>>Физика: Сейсмические волны

Сейсмическими волнами называют волны, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений или каких-либо мощных взрывов. Так как Земля в основном твердая, то в ней одновременно могут возникать два вида волн - продольные и поперечные. Скорость этих волн неодинакова: продольные волны распространяются быстрее поперечных. Например, на глубине 500 км скорость поперечных сейсмических волн ≈ 5 км/с, а скорость продольных волн ≈ 10 км/с.

Регистрацию и запись колебаний земной поверхности, вызванных сейсмическими волнами, осуществляют с помощью приборов, называемых сейсмографами . Основной частью сейсмографа является маятник , начинающий колебаться при каждом появлении сейсмических волн. В простейших конструкциях прибора маятник соединяют с пишущим устройством, вычерчивающим график колебаний на специальной ленте.

Распространяясь от очага землетрясения, первыми на регистрирующую (сейсмическую) станцию приходят продольные волны, спустя некоторое время - поперечные. Зная скорость распространения волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние R до эпицентра землетрясения. Чтобы узнать, где именно он находится, используют данные, полученные на нескольких сейсмических станциях. Допустим, что расстояние от эпицентра землетрясения до станции S 1 равно R 1 , до станции S 2 - R 2 , а до станции S 3 - R 3 . Тогда, начертив на карте вокруг станций окружности соответствующих радиусов и найдя точку их пересечения, мы узнаем, где именно находится источник сейсмических волн (точка А на рисунке 46).

Ежегодно на земном шаре регистрируют сотни тысяч землетрясений. Подавляющее большинство из них относится к слабым, однако время от времени наблюдаются и такие, которые нарушают целостность грунта, разрушают здания и ведут к человеческим жертвам.

Интенсивность землетрясений характеризуют с помощью 12-балльной шкалы (табл. 4).

Например, Ашхабадское землетрясение в 1948 г. оценивается в 9-10 баллов, а Ташкентское 1966 г.- в 8 баллов. Во время подобных катастроф гибнет огромное число людей. При Спитакском землетрясении в Армении (1988 г.) погибло несколько десятков тысяч человек, а во время Тайшаньского землетрясения в Китае (1976 г.) число человеческих жертв достигло нескольких сотен тысяч!

Противостоять разрушительным последствиям сильных землетрясений можно лишь путем строительстсейсмостойких зданий. Однако подобное строительство является достаточно дорогим и, кроме того, не всегда известно, где именно следует строить подобные дома. Предсказание землетрясений - сложнейшая задача. Решением этой проблемы занимаются специальные национальные службы и научно-исследовательские институты.

Исследование распространения сейсмических волн внутри Земли позволяет изучать глубинное строение нашей планеты. Простейшая схема подобных исследований состоит в следующем. В каком-либо месте внутрь грунта помещают заряд, после чего производят подземный взрыв. Распространяясь во все стороны от места взрыва, сейсмические волны достигают различных слоев внутри Земли. На границе каждого из них возникают отраженные волны. Эти волны возвращаются к поверхности Земли, где регистрируются на специальных сейсморазведочных станциях. Таким образом, например, было установлено, что недра Земли можно разделить на три основные области: земную кору, мантию и ядро . Измерения показали, что на глубине около 2800 км (на границе между мантией и ядром) скорость продольных волн скачком уменьшается с 13,6 до 8,1 км/с, а скорость поперечных волн - с 7,3 км/с до нуля. Непропускание ядром поперечных волн означает, что внешняя область ядра является не твердой, а жидкой.

Наряду с изучением строения земного шара сейсмическая разведка позволяет обнаруживать места, благоприятные для скопления нефти и газа.
Сейсмические исследования проводятся не только на Земле, но и на других небесных телах. Так, например, в 1969 г. американские астронавты разместили сейсмические станции на Луне . Ежегодно эти станции регистрировали от 600 до 3000 слабых лунотрясений. А в 1976 г. космическим аппаратом "Викинг" (США) сейсмограф был установлен на Марсе. Однако из-за сильных помех достоверных данных о сейсмичности Марса получить не удалось.

1. Какие волны называют сейсмическими? 2. Скорость каких волн в твердых телах больше - продольных или поперечных? 3. Каким образом можно определить местонахождение эпицентра землетрясения? 4. Какие методы изучения Земли позволяют установить ее внутреннее строение? 5. Из чего следует, что внешнее ядро Земли является жидким?

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Задание и ответы с физики по классам, скачать тесты ответы, планирование уроков физики 8 класс, онлайн уроки физика 8 класс, домашние задание и работа

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).

