Сейсмология - Seismology

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Сейсмологии ( / с г м ɒ л ə я / ; от древних греческих σεισμός ( Seismos ) , что означает «землетрясение» и -λογία ( -logía ) , что означает «изучение») является научное исследование землетрясений и распространение упругой волны через Землю или через другие подобные планетам тела. Эта область также включает исследования воздействия землетрясений на окружающую среду, таких как цунами, а также различных сейсмических источников, таких как вулканические, тектонические, ледниковые, речные, океанические, атмосферные и искусственные процессы, такие как взрывы. Связанная с этим область, которая использует геологию для вывода информации о прошлых землетрясениях, - это палеосейсмология . Запись движения Земли как функции времени называется сейсмограммой . Сейсмолог - это ученый, занимающийся сейсмологическими исследованиями.

История

Интерес ученых к землетрясениям восходит к глубокой древности. Ранние предположения о естественных причинах землетрясений были включены в сочинения Фалеса Милетского (ок. 585 г. до н. Э.), Анаксимена Милетского (ок. 550 г. до н. Э.), Аристотеля (ок. 340 г. до н. Э.) И Чжан Хэна (132 г. до н. Э.).

В 132 году нашей эры Чжан Хэн из китайской династии Хань разработал первый известный сейсмоскоп .

В 17 веке Афанасиус Кирхер утверждал, что землетрясения были вызваны движением огня в системе каналов внутри Земли. Мартин Листер (1638–1712) и Николас Лемери (1645–1715) предположили, что землетрясения были вызваны химическими взрывами на земле.

Лиссабон землетрясение 1755 года , совпадающее с общим расцветом науки в Европе, приводимый в движении активизировало научные попытки понять поведение и причинно - следственную связь землетрясений. Самые ранние отзывы включают работы Джона Бевиса (1757 г.) и Джона Мичелла (1761 г.). Мичелл определил, что землетрясения возникают внутри Земли и представляют собой волны движения, вызванные «перемещением массивов горных пород на много миль под поверхностью».

С 1857 года Роберт Маллет заложил основы инструментальной сейсмологии и проводил сейсмологические эксперименты с использованием взрывчатых веществ. Он также ответственен за создание слова «сейсмология».

В 1897 году теоретические расчеты Эмиля Вихерта привели его к выводу, что внутренняя часть Земли состоит из силикатной мантии, окружающей железное ядро.

В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм определил отдельные приходы продольных , поперечных и поверхностных волн на сейсмограммах и нашел первое четкое свидетельство того, что у Земли есть центральное ядро.

В 1909 году Андрия Мохоровичич , один из основоположников современной сейсмологии, открыл и определил разрыв Мохоровичичей . Обычно называют «Мохи» или «Мох» , это граница между земным «s корой и мантией . Это определяется отчетливым изменением скорости сейсмологических волн, когда они проходят через изменяющуюся плотность горных пород.

В 1910 году, после изучения землетрясения в Сан-Франциско в апреле 1906 года , Гарри Филдинг Рид выдвинул « теорию упругого отскока », которая остается основой современных тектонических исследований. Развитие этой теории зависело от значительного прогресса более ранних независимых потоков работ по поведению упругих материалов и в математике.

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

В 1937 году Инге Леманн определила, что внутри жидкого внешнего ядра Земли есть твердое внутреннее ядро .

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

Типы сейсмических волн

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 - это упругие волны, которые распространяются в твердых или жидких материалах. Их можно разделить на объемные волны, которые проходят сквозь материалы; поверхностные волны, которые распространяются 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 поперечные или вторичные волны ( S-волны ). P-волны - это продольные волны, которые включают сжатие и расширение в том направлении, в котором движется волна, и всегда являются первыми волнами, которые появляются на сейсмограмме, поскольку они являются наиболее быстро движущимися волнами через твердые тела. S-волны - это поперечные волны, которые движутся перпендикулярно направлению распространения. Зубцы S медленнее, чем зубцы P. Следовательно, на сейсмограмме они появляются позже продольных волн. Жидкости не могут поддерживать поперечные упругие волны из-за их низкой прочности на сдвиг, поэтому поперечные волны распространяются только в твердых телах.

Поверхностные волны

Поверхностные волны - это результат взаимодействия продольных и поперечных волн с поверхностью Земли. Эти волны являются дисперсионными , что означает, что разные частоты имеют разные скорости. Двумя основными типами поверхностных волн являются волны Рэлея , которые имеют как продольное, так и поперечное движение, и волны Лява , 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 с глубиной в твердой среде, 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 / расстояние 2 против 1 / расстояние 3 ), и, таким образом, сотрясение, вызванное поверхностными волнами, обычно сильнее, чем у объемных волн, и Таким образом, первичные поверхностные волны часто являются самыми 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.

Нормальные режимы

И телесные, и поверхностные волны являются бегущими волнами; однако сильные землетрясения также могут заставить всю Землю «звенеть» подобно резонансному колоколу. Этот сигнал представляет собой смесь нормальных режимов с дискретными частотами и периодами примерно в час или меньше. Движение в нормальном режиме, вызванное очень сильным землетрясением, можно наблюдать в течение месяца после события. Первые наблюдения нормальных режимов были сделаны в 1960-х годах, когда появление более точных инструментов совпало с двумя крупнейшими землетрясениями 20-го века: землетрясением Вальдивия 1960 года и землетрясением 1964 года на Аляске . С тех пор нормальные моды Земли дали нам одни из самых сильных ограничений на глубинную структуру Земли.

