Воздействие сейсмических волн. Землетрясения

15.08.2016

Вблизи поверхности Земли выделяются такие колебания грунта, которые проявляются только в верхних поверхностных слоях и быстро затухают в нижних глубоких слоях. Эти колебания, как уже отметили, называются поверхностными волнами. Рассмотрим частный случай распространения сейсмических волн в двухсредном пространстве, когда одна из сред поверхность Земли, а вторая атмосфера Земли (рис. 1.40). Так как плотность воздуха значительно меньше по сравнению с плотностью коры Земли, то ее можно считать равной нулю. Поэтому на линии z=0 не возникнут напряжения, т.е.

при z = 0 τzz = 0, τxz = 0 и τyz = 0

В этом случае все преломленные волны будут равны нулю. От падающей продольной P волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны. Аналогично от падающей SV волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны, а от падающей SH волны - только поперечную S0 волну.

На основании уравнений (1.78)-(1.84) соответственно будем иметь:
1. В случае падающей продольной волны P

которое подтверждает тот известный факт, что от падающей под прямым углом вертикальной продольной волны поперечные волны не отражаются, а амплитуды отраженной продольной волны равняются амплитуде падающей волны с обратным знаком. Иными словами, сжатие (разряжение) меняется на разряжение (сжатие).
2. В случае падающей поперечной волны SV

т.е. при вертикальном падении поперечной волны SV продольные волны не возникают, а амплитуды поперечных колебаний частиц поверхности Земли удваиваются.
3. В случае падающей поперечной волны SH со смещением вдоль оси у все упрощается:

Независимо от угла падения β, амплитуды колебаний на поверхности Земли удваиваются.
Волны Релея. Из предыдущих изложений вытекает, что распространение возмущений в изотропной однородной среде представляет собой суперпозицию двух волн со скоростями vp и vs. Если начальное возмущение ограничено в конечной области внутри тела, величины vp и vs являются единственно возможными скоростями распространения волн в бесконечной среде. Когда существуют свободные границы, возможны и другие скорости распространения. При этом появляются так называемые «поверхностные волны», по которым движение частиц происходит лишь в верхнем тонком слое Земли.

В конце XIX века известный физик Релей обнаружил специальные волны, распространяющиеся на поверхности полупространства (по поверхности Земли). Источниками этих волн являются объемные сейсмические волны P и SV, выходящие на поверхность Земли и отраженные от нее. Boлны Релея - это результат суперпозиции падающих и отраженных от поверхности Земли волн P и SV, распространяющихся с единой скоростью vL. Так как перемещения точек среды по волнам P и SV имеют взаимоперпендикулярные направления и по глубине Земли уменьшаются по экспоненту, то при распространении их суммы с единой скоростью vL траектория движения частиц должна быть эллиптической (рис. 1.41). Таким образом, задача сводится к выбору таких колебательных характеристик, уменьшающихся по глубине волн P и SV, чтобы их скорости по линии z=0 (на поверхности Земли) были одинаковыми.
Такая постановка задачи связана с рядом математических операций и физических предпосылок, на которых мы не останавливаемся. Заинтерисованным читателям рекомендуем обратиться к работе Е.Ф. Саваренского. В итоге компоненты горизонтальной и вертикальной волны Рэлея представляется в виде:

где ω - частота колебания, vL - скорость распространения волн Релея, А и В - некоторые постоянные, а через r и s обозначены:

Отметим только, принимая vp = √3vs, получается, что скорость распространения ноли Рэлея

