Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СЕЙСМОЛОГИЯ

СЕЙСМОЛОГИЯ

СЕЙСМОЛОГИЯ (от греч. seismos- колебание, землетрясение и logos - слово, учение) - наука о землетрясениях(З.). Осн. задачи, решаемые С.: исследование структуры земных недр и процессовв очагах 3., разработка методов уменьшения ущерба от сильных 3. (сейсмич. <районирование и прогноз 3.), мониторинг (слежение, наблюдение) испытанийатомного оружия. Сейсмич. методы широко применяются при разведке полезныхископаемых, в частности нефти. С. стала интенсивно развиваться после 1889,когда в Потсдаме с помощью чувствит. маятников было зарегистрировано сильное3. в Японии.

Регистрация землетрясений. Регистрация упругих волн, вызванных3. или взрывом, выполняется сейсмографами. Как правило, сейсмич. обсерваторияоснащается сейсмографами, регистрирующими три компоненты смещения: вертикальную, <север - юг и восток - запад. Осн. элементом сейсмографа является массивноетело, крепящееся к корпусу прибора пружиной. При смещении корпуса, жёсткосвязанного с Землёй, это тело стремится сохранить прежнее положение. Смещениятела относительно корпуса преобразуются в электрич. сигналы и регистрируютсяв аналоговом или цифровом виде. Наим. смещения, регистрируемые сейсмографами, <сравнимы с межатомными расстояниями (10^-10 м), динамич. диапазондостигает 140 дб.

Сейсмические волны. Упругие волны, регистрируемые сейсмографами, <принадлежат к неск. типам. По характеру пути распространения волны делятсяна объёмные и поверхностные. В свою очередь объёмные волны подразделяютсяна продольные ( Р )и поперечные (S), а поверхностные - на Рэлея волны и Лява волны. Объёмные волны распространяютсяво всём объёме Земли, за исключением жидкого ядра, не пропускающего поперечныеволны. Продольные волны связаны с изменением объёма и распространяютсясо скоростью , где - модульсжатия,- модуль сдвига (см. Модули упругости),- плотность среды. Поперечные волны не связаны с изменением объёма, <их скорость равна .Движение частиц в волне 5 происходит в плоскости, перпендикулярной направлениюраспространения волны. В сферически-симметричных моделях Земли луч, вдольк-рого распространяется волна, лежит в вертикальной плоскости. Составляющаясмещения в волне S в этой плоскости обозначается SV, горизонтальнаясоставляющая - SH. Нек-рые оболочки Земли обладают упругой анизотропией;в этом случае поперечная волна расщепляется на две волны с разл. поляризациямии скоростями распространения. Параметры земных недр изменяются по вертикалии горизонтали. Поэтому в процессе распространения объёмные волны испытываютотражение, преломление, обмен (превращение Р в S и наоборот),а также дифракцию и рассеяние. В результате запись 3. (сейсмограмма) набольшом расстоянии от источника распадается на ряд волновых пакетов илифаз. Отождествление фаз и определение координат источника выполняются спомощью набора стандартных таблиц (годографов), задающих время пробегакак ф-цию пройденного рассеяния и глубины источника.

Поверхностные волны формируются в результате интерференции объёмныхволн и распространяются в верх. оболочке Земли, эфф. толщина к-рой зависитот периода колебаний. Характерной особенностью поверхностных волн являетсядисперсия скоростей. Поверхностные волны Лява и Рэлея различаются скоростьюраспространения и поляризацией колебаний. Траектория частицы в волне Рэлеяимеет составляющие SV и вертикальную; волны Лява имеют поляризацию SH.

Частотный спектр сейсмич. колебаний лежит в диапазоне от сотен Гц до Гц. Колебания с частотами порядка сотен Гц регистрируются только вблизиисточника. В НЧ-области (периоды порядка сотен секунд и более) сейсмич. <волны приобретают характер собств. колебаний упругого шара. Собств. колебанияЗемли делятся на сфероидальные, имеющие поляризацию волн Рэлея, и крутильныес поляризацией волн Лява. Известный к настоящему времени спектр сфероидальныхи крутильных колебаний Земли насчитывает неск. тысяч собств. частот.