Землетрясения

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

Контролируемые сейсмические источники

Сейсмические волны, создаваемые взрывами или вибрирующими контролируемыми источниками, являются одним из основных методов подземных исследований в геофизике (в дополнение ко многим различным электромагнитным методам, таким как индуцированная поляризация и магнитотеллурия ). Контролируемый источник сейсмология была использована для отображения соляных куполов , антиклинали и другие геологических ловушек в нефтяных водоносных породах , разломах , типов горных пород, и давно похороненные гигантских метеоритных кратерах . Например, Чиксулуб , который был вызван ударом , который был причастен к исчезновению из динозавров , был локализован в Центральной Америке анализирующей выброшенного в границе мела и палеогена , а затем физически доказано существование с использованием сейсмических карт из нефти разведка .

Обнаружение сейсмических волн

Установка для временной сейсмической станции на севере Исландии.

Сейсмометры - это датчики, которые обнаруживают и регистрируют движение Земли, возникающее из-за упругих волн. Сейсмометры могут быть размещены на поверхности Земли, в неглубоких сводах, в скважинах или под водой . Полный комплект инструментов, регистрирующих сейсмические сигналы, называется сейсмографом . Сети сейсмографов непрерывно регистрируют движения грунта по всему миру, чтобы облегчить мониторинг и анализ глобальных землетрясений и других источников сейсмической активности. Быстрое обнаружение землетрясений делает возможными предупреждения о цунами, поскольку сейсмические волны распространяются значительно быстрее, чем волны цунами. Сейсмометры также регистрируют сигналы от источников, не связанных с землетрясениями, начиная от взрывов (ядерных и химических), и заканчивая локальным шумом от ветра или антропогенной деятельности, непрерывными сигналами, генерируемыми на дне океана и побережьями, вызванными океанскими волнами (глобальный микросейсм ), и криосферными явлениями. связаны с большими айсбергами и ледниками. С помощью сейсмографов были зарегистрированы удары метеорита над океаном с энергией до 4,2 × 10 13 Дж (эквивалентной тому, который был выпущен при взрыве в десять килотонн в тротиловом эквиваленте), а также ряд промышленных аварий, бомб террористов и событий (поле исследования, именуемого судебной сейсмологией ). Основной долгосрочной мотивацией глобального сейсмографического мониторинга было обнаружение и изучение ядерных испытаний .

Картирование недр Земли

Схема с концентрическими оболочками и криволинейными траекториями
Сейсмические скорости и границы в недрах Земли, измеренные сейсмическими волнами

Поскольку сейсмические волны обычно эффективно распространяются, поскольку они взаимодействуют с внутренней структурой Земли, они предоставляют неинвазивные методы с высоким разрешением для изучения недр планеты. Одно из самых ранних важных открытий (предложенное Ричардом Диксоном Олдхэмом в 1906 году и окончательно продемонстрированное Гарольдом Джеффрисом в 1926 году) заключалось в том, что внешнее ядро Земли является жидким. Поскольку поперечные волны не проходят через жидкости, жидкое ядро ​​вызывает «тень» на стороне планеты, противоположной землетрясению, где прямые поперечные волны не наблюдаются. Кроме того, P-волны проходят через внешнее ядро ​​намного медленнее, чем через мантию.

Обрабатывая показания многих сейсмометров с помощью сейсмической томографии , сейсмологи нанесли на карту мантию Земли с разрешением в несколько сотен километров. Это позволило ученым идентифицировать конвективные ячейки и другие крупномасштабные объекты, такие как крупные провинции с низкой скоростью сдвига вблизи границы ядро-мантия .

Сейсмология и общество

Прогноз землетрясения

Прогнозирование вероятного времени, местоположения, магнитуды и других важных характеристик предстоящего сейсмического события называется прогнозом землетрясения . Сейсмологи и другие специалисты предпринимали различные попытки создать эффективные системы для точного предсказания землетрясений, включая метод VAN . Большинство сейсмологов не считают, что система своевременного предупреждения об отдельных землетрясениях еще не разработана, и многие полагают, что такая система вряд ли сможет дать полезное предупреждение о надвигающихся сейсмических событиях. Однако более общие прогнозы обычно предсказывают сейсмическую опасность . Такие прогнозы оценивают вероятность землетрясения определенного размера, влияющего на конкретное место в течение определенного промежутка времени, и обычно используются в сейсмологической инженерии .

Общественная полемика по поводу прогноза землетрясения разгорелась после того, как итальянские власти предъявили обвинение шести сейсмологам и одному правительственному чиновнику в непредумышленном убийстве в связи с землетрясением магнитудой 6,3 в Аквиле, Италия, 5 апреля 2009 года . Обвинение было широко воспринято как обвинение в неспособности предсказать землетрясение и вызвало осуждение со стороны Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского геофизического союза . 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.

Инженерная сейсмология

Инженерная сейсмология - это изучение и применение сейсмологии в инженерных целях. Обычно он применяется к отрасли сейсмологии, которая занимается оценкой сейсмической опасности площадки или региона для целей сейсмологической инженерии. Таким образом, это связующее звено между наукой о Земле и гражданским строительством . Инженерная сейсмология состоит из двух основных компонентов. Во-первых, изучение истории землетрясений (например, исторические и инструментальные каталоги сейсмичности) и тектоники 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 помощью акселерометров или сейсмометров, либо имитируемыми компьютерами с использованием различных методов, которые затем часто используются для разработки уравнений прогнозирования движения грунта (или моделей движения грунта) [1] .

Инструменты

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

Известные сейсмологи

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

Внешние ссылки