Катастрофы в природе: землетрясения
Шрифт:
Сейсмограф Вихерта для записи сейсмических колебаний (из архива автора).
Создано много типов приборов для регистрации колебаний почвы и все они используют принцип инерции – свойства физического тела сохранять первоначальное состояние покоя или равномерного движения. Различаются только способы преобразования механических колебаний в удобную для анализа форму. Это механическая запись на закопченную бумагу или стекло. Гальванометрическая запись на фотобумагу или фотопленку. Электронная запись на магнитные носители информации.
Повышение точности приборов позволило изучить тонкую структуру колебаний вызванных землетрясениями – сейсмограмм. Оказалось, что в них присутствуют колебания различного типа – фаз волн, которые отличаются по частоте и амплитуде. Основные фазы колебаний получили название P, S и L – это первые вступления объёмных продольных, поперечных и поверхностных волн.
Продольные волны (Р-волны) или волны сжатия заставляют частицы среды колебаться подобно спиральной пружине. Они вызывают колебания вдоль направления распространения волны, путем чередования участков сжатия и разрежения. Благодаря этому свойству P-волны способны распространятся почти в любых средах. У дневной поверхности в среднем скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на большой глубине около 13 км/с.
Поперечные сейсмические волны (S-волны) или волны сдвига заставляют частицы среды колебаться перпендикулярно направлению распространения волны (подобно вибрирующей гитарной струне). S-волны распространяются только через обладающий упругостью материал, поэтому они не в состоянии проходить через «жидкое» внешнее ядро Земли, жидкие и газообразные среды. Их скорость зависит от сопротивления материала среды сдвигу, и составляет примерно 7/12 от скорости Р-волн.
Из-за неоднородности недр на сейсмограмме отражается широкий спектр сейсмических волн разного типа. Помимо P и S волн к основным относятся т.н. поверхностные волны Рэлея и Лява (R и L). Они названы по именам ученых разработавших математическую теорию их распространения.
При прохождении волн Рэлея частицы среды описывают вертикальные эллипсы вдоль направления распространения. В поверхностных волнах Лява частицы среды колеблются перпендикулярно направлению своего распространения. Эти типы волн распространяются по земной поверхности подобно волнам в водоемах со скоростью 3,2 – 4,4 км/с.
Из-за того, что Р-волны вблизи от очага землетрясения имеют большую скорость, чем S-волны они регистрируются первыми, отсюда их наименование «Primary». Поперечные S-волны распространяются с меньшей скоростью и приходят следом за P-волнами. Соответственно их назвали вторичными волнами «Secondary». Чем дальше от очага землетрясения расположена сейсмическая станция, тем больший интервал времени между моментами вступления на сейсмограмме P и S волн. Это свойство используется для определения дистанции от станции до очага землетрясения.
На больших удалениях от источника волновая картина значительно меняется из-за неоднородности земных недр. Для её расшифровки в этом случае используются специальные годографы времён пробега типов волн. Один из первых широко использовавшихся годографов получил название по имени его создателей англичанина Сэра Гарольда Джеффриса и австралийца Кита Эдварда Буллена. Буллен также построил одну из первых сейсмических моделей внутреннего строения Земли.
Сейсмические
Интересен сам по себе факт открытия сейсмических волн. Теоретически существование в твердых телах объёмных Р и S волн предсказано в 1829 году Пуассоном, но до 1900 года сейсмологам не удавалось их однозначно распознавать на сейсмограммах. Многие исследователи принимали поверхностные волны Релея за вступления S-волн и приходили к ошибочным результатам.
Проблема была решена в 1899 году Ричардом Диксоном Олдхэмом сумевшего в записях Ассамского землетрясения 1897 года выделить истинные вступления S-волн. Это позволило уже к 1914 году составить общую картину строения планеты и её скоростного разреза. Выдающийся вклад в решение этой задачи внесли такие ученые как Олгрем, Цепринтц, Мохорович, Гуттенберг, Вихерт, Джеффрис, Буллен, Лапвуд и другие.
Джеффрис одним из первых рассчитал кривую времен пробега сейсмических волн (годограф) в зависимости от строения Земли. Это позволило по записям колебаний на сейсмограмме точно определять место и время возникновения землетрясений. Для этого было достаточно измерить моменты вступления Р и S волн на станции и по интервалу времени между ними с использованием годографа рассчитать дистанцию (эпицентральное расстояние) между станцией, где получена запись и эпицентром землетрясения. Сопоставляя полученные расстояния по нескольким станциями можно точно определить место и время возникновения землетрясения или, как его называют сейсмологи время в очаге (t0).
Расшифровка структуры записи сейсмических волн очень сложная задача. С момента вступления Р-волн (в ближней зоне землетрясений) и длительное время после, сейсмическая запись не бывает спокойной, а вступления остальных фаз происходят на фоне предыдущих колебаний. С другой стороны, на сейсмограмме всегда присутствуют микроколебания – микросейсмы (сейсмические шумы), которые затрудняют измерения. Чем чувствительнее прибор, тем больше амплитуда помех, а значит и ошибки в определении координат и глубины очага землетрясения.
Традиционно сейсмостанции оснащаются сейсмографами для записи колебаний в виде сейсмограммы смещений. Однако существуют и другие типы сейсмических приборов. Это велосиграфы для записи скоростей и акселерометры для записи ускорений грунта. Эти приборы устанавливаются в инженерных сооружениях там, где могут возникнуть интенсивные сейсмические колебания. Они находятся в режиме ожидания, и включаются при сильных землетрясениях. С их помощью удаётся точно определять продолжительность разрушающей фазы землетрясения и её частотный спектр.
Наряду с сейсмическими станциями на суше создаётся все больше пунктов наблюдений на морском дне. В 1940 году было обнаружено, что помимо распространяющихся в твердой оболочке Земли сейсмических волн, у землетрясений есть акустическая компонента Т-фаза. Её исследование имеет большой интерес для поиска методов прогноза цунами. Поэтому на морских станциях, наряду с сейсмографами, устанавливаются гидрофоны для записи акустических сигналов.
Достижения электроники и современные телекоммуникации обеспечили условия для создания цифровых сейсмических станций с передачей данных по телеметрическим каналам связи. С другой стороны, переход с телесейсмического на региональный, а затем и на локальный уровень наблюдений сопровождается порядковым скачком объёма данных который человеческий мозг без компьютеров проанализировать не в состоянии.