Сейсмология и строение Земли. Представления о внутр. строении Земли в очень большой степени основаны на сейсмич. данных. В соответствиис этими данными Земля разделяется на кору, мантию, жидкую внешнюю и твёрдуювнутреннюю части ядра. Кора отделяется от мантии границей Мохоровичича, <находящейся под океанами на глубине ~10 км и погружающейся под материкамидо глубин порядка неск. десятков км. В большей части мантии скорости упругихволн растут с глубиной; исключениями являются зона на глубинах 100-300км и слой в подошве мантии. Наиб. рост наблюдается на глубинах 300-700 км, называемыхзоной фазовых переходов или переходной зоной. Резкое увеличение скоростейпроисходит на сейсмич. границах, находящихся на глубинах ок. 400- 650 км;последняя часто рассматривается как граница между верхней и нижней частямимантии.

Механич. добротность мантии различна для продольных и поперечных волн;слой пониженной скорости на глубинах 100-300 км одновременно является зонойпониженной добротности. Пониженной добротностью характеризуется также внеш. <зона внутр. ядра. Вопросы зависимости добротности от частоты носят дискуссионныйхарактер.

Сейсмич. исследования структуры глубоких земных недр тесно связаны сизучением конвекции, к-рая приводит в движение литосферные плиты и контролируетт. о. тектонич. активность Земли. Трёхмерные модели Земли в целом и болеедетальные модели отд. регионов строятся методами сейсмич. томографии. Использование этих моделей при геодинамич. построениях опирается насвязь скоростей распространения упругих волн с темп-рой и плотностью среды. <Наиб. контрастные неоднородности скоростей распространения волн обнаруживаютсяв верхних (300км) слоях мантии и в зоне .Важным объектом сейсмич. исследований являются образования с высокими скоростямираспространения волн, связанные с погружёнными в мантию плитами океанич. <литосферы; эти неоднородности прослеживаются до глубины не менее 1000 км. <Объектами структурных исследований являются также рельефы границы ядро- мантия и др. сейсмич. границ. Направление течений в мантии оцениваетсяпо характеру связанной с ними упругой анизотропии, обусловленной упорядоченнойориентировкой кристаллов.

Сейсмичность и сейсмический очаг (источник сейсмич. волн). 3. представляютодно из проявлений тектонич. активности Земли. По глубине очага 3. разделяютсяна неглубокие, промежуточные (до 300 км) и глубокие. Макс. глубина очаговглубоких 3. ок. 700 км; почти все они сосредоточены в области Тихоокеанскогопояса. Происхождение глубоких 3. связывают с разрядкой упругих напряженийв погружающихся плитах океанич. литосферы. Большинство неглубоких 3. (глубинаочага до 80 км) происходит у границ литосферных плит и связано с разрядкойупругих напряжений, накапливающихся при относит. движении блоков литосферы. <Ок. 75% энергии неглубоких 3. высвобождается в полосе, опоясывающей Тихийокеан, и ок. 20% - в Альпийском поясе, протянувшемся от Средиземноморьядо Гималаев. Помимо Тихоокеанского и Альпийского поясов местом сосредоточениябольшого числа неглубоких 3. являются срединно-океанич. хребты. Кроме 3.у границ литосферных плит известны сравнительно немногочисленные внутриплитовые3.

Величину 3. характеризует параметр, называемый магнитудой ( М )иоцениваемый по ф-ле вида

где а - амплитуда смещения в поверхностных волнах, Т - периодпреобладающих колебаний, величина С учитывает зависимость амплитудысмещений от расстояния. Аналогичная классификация производится по наблюдениямР-волн. Практич. магнитуда оценивается по записям мн. сейсмич. станций. <Удобство классификации 3. по магнитуде объясняется тем, что величина . тесно связана с величиной высвобожденной при 3. упругой энергии .Одна из ф-л, связывающих энергию (в эргах) с М, имеет вид

Магнитуда сильнейших 3. близка к 9, а соответствующая энергия ~10²⁵ эрг. В ср. по Земле число 3. N связано с магнитудой М соотношениемвида

где с и b - постоянные (b1). Т. о., число 3. логарифмически растёт с уменьшением магнитуды. <Суммарная сейсмич. энергия почти полностью определяется вкладом сравнительномалочисленных сильнейших З.; они, как правило, относятся к категории неглубоких.