Статья СЕЙСМОРАЗВЕДКА

В сейсмической разведке (сокращенно сейсморазведке) с помощью взрывов или невзрывных источников (ударов, вибраций и т. п.) возбуждают в земле упругие (сейсмические) волны. В процессе своего распространения они претерпевают отражение и преломление на границах геологических напластований с различными упругими свойствами. Отраженные и преломленные волны регистрируют с помощью специальной высокочувствительной сейсмической аппаратуры. В результате обработки интерпретации записей сейсмических колебаний получают информацию о глубине залегания и конфигурации границ геологических напластований, на которых произошло отражение и преломление сейсмических волн. Характеристики сейсмических волн (частотный состав, интенсивность и др.) зависят также от вещественного состава горных пород, в том числе от их нефтегазонасыщенности. Это позволяет при благоприятных условиях использовать данные сейсморазведки для прямого выявления в недрах Земли нефтегазовых залежей (прямые поиски).

ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ

Образование продольных и поперечных сейсмических волн

Упругие деформации и напряжения. В сейсморазведке геологические среды рассматривают как непрерывную совокупность отдельных частичек, т. е. в виде «непрерывных» или «сплошных». Если к какому-либо объему среды приложена сила, то частички смещаются. После прекращения действия сил возможны два варианта состояния среды: а) смещения частичек оказались весьма большими и силы взаимодействия уже не могут их вернуть в прежнее положение, т. е. произошло разрушение или уплотнение структуры горной породы; б) смещения оказались достаточно малыми и под действием сил сцепления частички вернулись в прежнее положение, т. е. среда восстановиласвоюпервоначальную структуру.

Любое смещение частиц под действием приложенных сил, связанное с изменением объема или его формы, называется деформацией. Если произошли необратимые нарушения, то деформации называют не упругим и; в противном случае деформации называются упругими. Сейсмические волны переносят упругие деформации, и поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.

Упругие деформации разделяются на деформации растяжения или сжатия и деформации сдвига. В результате деформаций растяжения и сжатия изменяется первоначальный объем породы, и поэтому их также называют деформациями объема.

Деформации сдвига возникают, когда сила действует по касательной к внешней грани бруса. Как и в первом случае, частички будут перемещаться в направлении действия приложенной силы, но в результате сил сцепления между ними смещения будут передаваться соседним слоям перпендикулярно к направлению действия приложенной силы. Причем из-за внутреннего трения частичек смещения будут тем меньше, чем дальше от внешней грани, к которой приложена сила, находится слой. Таккаксдвиг сопровождается изменением формы тела, то деформации сдвига называют также деформациями формы.

Способность сред передавать деформации в виде упругих волн определяется связями между упругими деформациями ивызвавшими их напряжениями. Напряжением называется сила, действующая на единицу некоторой поверхности:

Где F s - равнодействующая сил, приложенных к поверхности S.

Экспериментально установлено, что между упругими деформациями и напряжениями существует линейная зависимость, т. е. деформации прямо пропорциональны напряжениям (закон Гука):

Коэффициент Е характеризует сопротивление горной породы расширению или сжатию и называется модулем Юнга. Отношение относительного утонения к относительному удлинению n, называется коэффициентом Пуассона. Модуль сдвига m, характеризует сопротивление горной породы изменению формы.

Модули Юнга Е, сдвига m и коэффициента Пуассона n связаны соотношением

Модуль Юнга Е для осадочных пород составляет (0,03-9)´10 11 дин/см 2 [в СИ (0,03-9)´10 10 Н/м 2 ], для кристаллических пород (3-16)´10 11 дин/см 2 [в СИ-(3-16)´10 10 Н/м 2 ]; коэффициент Пуассона n для осадочных пород равен 0,18-0,50, для кристаллических пород 0,19-0,38; модуль сдвига m, составляет примерно половину величины модуля Юнга.

Продольная и поперечная сейсмические волны. Механизм образования упругих сейсмических волн схематически можно представить в следующем виде. Непосредственно вблизи источника возбуждения происходит разрушение горных пород; эта область называется областью разрушения. Следующая область среды, в которой напряжения оказываются еще достаточно большими, а вызванные ими смещения частиц приводят к нарушению структуры среды (уплотнение среды), называется областью остаточных деформаций. При некотором удалении от источника напряжения и деформации в среде становятся настолько малыми, что можно говорить об области упругих деформаций. В ней, охватывая во времени все новые и новые участки среды, в общем случае распространяются сейсмические волны двух типов - продольные и поперечные. Продольная сейсмическая волна распространяется в виде деформаций расширения и сжатия, а поперечная волна-в виде деформаций сдвига. Продольные волны обозначаются буквой Р, поперечные-буквой S. Эти обозначения были даны в сейсмологии, поскольку на сейсмограммах землетрясений продольные волны регистрировались первыми (латинское слово «prima»), а поперечные волны-за ними (вторые-«secunda»).