а отношение вертикальных и горизонтальных полуосей эллиптической траектории движения частиц на поверхности Земли равно 1,46. Как видно из рис. 1.41, амплитуда с глубиной уменьшаются, причем это снижение особенно значительно по мере увеличения частоты колебания частиц. Это означает, что на скальных грунтах поверхностные волны Релея будут проникать на меньшую глубину Земли, чем на рыхлых грунтах. При этом скорость движения vL не зависит от частот колебания частиц ω. Отметим также, что поверхностные волны Рэлея при встрече с отдельными неровностями (горы, впадины) могут в свою очередь порождать поперечные и продольные объемные сейсмические волны.
Сам Рэлей заметил, что эти волны должны играть важную роль при землетрясениях, так как, распространяясь только в двух направлениях, они должны с удалением от источника приобретать все большее значение, чем обычные волны P и S. Иными словами, волны Релея с расстоянием меньше затухают и проходят большое расстояние. Записи сейсмограмм землетрясений подтвердили предположения Релея.
Краткие исторические сведения о сейсмических волнах . В заключение отметим, что теория возникновения и распространения сейсмических волн имеет длительную историю. Она прежде всего связана с развитием общей теорией упругости. После открытия закона Гука, вывода общего уравнения равновесия и колебаний Навье, экспериментов Френеля (показывающих, что свет состоит из поперечно-поляризованных волн), исследований Коши (о шести независимых компонентах напряжений и деформаций) Пуассон обнаружил два типа волн, которые мы знаем теперь как P и S волны, и на основе принятой им частной модели установил, что скорость P волн в раз больше скорости S-волн. До этих исследований считалось, что в безграничной сплошной среде могут распространяться только продольные волны. В 1906 году уже было хорошо известно о существовании волн сжатия и сдвига в твердом теле. Первая теоретическая сейсмограмма, рассчитанная Лэмбом в 1904 году от точечного импульсного источника, показала, что она состоит из трех последовательных импульсов, соответствующих Р, S и релеевской волнам и значительно проще зарегистрированных реальных сейсмограмм, которые имеют гораздо большую продолжительность. Как отмечено выше, амплитуды волн Рэлея с расстоянием уменьшаются медленнее. Они обладают свойством дисперсии, когда полны с разными частотами распространяются о разной скоростью. И по, по мнению ряда сейсмологов, является одной из причин длительности колебаний на сейсмограммах. Джеффрис (1931 г.) считал причину длительных колебаний на поверхности Земли в том, что они вызваны отраженниями первоначального импульса внутри приповерхностных слоев. Другими словами, в основе этого явления лежат рассеяния воли на неоднородностях среды на пути к поверхности Земли. В 1960 году благодаря исследованиям Х. Беньоффа, М. Юинга, Ф. Пресса и другими были получены качественные записи длиннопериодных сейсмических волн, которые показали, что для таких волн приповерхностные мелкомасштабные неоднородности не играют существенной роли и Земля ведет себя как эквивалентное однородное тело, т.е. к таким волнам приемлема простая модель Лемба.
Из краткого анализа следует, что свойство источника возбуждения сейсмических волн и физико-механические и геометрические характеристики среды их распространения оказывают существенное влияние на формирования реальных сейсмограмм, зарегистрируемых сейсмографами на поверхности Земли во время землетрясений.

Горные породы Земли обладают упругими свойствами, и это заставляет их деформироваться и вибрировать под действием приложенных сил сжатия и растяжения. Исходя из этого существует, только три типа сейсмических волн. Из них только два типа распространяются внутри объема горных пород. Более быстрые из этих объемных волн называются первичными (Р) или продольными волнами. катастрофа лед сейсмический волна

Волны первого типа называются продольными (либо волнами сжатия или растяжения) или P -волнами (ppima ) - при землетрясениях и взрывах они приходят первыми. Волны второго типа, приходящие позже, называются поперечны ми или S -волнами (sekonda ). P -волна распространяется со скоростью

V p=v(л+2м)/с ,

а S-волна - со скоростью

Vs=vм/с ,

где л и µ - упругие постоянные среды, а p - ее плотность. Максимальная скорость поперечной волны в твердой среде

V s = 0,7V p ,

а в жидкостях и газах S -волна не распространяется вообще.

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. 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. 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.

Фактическая скорость продольных и поперечных сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород и грунтов, через которые эти волны проходят. В большинстве случаев при землетрясениях продольные волны ощущаются первыми. Их действие похоже на удар воздушной волны, которая создает грохот и треск стекол в окнах. Спустя несколько секунд приходят поперечные волны, которые раскачивают все на своем пути вверх-вниз и из стороны в сторону и смещают поверхность грунта, как по вертикали, так и по горизонтали. Именно эти колебания и приводят к наибольшему повреждению построек.

Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые. Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами - от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн - немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы - менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см - для поверхностных волн.

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. 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 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. 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. 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 про ходят 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 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. Кроме того, какая бы волна ни испытывала отражения или преломления, часть энергии волн одного типа идет на образование волн другого типа. 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). Из сказанного становится понятно, почему на суше после первых толчков при сильных колебаниях грунта обычно ощущают 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 при поверхностное 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. И последнее, что стоит сказать здесь по поводу сейсмических волн. Имеются убедительные доказательства - как наблюдавшиеся на практике, так и теоретические, - что на сейсмические волны действуют и грунтовые условия, и рельеф местности.