Для целей сейсмостойкого строительства чрезвычайно важны записи ускоренийдвижения грунта в районе, окружающем очаг 3. Такие записи получают с помощьюспец. инструментов, рассчитанных на большие смещения, чем обычные сейсмографы. <Однако инструментальных данных во мн. случаях оказывается недостаточно. <Поэтому интенсивность сотрясений, вызванных З., измеряется в баллах по12-балльной шкале. Балл обычно устанавливается по характеру поврежденияпостроек и результатам опроса очевидцев. Сравнение с инструментальнымиданными показывает, что балл пропорционален логарифму макс. ускорения грунта. <Результаты картирования балла в области, окружающей очаг 3., представляютсяв виде схемы изосейст.

Кроме магнитуды и балльности очаг 3. характеризуется рядом др. параметров, <устанавливаемых в результате интерпретации сейсмограмм. Большинство результатовв этой области получено с помощью модели очага в виде разрыва со смещениемпо внутр. поверхности (дислокац. модель). Анализ излучения в разл. направленияхот источника позволяет установить плоскость разрыва и направление подвижкипо разрыву. Результаты такого анализа для 3. в разл. районах Земли послужилиодним из аргументов, обеспечивших широкое признание идей тектоники плит. <В случае волн, длина к-рых много больше возбудившего их разрыва, эквивалентомочага служит двойная пара сил, а из наблюдений определяется сейсмич. момент . Характерные значения М ₀ лежат в диапазоне от 10³⁰ дин-см (Чилийское 3., 1960) до 10¹² дин*см (для микроземлетрясений).При наблюдениях в КВ-области выясняется, что сильное 3. является результатомнеск. или многих элементарных сдвигов. Общая длина разрыва для таких 3.иногда достигает сотен км; вспарывание разрыва происходит со ср. скоростью, <близкой к скорости распространения поперечных волн.

Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений. Сильные 3. частопроисходят в малонаселённых районах, и приносимый ими ущерб невелик. Однакорост городов и строительство сейсмоопасных объектов (атомные электростанции, <хим. заводы, высокие плотины) увеличивают сейсмич. опасность. Так, приТаншаньском 3. 28 июля 1976 в Китае погибло неск. сотен тысяч человек. <При Спитакском 3. в Армении (1988) погибло неск. десятков тысяч человек, <материальный ущерб достиг мн. млрд. рублей. Радикальный способ противостоятьсильным 3.- сейсмостойкое строительство. Высокая стоимость этого строительствавызывает необходимость районирования тектонически активных территорий постепени сейсмич. опасности. Оценка макс. балла для определ. территорииоснована на опыте, свидетельствующем, что сильные 3., как правило, происходятна разломах земной коры, уже неоднократно порождавших похожие 3. в прошлом. <Характерный интервал времени между сильными 3. на одном и том же участкеразлома определяется индивидуальными особенностями разлома и может варьироватьв пределах от десятков до тысяч лет. Сильные 3., происходившие в доисторич. <времена, оставили следы на местности, распознавание и интерпретация к-рыхвыполняется методами палеосейсмологии.

Предсказание 3.- сложнейшая задача С. Для того чтобы предсказание имелопрактич. смысл, оно должно содержать три характеристики будущего 3.: время, <место, силу. Различают долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы3. Соответствующие сроки находятся в пределах от неск. лет до десятковлет, от неск. недель до неск. лет, менее неск. недель. Существ. прогрессдостигнут только в долгосрочном прогнозе сильных 3. Особенно полезной оказаласьидея сойсмич. брешей: сильнейшие ( М~ 8) 3. Тихоокеанского поясапроисходят таким образом, что очаг каждого нового 3. заполняет область, <где такого 3. не было в течение последних ~100 лет. Идея брешей позволиласделать неск. оправдавшихся долгосрочных прогнозов.