Смещения в продольной волне происходят в направлении ее распространения, а в поперечной волне-в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Поверхность, разделяющая область возмущения (где смещения не равны нулю) от области покоя (в которой смещения равны нулю), называется фронтом волны.

Вектор смещений поперечной волны имеет определенную ориентировку. Это явление называется поляризацией поперечной волны. Если вектор смещений в процессе распространения поперечной волны не меняет своей ориентировки, то волна называется плоско- или линейнополяризованной. Примером плоскополяризованных волн являются поперечные отраженные волны. Вектор смещений в плоскополяризованной волне можно разложить на горизонтальные компоненты Х и У.

Деформации сдвига, а следовательно, поперечные волны не возникают в газах и невязких жидкостях; в таких средах распространяются только продольные сейсмические волны.

Скорости v р и v s распространения продольной и поперечной волн выражаются через упругие параметры среды-модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона n и плотность среды s следующими формулами:

Отношение скоростей поперечной и продольной волн v s /v p в зависимости от литологического состава горных пород, глубины их залегания и некоторых других факторов изменяется от 0,10 до 0,67.

Полостях, горных ударов и др.) или искусственных (взрывов, вибраторов, пневматических, газодинамических, электроискровых, гидравлических) источников. Частотный диапазон сейсмических волн от 0,0001 Гц до 100 Гц. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой, на значительных расстояниях от источников их интенсивность уменьшается вследствие затухания. Для регистрации сейсмических волн используются сейсмографы .

Различают две группы сейсмических волн – объёмные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Причем через жидкий, расплавленный материал ядра проходят только волны, называемые продольными, они вызывают сжатие и растяжение среды, через которую проходят, как и привычные нам звуковые волны в воздухе. Их движение напоминает перемещение червяка, сжимающегося и растягивающегося вдоль продольной оси.
Волны другого вида - поперечные - через расплав не проходят, а затухают на границе земного ядра. В этих волнах происходит колебание частиц горных пород перпендикулярно направлениям распространения волн. Такие колебания можно сравнить с движением змеи, извивающейся по поверхности поперек направления движения. Поперечные волны, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверз-вниз все находящееся на земле, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твёрдой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной, на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее «разгуляться», что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов .

В однородной изотропной идеально-упругой твёрдой среде вдали от границ раздела, в т.ч. вдали от поверхности Земли, могут распространяться сейсмические волн только двух типов: продольные (Р) и поперечные (S). Продольные сейсмические волны переносят изменения объёма (сжатия и растяжения) в среде. Движения частиц в них совершаются параллельно направлению распространения волны, а деформации представляют собой суперпозицию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. Поперечные сейсмические волн не образуют в среде объёмных изменений, движения частиц в них происходят перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. Скорость продольных Vp и поперечных Vs волн определяется формулами:

Vp= (k + 4/3m)/r, Vs= m/r,
где к - модуль всестороннего сжатия,
m - модуль сдвига,
r - плотность.
Скорость продольных волн примерно в 3 раз больше скорости поперечных волн. Волны Р и S распространяются из источника по объёму Земли (объёмные волны). Их амплитуда для однородной и изотропной среды убывает обратно пропорционально расстоянию от источника.
На границах раздела и других неоднородностях в Земле наблюдаются явления отражения, преломления и обмена типов сейсмических волн. Вблизи границ возникают и распространяются поверхностные волны Рэлея и Лява. Первые являются суперпозицией неоднородных продольных и поперечных сейсмических волн, вторые - только поперечных. Волны, Рэлея возникают в присутствии одной границы раздела (поверхности Земли), Лява - двух и более. В Земле скорость поверхностных волн меньше скорости поперечных волн и зависит от частоты. Амплитуда волн Рэлея и Лява убывает приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до источника.

Очень важны свойства разных групп и типов сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага (гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра землетрясения по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важны различия в скоростях отдельных групп и типов волн. Поверхностные волны распространяются медленнее объемных и, следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями. Очевидцы нередко «слышат» землетрясение в буквальном смысле слова. Продольные волны сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц) они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением.