный Землетрясение 2004 года в Индийском океане
Часть серия на
Землетрясения
  • Портал наук о Земле

Сейсмология (/sаɪzˈмɒлədʒя/; из Древнегреческий σεισμός (сейсмостойкость), что означает «землетрясение» и -λογία (-logía) означает "изучение") является научным исследованием землетрясения и распространение упругие волны сквозь земной шар или через другие подобные планетам тела. Эта область также включает исследования последствия землетрясения для окружающей среды Такие как цунами а также разнообразные сейсмические источники такие как вулканические, тектонические, ледниковые, речные, океанические, атмосферные и искусственные процессы, такие как взрывы. Связанное поле, в котором используется геология выводить информацию о прошлых землетрясениях палеосейсмология. Запись движения Земли как функции времени называется сейсмограмма. Сейсмолог - это ученый, который занимается сейсмологическими исследованиями.

История

Интерес ученых к землетрясениям уходит корнями в глубокую древность. Ранние размышления о естественных причинах землетрясений были включены в сочинения Фалес Милета (ок. 585 г. до н. э.), Анаксимен Милетский (ок. 550 г. до н. э.), Аристотель (ок. 340 г. до н. э.), и Чжан Хэн (132 г. н.э.).

В 132 г. н.э. Чжан Хэн из Китая Династия Хан разработал первый известный сейсмоскоп.[1][2][3]

В 17 веке Афанасий Кирхер утверждал, что землетрясения были вызваны движением огня в системе каналов внутри Земли. Мартин Листер (С 1638 по 1712 год) и Николя Лемери (1645-1715) предположил, что землетрясения были вызваны химическими взрывами на земле.[4]

В Лиссабонское землетрясение 1755 г., совпадающий с общим расцветом науки в Европе, привел в движение активизировавшиеся научные попытки понять поведение и причины землетрясений. Самые ранние ответы включают работы автора Джон Бевис (1757) и Джон Мичелл (1761 г.). Мичелл определил, что землетрясения возникают внутри Земли и представляют собой волны движения, вызванные «перемещением массивов горных пород на многие мили под поверхностью».[5]

С 1857 г. Роберт Маллет заложил основы инструментальной сейсмологии и провел сейсмологические эксперименты с использованием взрывчатых веществ. Он также несет ответственность за создание слова «сейсмология».[6]

В 1897 г. Эмиль Вихерт теоретические расчеты привели его к выводу, что Земля внутри состоит из силикатной мантии, окружающей железное ядро.[7]

В 1906 г. Ричард Диксон Олдхэм выявил отдельный приход Зубцы P, S-волны и поверхностные волны на сейсмограммах и нашли первое явное свидетельство того, что Земля имеет центральное ядро.[8]

В 1910 г. после изучения апрельского Землетрясение 1906 года в Сан-Франциско, Гарри Филдинг Рид выдвинул "теория упругого отскока ", которая остается основой современных тектонических исследований. Развитие этой теории зависело от значительного прогресса ранее независимых потоков работ по поведению упругих материалов и в математике.[9]

В 1926 г. Гарольд Джеффрис был первым, кто на основе своего исследования волн землетрясений заявил, что ядро ​​Земли под мантией жидкое.[10]

В 1937 г. Инге Леманн определил, что в жидкости Земли внешнее ядро есть твердый Внутреннее ядро.[11]

К 1960-м годам наука о Земле достигла точки, когда всеобъемлющая теория причинных явлений сейсмических событий и геодезических движений объединилась в уже устоявшуюся теорию тектоника плит.

Типы сейсмических волн

Основная статья: Сейсмическая волна
Три линии с частыми вертикальными экскурсиями.
Записи сейсмограммы, показывающие три компонента движения грунта. Красная линия отмечает первое появление P-волн; зеленая линия - более позднее появление S-волн.

Сейсмические волны упругие волны которые распространяются в твердых или жидких материалах. Их можно разделить на объемные волны которые проходят сквозь материалы; поверхностные волны которые перемещаются по поверхностям или границам раздела между материалами; и нормальные режимы, форма стоячей волны.

Объемные волны

Есть два типа объемных волн, волны давления или первичные волны (P-волны) и срезать или вторичные волны (S-волны ). Зубцы P продольные волны которые включают сжатие и расширение в направлении движения волны, и всегда являются первыми волнами, которые появляются на сейсмограмме, поскольку они являются наиболее быстро движущимися волнами через твердые тела. S-волны находятся поперечные волны которые движутся перпендикулярно направлению распространения. Зубцы S медленнее, чем зубцы P. Следовательно, они появляются позже P-волн на сейсмограмме. Жидкости не могут поддерживать поперечные упругие волны из-за их низкой прочности на сдвиг, поэтому поперечные волны распространяются только в твердых телах.[12]

Поверхностные волны

Поверхностные волны - это результат взаимодействия продольных и поперечных волн с поверхностью Земли. Эти волны диспергирующий, что означает, что разные частоты имеют разные скорости. Два основных типа поверхностных волн: Волны Рэлея, которые имеют как сжимающие, так и сдвиговые движения, и Волны любви, которые являются чисто сдвиговыми. Волны Рэлея возникают в результате взаимодействия P-волн и вертикально поляризованных S-волн с поверхностью и могут существовать в любой твердой среде. Волны Лява образуются горизонтально поляризованными S-волнами, взаимодействующими с поверхностью, и могут существовать только при изменении упругих свойств твердой среды с глубиной, что всегда имеет место в сейсмологических приложениях. Поверхностные волны распространяются медленнее, чем P-волны и S-волны, потому что они являются результатом того, что эти волны движутся по непрямым путям для взаимодействия с поверхностью Земли. Поскольку они перемещаются по поверхности Земли, их энергия спадает медленнее, чем объемные волны (1 / расстояние2 по сравнению с 1 / расстояние3), и, таким образом, сотрясения, вызванные поверхностными волнами, обычно сильнее, чем колебания объемных волн, и поэтому первичные поверхностные волны часто являются наиболее сильными сигналами на сейсмограммах землетрясений. Поверхностные волны сильно возбуждаются, когда их источник находится близко к поверхности, как при неглубоком землетрясении или приповерхностном взрыве, и намного слабее для источников глубоких землетрясений.[12]

Нормальные режимы

Смотрите также: Свободные колебания Земли

И телесные, и поверхностные волны являются бегущими волнами; однако сильные землетрясения также могут заставить всю Землю «звенеть», как звонкий колокол. Этот звон - смесь нормальные режимы с дискретными частотами и периодами примерно час или меньше. Движение в нормальном режиме, вызванное очень сильным землетрясением, можно наблюдать в течение месяца после события.[12] Первые наблюдения нормальных мод были сделаны в 1960-х годах, когда появление более точных инструментов совпало с двумя крупнейшими землетрясениями 20-го века - землетрясением. 1960 г., землетрясение в Вальдивии и Землетрясение 1964 года на Аляске. С тех пор нормальные моды Земли дали нам одни из самых сильных ограничений на глубинную структуру Земли.

Землетрясения

Основные статьи: Землетрясение и Списки землетрясений

Одна из первых попыток научного изучения землетрясений последовала за Лиссабонским землетрясением 1755 года. Другие заметные землетрясения, которые стимулировали значительные успехи в сейсмологии, включают Землетрясение в Базиликате 1857 г., землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско, землетрясение 1964 г. на Аляске, землетрясение 2004 г. Суматра-Андаманское землетрясение, и 2011 Великое землетрясение в восточной Японии.

Контролируемые сейсмические источники

Смотрите также: Отражательная сейсмология

Сейсмические волны, создаваемые взрывы или вибрирующие контролируемые источники являются одним из основных методов подземные исследования в геофизике (помимо множества разных электромагнитный такие методы как наведенная поляризация и магнитотеллурика ). Сейсмология с контролируемым источником использовалась для картирования соляные купола, антиклинали и другие геологические ловушки в нефть -несущий горные породы, недостатки, типы горных пород и давно погребенный гигант метеор кратеры. Например, Кратер Чиксулуб, который был вызван ударом, причастен к исчезновению из динозавры, был локализован в Центральной Америке путем анализа выбросов в Граница мела и палеогена, а затем физически доказали свое существование с помощью сейсмических карт из разведка нефти.[13]

Обнаружение сейсмических волн

Установка для временной сейсмической станции на севере Исландии.

Сейсмометры датчики, которые обнаруживают и регистрируют движение Земли, возникающее из-за упругих волн. Сейсмометры могут быть развернуты на поверхности Земли, в неглубоких сводах, в скважинах или подводный. Полный пакет инструментов, регистрирующий сейсмические сигналы, называется сейсмограф. Сети сейсмографов непрерывно регистрируют движения земли по всему миру, чтобы облегчить мониторинг и анализ глобальных землетрясений и других источников сейсмической активности. Быстрое местонахождение землетрясений делает цунами предупреждения возможны, потому что сейсмические волны распространяются значительно быстрее, чем волны цунами. Сейсмометры также регистрируют сигналы от источников, не связанных с землетрясениями, от взрывов (ядерных и химических) до местного шума ветра.[14] или антропогенной деятельности, к непрерывным сигналам, генерируемым на дне океана и побережьях, вызванным океанскими волнами (глобальные микросейсм ), к криосферный события, связанные с большими айсбергами и ледниками. Удары метеорита над океаном с энергией до 4,2 × 1013 J (эквивалентно выбросу в результате взрыва в десять килотонн в тротиловом эквиваленте) были зарегистрированы сейсмографами, как и ряд промышленных аварий, террористических бомб и других событий (область исследований, именуемая судебная сейсмология ). Основной долгосрочной мотивацией для глобального сейсмографического мониторинга было обнаружение и изучение ядерные испытания.

Картирование недр Земли

Основная статья: Земля внутри
Схема с концентрическими оболочками и изогнутыми траекториями
Сейсмические скорости и границы внутри земной шар опробованы сейсмическими волнами

Поскольку сейсмические волны обычно эффективно распространяются, поскольку они взаимодействуют с внутренней структурой Земли, они обеспечивают неинвазивные методы с высоким разрешением для изучения недр планеты. Одним из самых ранних важных открытий (предложенных Ричардом Диксоном Олдхэмом в 1906 году и окончательно продемонстрированных Гарольдом Джеффрисом в 1926 году) было то, что внешнее ядро земли жидкий. Поскольку S-волны не проходят через жидкости, жидкое ядро ​​вызывает «тень» на стороне планеты, противоположной землетрясению, где прямые S-волны не наблюдаются. Кроме того, P-волны проходят через внешнее ядро ​​намного медленнее, чем через мантию.

Обработка показаний многих сейсмометров с использованием сейсмическая томография сейсмологи нанесли на карту мантию Земли с разрешением в несколько сотен километров. Это позволило ученым определить конвекционные ячейки и другие крупномасштабные функции, такие как большие провинции с низкой скоростью сдвига недалеко от граница ядро ​​– мантия.[15]

Сейсмология и общество

Прогноз землетрясения

Основная статья: Прогноз землетрясения

Прогнозирование вероятного времени, местоположения, магнитуды и других важных характеристик предстоящего сейсмического события называется прогноз землетрясения. Сейсмологами и другими специалистами были предприняты различные попытки создать эффективные системы для точного предсказания землетрясений, включая VAN метод. Большинство сейсмологов не считают, что система своевременного предупреждения об отдельных землетрясениях еще не разработана, и многие полагают, что такая система вряд ли сможет давать полезные предупреждения о надвигающихся сейсмических событиях. Однако более общие прогнозы обычно предсказывают сейсмическая опасность. Такие прогнозы оценивают вероятность землетрясения определенного размера, влияющего на конкретное место в течение определенного периода времени, и они обычно используются в сейсмическая инженерия.

Общественная полемика вокруг прогноза землетрясения разгорелась после того, как власти Италии обвиненный шесть сейсмологов и один государственный служащий для непредумышленное убийство в связи с землетрясение магнитудой 6,3 в Л'Акуила, Италия, 5 апреля 2009 г.. Обвинение было широко воспринято[кем? ] как обвинение в неспособности предсказать землетрясение и вызвало осуждение со стороны Американская ассоциация развития науки и Американский геофизический союз. В обвинительном заключении утверждается, что на специальном заседании в Аквиле за неделю до землетрясения ученые и официальные лица были больше заинтересованы в умиротворении населения, чем в предоставлении адекватной информации о риске землетрясения и готовности к нему.[16]

Инженерная сейсмология

Инженерная сейсмология - это изучение и применение сейсмологии в инженерных целях.[17] Обычно он применяется к области сейсмологии, которая занимается оценкой сейсмической опасности площадки или региона для целей сейсмологической инженерии. Следовательно, это связь между науки о Земле и гражданское строительство.[18] Инженерная сейсмология состоит из двух основных компонентов. Во-первых, изучение истории землетрясений (например, исторической[18] и инструментальные каталоги[19] сейсмичности) и тектоника[20] для оценки землетрясений, которые могут произойти в регионе, их характеристик и частоты возникновения. Во-вторых, изучение сильных колебаний грунта, вызванных землетрясениями, для оценки ожидаемых сотрясений от будущих землетрясений с аналогичными характеристиками. Эти сильные колебания грунта могут быть либо наблюдениями с акселерометры или сейсмометры, или моделируемые компьютерами с использованием различных методов[21], которые затем часто используются для разработки уравнений прогнозирования движения грунта.[22] (или модели движения грунта)[1].

Инструменты

Сейсмологические инструменты могут генерировать большие объемы данных. Системы обработки таких данных включают:

Известные сейсмологи

Смотрите также: Категория: Сейсмологи

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Нидхэм, Джозеф (1959). Наука и цивилизация в Китае, Том 3: Математика и науки о небесах и Земле. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 626–635. Bibcode:1959scc3.book ..... N.
  2. ^ Дьюи, Джеймс; Байерли, Перри (февраль 1969). «Ранняя история сейсмометрии (до 1900 г.)». Бюллетень сейсмологического общества Америки. 59 (1): 183–227.
  3. ^ Агнью, Дункан Карр (2002). «История сейсмологии». Международный справочник землетрясений и инженерной сейсмологии. Международная геофизика. 81A: 3–11. Дои:10.1016 / S0074-6142 (02) 80203-0. ISBN  9780124406520.
  4. ^ Удиас, Агустин; Арройо, Альфонсо Лопес (2008). «Лиссабонское землетрясение 1755 года у современных испанских авторов». В Mendes-Victor, Luiz A .; Оливейра, Карлос Соуза; Азеведу, Жуан; Рибейро, Антонио (ред.). Лиссабонское землетрясение 1755 года: новый взгляд. Springer. п. 14. ISBN  9781402086090.
  5. ^ Член Королевской академии Берлина (2012). История и философия землетрясений в сопровождении «догадок Джона Мичелла о причине и наблюдений над явлениями землетрясений». Cambridge Univ Pr. ISBN  9781108059909.
  6. ^ Общество, Королевский (2005-01-22). «Роберт Маллет и« Великое неаполитанское землетрясение »1857 года». Примечания и записи. 59 (1): 45–64. Дои:10.1098 / рснр.2004.0076. ISSN  0035-9149. S2CID  71003016.
  7. ^ Баркхаузен, Удо; Рудлофф, Александр (14 февраля 2012 г.). «Землетрясение на марке: чествовал Эмиль Вихерт». Eos, Transactions American Geophysical Union. 93 (7): 67. Bibcode:2012EOSTr..93 ... 67B. Дои:10.1029 / 2012eo070002.
  8. ^ «Олдхэм, Ричард Диксон». Полный словарь научной биографии. 10. Сыновья Чарльза Скрибнера. 2008. с. 203.
  9. ^ "Теория упругого отскока Рейда". 1906 Землетрясение. Геологическая служба США. Получено 6 апреля 2018.
  10. ^ Джеффрис, Гарольд (1926-06-01). «Об амплитудах телесных сейсмических волн». Международный геофизический журнал. 1: 334–348. Bibcode:1926GeoJ .... 1..334J. Дои:10.1111 / j.1365-246X.1926.tb05381.x. ISSN  1365–246X.
  11. ^ Хьортенберг, Эрик (декабрь 2009 г.). «Рабочие материалы Инге Леманн и сейсмологический эпистолярный архив». Летопись геофизики. 52 (6). Дои:10.4401 / ag-4625.
  12. ^ а б c Габбинс 1990
  13. ^ Schulte et al. 2010 г.
  14. ^ Надерян, Вахид; Хики, Крейг Дж .; Распет, Ричард (2016). «Ветровое колебание грунта». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 121 (2): 917–930. Bibcode:2016JGRB..121..917N. Дои:10.1002 / 2015JB012478.
  15. ^ Вен и Хелмбергер 1998
  16. ^ Зал 2011
  17. ^ Плимер, Ричард С. Селли L. Робин М. Коксиан Р., изд. (2005-01-01). «Редакторы». Энциклопедия геологии. Оксфорд: Эльзевир. С. 499–515. Дои:10.1016 / b0-12-369396-9 / 90020-0. ISBN  978-0-12-369396-9.
  18. ^ а б Амбрасейс, Н. Н. (1988-12-01). «Инженерная сейсмология: Часть I». Землетрясение и структурная динамика. 17 (1): 1–50. Дои:10.1002 / eqe.4290170101. ISSN  1096-9845.
  19. ^ Вимер, Стефан (01.05.2001). «Программный комплекс для анализа сейсмичности: ZMAP». Письма о сейсмологических исследованиях. 72 (3): 373–382. Дои:10.1785 / gssrl.72.3.373. ISSN  0895-0695.
  20. ^ Птица, Питер; Лю, Чжэнь (01.01.2007). «Сейсмическая опасность, полученная с помощью тектонических исследований: Калифорния». Письма о сейсмологических исследованиях. 78 (1): 37–48. Дои:10.1785 / gssrl.78.1.37. ISSN  0895-0695.
  21. ^ Дуглас, Джон; Аочи, Хидео (2008-10-10). «Обзор методов прогнозирования движения грунта при землетрясениях для инженерных целей» (PDF). Исследования по геофизике. 29 (3): 187–220. Bibcode:2008SGeo ... 29..187D. Дои:10.1007 / s10712-008-9046-у. ISSN  0169-3298. S2CID  53066367.
  22. ^ Дуглас, Джон; Эдвардс, Бенджамин (01.09.2016). «Недавние и будущие разработки в оценке движения грунта при землетрясениях» (PDF). Обзоры наук о Земле. 160: 203–219. Bibcode:2016ESRv..160..203D. Дои:10.1016 / j.earscirev.2016.07.005.
  23. ^ Ли, В. Х. К .; С. В. Стюарт (1989). «Крупномасштабная обработка и анализ данных о цифровых сигналах, поступающих из сети Microearthquake Центральной Калифорнии Геологической службы США». Обсерватория сейсмологии: юбилейный симпозиум по случаю столетия Калифорнийского университета на сейсмографических станциях Беркли. Калифорнийский университет Press. п. 86. ISBN  9780520065826. Получено 2011-10-12. Система CUSP (Caltech-USGS Seismic Processing) состоит из программ сбора данных о землетрясениях в режиме реального времени в режиме реального времени, а также автономного набора процессов обработки данных, синхронизации и архивирования. Это полная система для обработки данных о местных землетрясениях ...
  24. ^ Аккар, Синан; Полат, Гюлькан; ван Экк, Торильд, ред. (2010). Данные о землетрясениях в инженерной сейсмологии: прогнозные модели, управление данными и сети. Геотехническая, геологическая и сейсмологическая инженерия. 14. Springer. п. 194. ISBN  978-94-007-0151-9. Получено 2011-10-19.

Рекомендации

внешняя ссылка