Механо-физические свойства Земли

Механические свойства вещества Земли отличаются сложностью и в известной мере противоречивостью. Например, вещество верхней мантии Земли реагирует на внешние нагрузки достаточной длительности и масштабов почти как вязкая жидкость. Вместе с тем даже в слое низких скоростей достаточно хорошо распространяются все виды упругих волн.

В итоге, если на Землю воздействуют упругие колебания (напряжения) с периодом от долей секунд до суток и более, то Земля ведёт себя как идеально упругое тело, если же воздействие на Землю длится от тысяч лет до десятков тысячелетий, то Земля ведёт себя как вязкая жидкость.

Уравнение движения среды в случае воздействия на неё плоской продольной волны с произвольной формой колебания записывается так:

E (∂²U/ ∂x²) = ρ(∂²U/ (∂t²),

где Е – модуль Юнга; х – расстояние вдоль оси х; t – время; U – смещение частиц среды, ρ - плотность среды.

Теоретическое изучение упругих волн в средах, состоящих из изотропных идеально-упругих однородных пластов, обеспечивает приемлемую точность для большинства практических целей.

Для характеристики свойств таких сред используют пары упругих констант, имеющих наглядную физическую интерпретацию: скорости V_p и V_s, модуль Юнга и коэффициент Пуассона (E и σ), модуль всестороннего сжатия и модуль сдвига (K и G).

Модуль Юнга – коэффициент пропорциональности между напряжением и продольной деформацией однородного упругого стержня.

Коэффициент Пуассона – отношение поперечной деформации стержня к продольной.

Модуль всестороннего сжатия – коэффициент пропорциональности между давлением и относительным уменьшением объёма.

Модуль сдвига – коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и деформацией сдвига.

Если в материальной среде протекают колебательные процессы и если возникают потери энергии колебаний или энергия деформаций в плоской волне изменяется со временем, то среду называют неидеально-упругой или поглощающей.

Наиболее характерными явлениями неидеальной упругости являются процессы ползучести и релаксации напряжений.

Идеально пластическое тело обладает пределом текучести, по достижении которого тело течёт. Какова бы ни была скорость нагружения, оно начинает течь при достижении определённого касательного напряжения.

Процесс постепенного нарастания деформации U(t) во времени при постоянном напряжении τ_о(t) = Const, меньшем прочности на течение для данного материала, носит название ползучести.

Энергия сейсмической волны складывается из кинетической энергии, обусловленной движением частиц, и потенциальной, обусловленной деформациями. Движение энергии при распространении волны характеризуют плотностью потока энергии. →

Вектор плотности потока энергии Р_Е направлен в сторону движения волны, а по абсолютной величине равен отношению энергии dE, проходящей через перпендикулярный к лучу малый участок, к его площади ds и к длительности времени прохождения волны dt:

‌ P_E ‌ = dE / dt ds

Существуют четыре причины, ослабляющие амплитуду (энергию) сейсмического сигнала при его распространении в недрах Земли.