Краткосрочные прогнозы основаны на аномальных изменениях разл. геофиз. <полей и деформациях земной поверхности, изменениях уровня грунтовых води их хим. состава, появлении предваряющих толчков - форшоков. Трудностипрогноза связаны с тем, что явления-предвестники трудно отличить от фоновыхвариаций полей. Известен только один бесспорный случай успешного краткосрочногопрогноза, позволившего принять меры для спасения населения: предсказаниеХайчэнского 3. (1975) с магнитудой 7,3 в китайской провинции Ляонин. Решающимфактором в этом прогнозе было появление форшоков. Разработка эфф. методовкраткосрочного прогноза требует длит. и систематич. изучения 3. и предваряющихих явлений в разл. геологич. условиях.

При подводных 3. опасность представляют очень длинные волны на поверхностиводы - цунами. В наиб. степени воздействию цунами подвержены берега Тихогоокеана. Сравнительно низкая скорость распространения этих волн позволяетзаблаговременно предупредить население о приближении цунами.

К проблеме сейсмич. опасности примыкает вопрос о техногенных 3. Известнотри вида деятельности человека, провоцирующей 3.: заполнение крупных водохранилищ, <закачка воды в скважины для увеличения нефтоотдачи и добыча твёрдых полезныхископаемых на большой глубине. Возникающие при этом 3. обычно относятсяк категории слабых.

Мониторинг ядерных взрывов. Наиб. эфф. метод дистанционного мониторингаподземных ядерных испытаний - сейсмический. Мониторинг имеет две стадии:обнаружение сейсмич. сигналов и распознавание взрывов среди 3. Осн. критерийраспознавания взрывов основан на различиях в пространственных координатахисточников: ок. 90% всех сейсмич. событий идентифицируются как 3. простопотому, что они происходят или слишком глубоко, или в районах, непригодныхдля ядерных испытаний. Сейсмич. источник типа взрыва представляет центррасширения и этим принципиально отличается от сдвиговой дислокации, моделирующейочаг 3. Это приводит к ряду отличий в параметрах соответствующих волновыхполей. Трудности распознавания возникают в случае слабого сигнала, когданаблюдается только малая часть волнового поля.

Возможности регистрации слабых сигналов лимитируются сейсмич. шумом. <Наиб. силы этот шум (микросейсмы) достигает на периодах 5-8 с. Осн. источникоммикросейсм с периодами более 1 с служит волнение поверхности воды на обширныхакваториях. На периодах менее 1 с в сейсмич. шуме присутствует техногеннаясоставляющая.

Внеземная сейсмология. В кон. 1960-х гг. амер. экспедициями на Лунебыли размещены 5 сейсмич. станций, к-рые регистрировали ежегодно от 600до 3000 слабых лунотрясений. Лунные сейсмограммы резко отличаются от земныхочень длительной реверберацией, объясняемой высокой добротностью верх. <оболочки Луны. Лунотрясения происходят на глубинах до 100 км и от 800 до1000 км. Толчки второй (более глубинной) группы происходят преим. в тепериоды, когда Луна максимально приближается к Земле. По сейсмич. данным, <лунная кора имеет мощность от 60 до 100 км; на глубинах от 500 до 1000км имеется зона пониженной скорости упругих волн.

В 1976 космич. аппаратом «Викинг» сейсмограф был установлен на поверхностиМарса. Из-за высокого уровня помех ветрового происхождения достоверныхданных о сейсмичности Марса получить не удалось.

Эфф. методом изучения внутр. структуры и динамики Солнца является солнечнаясейсмология.

Сейсмическая разведка. Сейсмич. методы находят широкое применение приисследованиях структуры верх. части земной коры в связи с поисками полезныхископаемых, особенно нефти и газа. Сейсмич. колебания возбуждаются взрывамиили механич. устройствами; сейсмоприёмники размещаются на поверхности Землиили в стволах скважин. Для картирования подземных структур используютсяпреим. отражённые волны. Наиб. распространением пользуется методика общейглубинной точки. В этой методике для получения каждой точки отражающейграницы служат записи большого числа источников и приёмников. Методы сейсморазведкишироко применяют также для исследования структуры земной коры на всю еёглубину.

Лит.: А к и К., Ричардс П., Количественная сейсмология, пер. <с англ., т. 1-2, М., 1983; Моги К., Предсказание землетрясений, пер. сангл., М., 1988. Л. П. Винпик.