Отражение и преломление. Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды, часть энергии волн отражается.

Пути сейсмических волн. Продольные и поперечные волны распространяются в толще Земли, при этом непрерывно увеличивается объем среды, вовлекаемой в колебательный процесс. Поверхность, соответствующая максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее. Сейсмические станции, находящиеся вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли - РР и SS (или РR1 и SR1), а иногда - отраженные дважды - РРР и SSS (или РR2 и SR2). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, - как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения.

На глубине 2900 км скорость P-волн резко снижается от >13 км/с до ~8 км/с; а S-волны не распространяются ниже этого уровня, соответствующего границе земного ядра и мантии. Оба типа волн частично отражаются от этой поверхности, и некоторое количество их энергии возвращается к поверхности в виде волн, обозначаемых как РсР и SсS. Р-волны проходят сквозь ядро, но их траектория при этом резко отклоняется и на поверхности Земли возникает теневая зона, в пределах которой регистрируются только очень слабые Р-волны. Эта зона начинается на расстоянии ок. 11 тыс. км от сейсмического источника, а уже на расстоянии 16 тыс. км Р-волны снова появляются, причем их амплитуда значительно возрастает из-за фокусирующего влияния ядра, где скорости волн низкие. Р-волны, прошедшие сквозь земное ядро, обозначаются РКР или Рў. На сейсмограммах хорошо выделяются также волны, которые по пути от источника к ядру идут как волны S, затем проходят сквозь ядро как волны Р, а при выходе волны снова преобразуются в тип S. В самом центре Земли, на глубине более 5100 км, существует внутреннее ядро, находящееся предположительно в твердом состоянии, но природа его пока не вполне ясна. Волны, проникающие сквозь это внутреннее ядро, обозначаются как РКIКР или SКIКS.

Руководитель: _______________ ___________________ /________________/

(должность) (подпись) (Ф.И.О.)

Санкт-Петербург

Введение. 3

1. Сейсмические волны и их измерения. 5

2. Шкала магнитуд. Шкала Рихтера. 6

3. Шкала интенсивности. 6

4. Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64) 7

5. Процессы, происходящие при сильных землетрясениях. 7

6. Другие виды землетрясений. 8

7. Измерительные приборы.. 9

8. Наиболее разрушительные землетрясения. 9

Приложения. 18

Введение

Землетрясение - это внезапное высвобождение энергии, накопленной в сжатых или растянутых горных породах. Оно проявляется в подземных толчках и колебаниях земной поверхности. Немногие из грозных явлений природы могут сравниваться по разрушительной силе и опасности с землетрясениями. Их летопись насчитывает миллионы жертв, сотни погибших городов. Каждый человек, живущий на Земле, привык считать земную твердь чем-то прочным и надежным. Когда же она начинает сотрясаться, взрываться, оседать, ускользать из-под ног, человека охватывает ужас. Глагол "трястись" абсолютно точно описывает происходящее с земной поверхностью во время землетрясения: она вздымается, колеблется, вибрирует и даже раскалывается. Эти движения продолжаются несколько секунд, самое большее несколько минут, но, тем не менее, они могут повлечь за собой катастрофические последствия. Частота колебаний некоторых сейсмических волн бывает такой, что они становятся слышны человеку, животные же могут воспринимать звук в значительно более широком диапазоне. В различных описаниях звуки, сопровождающие землетрясение, сравниваются с сильным ветром, шумом скорого поезда, отдаленным орудийным раскатам. Рассказы некоторых очевидцев свидетельствуют, что во время землетрясения бывают вспышки света.

Иногда этот яркий свет можно объяснить молниями или замыканиями электроприборов. Но не исключена возможность, что некоторые из этих вспышек

связаны с неизвестными явлениями при движениях земной коры. Вот как очевидец

описывает землетрясение:

"Земля вздрогнула; ее первая судорога длилась почти 10 секунд: треск и скрип оконных рам, звон стекол, грохот падающих лестниц разбудили спящих. Как бумажный разрывался потолок. в темноте все, казалось, падало. Земля глухо гудела. Вздрогнув и пошатываясь, здания наклонялись, по их белым стенам, как молнии, змеились трещины, и стены рассыпались, заваливая улицы и людей среди них тяжелыми грудами острых кусков камня."

Землетрясения представляют собой движения земной поверхности, вызванные

воздействием сейсмических волн (по-гречески "сейсмос" - землетрясение).

Сейсмические волны обычно ощущаются как сильные, интенсивные движения

поверхности. Иногда наблюдаются земные волны в буквальном смысле слова: волны

движутся по земле как по озеру. Они особенно опасны. Они раскалывают

строения, встряхивая их так, что рушатся даже прочные стены. В городских

районах здания вибрируют настолько сильно, что распадаются на части. При этом

часто возникают пожары, так как разрушаются газовые магистрали и происходят

замыкания в электрических цепях.

Если и водопроводная сеть оказывается поврежденной, город сможет сгореть, и

предотвратить это почти невозможно. Бывали случаи, когда от подземных толчков

люди подлетали так высоко, что, падая, разбивались насмерть. К счастью, такие

мощные удары волн случаются редко. Для людей и строений опасны не только сами

по себе колебания земли. Для землетрясений характерно множество сопутствующих

явлений, которые увеличивают число жертв, - это гигантское цунами, крупные

обвалы и снежные лавины, грязевые потоки - сели, оползни. Наиболее широко

известным фактором является возникновение в земле трещин, которые, согласно

некоторым описаниям, поглощали людей, животных, дома и даже целые деревни. Во

время землетрясений, также бывают резкие опускания больших участков, которые

могут сопровождаться мгновенным затоплением. Одним из наиболее разрушительных

последствий землетрясения являются оползни, сели, снежные лавины. В

прибрежных районах к одним из самых страшных явлений, сопутствующих

землетрясениям, относятся цунами. Многие люди впервые задумались над могучим

явлением природы, ученые начали изучать землетрясения.

Что же является причиной землетрясения?

Причиной землетрясения является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.

Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы: «нормальные» - 33 - 70 км, «промежуточные» - до 300 км, «глубокофокусные» - свыше 300 км. К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.

Сейсмические волны и их измерения

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли - землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагомили гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом - эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

· Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

· Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Термин «сейсмология» означает изучение землетрясений, но он же означает и изучение внутренних областей Земли с помощью сейсмических волн, которые могут распространяться прямо через тело планеты. Значительная часть полученных сведений определяется тем, сколько времени затрачивают волны, проходя различные расстояния.

Сейсмические волны могут возникнуть при любом возмущении грунта

Сейсмические волны могут возникнуть при любом возмущении грунта, но только землетрясения и ядерные взрывы представляют собой достаточно крупные источники, или очаги, таких волн, чтобы эти волны можно было уловить на противоположной стороне Земли. Возникающие волны относятся, как показано, к четырем типам. Их можно разделить на объемные и поверхностные: объемные волны проходят внутри Земли, а поверхностные волны-только близ поверхности.

В свою очередь объемные волны делятся на два вида. Продольные волны, или Р-волны9-это просто звуковые волны, распространяющиеся внутри Земли; частицы вещества, через которое проходят эти волны, колеблются взад и вперед в направлении движения волны. При прохождении поперечных волн, или S-волн, частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Волна-это распространение некоторой деформации в том или ином веществе

Волна-это распространение некоторой деформации в том или ином веществе. Если в каком-либо небольшом объеме упругой среды каким-то образом происходит изменение формы или объема, т.е. если происходит деформация вещества, заключенного в этом объеме, то развивается напряжение, которое стремится вернуть вещество к невозмущенному состоянию. Отношение величины этого напряжения к величине деформации называется модулем упругости материала. Скорость распространения упругой волны возрастает с повышением этого модуля, но убывает с увеличением плотности материала.

Материал можно деформировать по-разному, поэтому любое вещество характеризуется более чем одним модулем упругости и более чем одной скоростью распространения волн. Выражения для скоростей двух сейсмических объемных волн имеют следующий вид:
.Четыре типа сейсмических волн:

1. а-продольная волна. Частицы колеблются вдоль направления распространения волн;
2. б-поперечная волна. Частицы движутся в перпендикулярном направлении;
3. в-волна Рэлея. Колебания частиц имеют более сложный характер, но у поверхности каждая частица описывает эллипс с обратным движением в его верхней части;
4. г-волна Лява. Движение частиц — поперечное и горизонтальное. Как в волнах Рэлея, так и в волнах Лява движение частиц затухает с увеличением глубины от поверхности.

необходимого, чтобы сжать материал до меньшего объема; ц-модуль упругости второго рода, или модуль сдвига, определяющий величину напряжения, необходимого, чтобы изменить форму тела, состоящего из данного материала. Анализ показывает, что продольные волны и сжимают вещество, и изменяют его форму, и поэтомуVpзависит от К и от \i. С другой стороны, поперечные волны только изменяют форму вещества.
Анализ формул показывает, что Vp всегда больше, чем Vs, поэтому Р-волны какого-либо землетрясения всегда приходят к сейсмографам регистрирующей сейсмической станции раньше, чем S-волны. Еще до того, как стала известна природа этих волн, их приход называли первичной (primary) и вторичной (secondary) волной (отсюда и обозначения: Р- и S-волны). Однако их можно считать волнами сжатия (pressure) и волнами сдвига (shear). Второй вывод из анализа формул состоит в том, что поперечные волны не могут распространяться в таком веществе (например, в жидкости), которое не может сопротивляться изменению формы и, следовательно, не обладает жесткостью (т. е. ц = 0). Этот вывод имеет важное значение, так как мы используем его для доказательства, что часть земного ядра находится в жидком состоянии.

Другие два типа волн называются поверхностными волнами

Другие два типа волн, показанные, называются поверхностными волнами, так как они могут возникнуть только тогда, когда имеется какая-то поверхность; обычно это поверхность Земли. При удалении от поверхности амплитуда таких волн резко уменьшается. По этой причине, а также потому, что они распространяются медленнее, чем Р- и 3-волны, поверхностные волны играли небольшую роль на ранней стадии развития сейсмологии. .

Сейсмические волны - волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация или удар. Сейсмические волны изучаются в сейсмологии и разведочной геофизике . Для записи колебаний, вызываемых сейсмическими волнами, применяются автономные сейсморегистраторы или приёмники , подключённые к сейсмостанциям. 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. В сейсмологии изучение сейсмических волн представляет самостоятельный фундаментальный интерес, а в сейсморазведке волны от искусственных источников направляются на интересующие геологические границы для их прослеживания.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Сейсмические волны

What Is Earthquake | Seismic Waves | P and S Waves

Love Wave (seismic)

Субтитры

В этом видео я хочу немного обсудить сейсмические волны. Запишем тему. Во-первых, они очень интересны сами по себе и, во-вторых, очень важны для понимания строения Земли. Вы уже видели мое видео о слоях Земли, и именно благодаря сейсмическим волнам мы сделали вывод, из каких слоев состоит наша планета. И, хотя обычно сейсмические волны ассоциируются с землетрясениями, на самом деле это любые волны, путешествующие по земле. Они могут возникнуть от землетрясения, сильного взрыва, чего угодно, что способно послать много энергии прямо в землю и камень. Итак, существуют два основных типа сейсмических волн. И мы больше сосредоточимся на одном из них. Первый - поверхностные волны. Запишем. Второй - объемные волны. Поверхностные волны - это просто волны, распространяющиеся по поверхности чего-либо. В нашем случае по поверхности земли. Здесь, на иллюстрации, видно, как выглядят поверхностные волны. Они похожи на рябь, которую можно увидеть на поверхности воды. Поверхностные волны бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява. Я не буду распространяться, но здесь видно, что волны Рэлея движутся вверх и вниз. Вот здесь земля двигается вверх-вниз. Тут движется вниз. Тут - вверх. И тут - снова вниз. Похоже на бегущую по земле волну. Волны Лява, в свою очередь, двигаются в стороны. То есть, вот здесь волна не движется вверх-вниз, а, если посмотреть по направлению волны, она движется влево. Здесь движется вправо. Здесь - влево. Здесь - снова вправо. В обоих случаях, движение волны перпендикулярно направлению ее перемещения. Иногда такие волны называют поперечными. И они, как я уже говорил, похожи на волны в воде. Намного более интересны объемные волны, потому что, во-первых, это самые быстрые волны. И, к тому же, именно эти волны используются для изучения структуры земли. Объемные волны бывают двух типов. Есть P-волны, или первичные волны. И S-волны, или вторичные. Их можно увидеть вот здесь. Такие волны - это энергия, перемещающаяся внутри тела. А не просто по его поверхности. Итак, на данном рисунке, который я скачал из Википедии, видно, как по большому камню бьют молотком. И когда молоток попадает по камню… Давайте я перерисую покрупнее. Здесь у меня будет камень, и я бью его молотком. Он сожмет камень там, куда он попал. Тогда энергия от удара толкнет молекулы, которые врежутся в молекулы по соседству. И эти молекулы врежутся в молекулы за ними, а те, в свою очередь, в молекулы рядом. Получится, что эта сжатая часть камня движется волной. Вот это - сжатые молекулы, они врежутся в молекулы рядом и тогда здесь камень станет плотнее. Первые молекулы, те, которые начали все движение, вернутся на место. Поэтому сжатие сдвинулось, и дальше сдвинется еще. Получается волна сжатия. Вы бьете молотком сюда и получаете меняющуюся плотность, которая движется в направлении волны. В нашем случае молекулы двигаются вперед и назад вдоль одной оси. Параллельно направлению волны. Это - Р-волны. Р-волны могут распространяться в воздухе. По существу, звуковые волны - это волны сжатия. Они могут перемещаться как в жидкостях, так и в твердых веществах. И, в зависимости от среды, они двигаются с разными скоростями. В воздухе они двигаются со скоростью 330 м/с, что не так уж и медленно для повседневной жизни. В жидкости они двигаются на скорости 1 500 м/с. А в граните, из которого состоит большая часть поверхности Земли, они двигаются на скорости 5 000 м/с. Давайте я это запишу. 5 000 метров, или 5 км/с в граните. А S-волны, сейчас я нарисую, потому что эта слишком маленькая. Если ударить молотком сюда, сила удара временно сдвинет камень в сторону. Он немного деформируется и потянет за собой соседний участок камня. Затем этот камень сверху будет утянут вниз, а камень, по которому изначально ударили, вернется вверх. И приблизительно через миллисекунду слой камня сверху немного деформируется вправо. И дальше, с течением времени, деформация будет двигаться вверх. Заметьте, что в этом случае волна тоже движется вверх. Но движение материала теперь не параллельно оси, как в Р-волнах, а перпендикулярно. Эти перпендикулярные волны также называют поперечными колебаниями. Движение частиц перпендикулярно оси движения волны. Это и есть S-волны. Они двигаются чуть медленнее Р-волн. Поэтому, если вдруг случится землетрясение, сначала вы почувствуете Р-волны. А затем, на приблизительно 60% скорости Р-волн придут S-волны. Итак, для понимая структуры Земли важно помнить, что S-волны могут двигаться только в твердых веществах. Запишем это. Вы могли бы сказать, что видели поперечные волны на воде. Но там были поверхностные волны. А мы обсуждаем объемные волны. Волны, которые проходят внутри объема воды. Чтобы было проще это представить, я нарисую немного воды, скажем, вот здесь будет бассейн. В разрезе. Вот как-то так. Да, мог бы и получше нарисовать. Итак, здесь будет бассейн в разрезе, и я надеюсь, что вы поймете, что в нем происходит. И если я сожму часть воды, например, ударив по ней чем-нибудь очень большим, чтобы вода быстро сжалась. Р-волна сможет двигаться, потому что молекулы воды врежутся в молекулы по соседству, которые врежутся в молекулы за ними. И это сжатие, эта Р-волна, будет двигаться в направлении от моего удара. Отсюда видно, что Р-волна может двигаться как в жидкостях, так и, например, в воздухе. Хорошо. И помните, что мы говорим о подводных волнах. Не о поверхностях. Наши волны движутся в объеме воды. Предположим, что мы взяли молоток и ударили по данному объему воды со стороны. И от этого возникнет только волна сжатия в эту сторону. И больше ничего. Поперечной волны не возникнет, потому что у волны нет той эластичности которая позволяет ее частям колебаться из стороны в сторону. Для S-волны нужна такая эластичность, которая бывает только в твердых телах. В дальнейшем мы будем использовать свойства Р-волн, которые могут двигаться в воздухе, жидкости и твердых телах, и свойства S-волн, чтобы узнать, из чего состоит земля. Subtitles by the Amara.org community

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

Объёмные волны 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 геофизические 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.

В зависимости от полярности сейсмического импульса амплитуда волны может иметь положительное или отрицательное значение. Импульс с положительной амплитудой имеет полярность (порядок следования фаз) такой же как и у волны, создаваемой непосредственно источником, а импульс с отрицательной амплитудой - противоположный.

Амплитуда сейсмической волны зависит от плотности энергии в пространстве между фронтом и тылом, поэтому из-за перераспределения неизменной упругой энергии на всё больший объём, амплитуда волны уменьшается с удалением фронта волны от источника. Кроме того, на значение амплитуды влияет акустическая жёсткость (волновой импеданс), определяющий степень уменьшения амплитуды. В акустически жёстких средах амплитуда упругой волны падает, в акустически мягких - возрастает. Также амплитуда упругой волны прямо зависит от кинетической энергии, которые источник волны сообщает среде .