Сейсмология

Сейсмология – это наука, занимающаяся измерениями и анализом всех движений, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твёрдой Земли.

Основная задача сейсмологии состоит в изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн.

По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях. Землетрясения можно рассматривать как специфические колебательные движения земной коры, характеризующиеся небольшой длительностью периодов (от десятков минут для собственных колебаний Земли до долей секунд). Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).

Землетрясения классифицируют в соответствии с положением глубины очага. Выделяют поверхностные (0 –70 км), промежуточные (70 – 300 км) и глубокие (300-700 км) очаги. На поверхностные (неглубокие) землетрясения приходится выделение примерно 85% энергии, на промежуточные – 12% и на глубокие – 3%.

Магнитудой землетрясения называется его численная характеристика, определяемая по амплитудам сейсмических волн, возбуждаемых при этом землетрясении.

Сейсмические волны и их траектории в теле планеты. Годографы.

Вне очага землетрясения деформации носят преимущественно характер упругих и распространяются от него по законам распространения упругих волн. В данном случае эти волны носят название сейсмических. К ним применяются обычные понятия фронта и луча. Сейсмические волны – это, по существу, низкочастотные звуковые волны в твёрдой упругой Земле. Они делятся на объёмные и поверхностные. Объёмные волны бывают двух типов – продольные и поперечные. Продольные (primary) волны представляют упругие волны сжатия, а поперечные (secondary) волны – упругие волны сдвига.

Продольные и поперечные сейсмические волны, в отличие от поверхностных волн, распространяющихся вдоль земной поверхности, пронизывают весь объём (всё тело) нашей планеты. Поэтому они названы объёмными волнами.

Скорости объёмных волн выражаются через модули упругости (К – модуль сжатия, μ – модуль сдвига) и плотность ρ среды в данной точке простыми формулами:

- продольные волны

- поперечные волны

Скорость Р-иS–волн с глубиной в недрах Земли возрастает, что приводит к искривлению их пути. Таким образом, Земля выступает в роли преломляющей линзы для P и S– волн.

Движение в Р– волнах происходит в продольном направлении и поэтому они не могут быть поляризованы. Поперечные волны могут быть поляризованными. При падении S– волны на резкую границу возникают S- волны разной поляризации SH и SV.

Кроме объёмных волн P и S существуют два типа поверхностных волн, распространяющихся вблизи земной поверхности: волны Релея и Лява. Волна Релея – движение частиц происходит в вертикальной плоскости, лежащей в направлении распространения волны. Волна Лява – движение частиц в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

До 50-х годов прошлого века наибольшее число открытий в сейсмологии было сделано в результате измерений времён пробега объёмных волн землетрясений. Так например, в 1909 г. была установлена резкая сейсмическая граница между земной корой и мантией, называемая границей Мохоровичича. На этой границе скачкообразно возрастают скорости V_p, V_s и плотность ρ.

Сейсмическая граница на глубине 2898 км между мантией и ядром Земли была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом. Граница мантия-ядро является наиболее резкой границей раздела в недрах Земли. Она сильно отражает объёмные P и S волны и сильно преломляет Р-волны. На этой границе скорость Р-волн (V_p) скачком падает от значения 13.6 км/сек в мантии до значения 8.1 км/сек в ядре, скорости поперечных волн соответственно уменьшаются от 7.3 км/сек до нуля; плотность, наоборот, возрастает от 5.5 до 10 г/см³. Следовательно, если V_s = 0, то и μ = 0, а это значит, что земное ядро является жидким. Этот фундаментальный вывод сейсмологии подтверждается и всеми остальными геофизическими явлениями, имеющими отношение к земному ядру.

В сейсмологии для определения конкретных значений скоростей на определённых глубинах ℓ: V_p(ℓ) и V_s(ℓ) экспериментально определяют годограф – время пробега сейсмических волн t как функцию эпицентрального расстояния ∆ (расстояние в градусах или км по дуге большого круга между эпицентром и приёмником волн; для Земли 1º соответствует ~ 111 км). Ясно, что функция Т = Т (∆) должна быть связана с распределением скорости V(ℓ) с глубиной ℓ.