Продольная сейсмическая волна. Поверхностные сейсмические волны

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.

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.

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 эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объём данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км - это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить её на 8. Но на телесейсмических [неизвестный термин ] дистанциях этот способ не подходит, потому что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость .

Амплитуда сейсмической волны

Напишите отзыв о статье "Сейсмическая волна"

Примечания

Ссылки

eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html

Е. Ф. Саваренский, Междуведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству. Наука, 1983 - Всего страниц: 223

Отрывок, характеризующий Сейсмическая волна

Увидав успокоение своего tres gracieux souverain, Мишо тоже успокоился, но на прямой существенный вопрос государя, требовавший и прямого ответа, он не успел еще приготовить ответа.
– Sire, me permettrez vous de vous parler franchement en loyal militaire? [Государь, позволите ли вы мне говорить откровенно, как подобает настоящему воину?] – сказал он, чтобы выиграть время.
– Colonel, je l"exige toujours, – сказал государь. – Ne me cachez rien, je veux savoir absolument ce qu"il en est. [Полковник, я всегда этого требую… Не скрывайте ничего, я непременно хочу знать всю истину.]
– Sire! – сказал Мишо с тонкой, чуть заметной улыбкой на губах, успев приготовить свой ответ в форме легкого и почтительного jeu de mots [игры слов]. – Sire! j"ai laisse toute l"armee depuis les chefs jusqu"au dernier soldat, sans exception, dans une crainte epouvantable, effrayante… [Государь! Я оставил всю армию, начиная с начальников и до последнего солдата, без исключения, в великом, отчаянном страхе…]
– Comment ca? – строго нахмурившись, перебил государь. – Mes Russes se laisseront ils abattre par le malheur… Jamais!.. [Как так? Мои русские могут ли пасть духом перед неудачей… Никогда!..]
Этого только и ждал Мишо для вставления своей игры слов.
– Sire, – сказал он с почтительной игривостью выражения, – ils craignent seulement que Votre Majeste par bonte de c?ur ne se laisse persuader de faire la paix. Ils brulent de combattre, – говорил уполномоченный русского народа, – et de prouver a Votre Majeste par le sacrifice de leur vie, combien ils lui sont devoues… [Государь, они боятся только того, чтобы ваше величество по доброте души своей не решились заключить мир. Они горят нетерпением снова драться и доказать вашему величеству жертвой своей жизни, насколько они вам преданы…]
– Ah! – успокоенно и с ласковым блеском глаз сказал государь, ударяя по плечу Мишо. – Vous me tranquillisez, colonel. [А! Вы меня успокоиваете, полковник.]
Государь, опустив голову, молчал несколько времени.
– Eh bien, retournez a l"armee, [Ну, так возвращайтесь к армии.] – сказал он, выпрямляясь во весь рост и с ласковым и величественным жестом обращаясь к Мишо, – et dites a nos braves, dites a tous mes bons sujets partout ou vous passerez, que quand je n"aurais plus aucun soldat, je me mettrai moi meme, a la tete de ma chere noblesse, de mes bons paysans et j"userai ainsi jusqu"a la derniere ressource de mon empire. Il m"en offre encore plus que mes ennemis ne pensent, – говорил государь, все более и более воодушевляясь. – Mais si jamais il fut ecrit dans les decrets de la divine providence, – сказал он, подняв свои прекрасные, кроткие и блестящие чувством глаза к небу, – que ma dinastie dut cesser de rogner sur le trone de mes ancetres, alors, apres avoir epuise tous les moyens qui sont en mon pouvoir, je me laisserai croitre la barbe jusqu"ici (государь показал рукой на половину груди), et j"irai manger des pommes de terre avec le dernier de mes paysans plutot, que de signer la honte de ma patrie et de ma chere nation, dont je sais apprecier les sacrifices!.. [Скажите храбрецам нашим, скажите всем моим подданным, везде, где вы проедете, что, когда у меня не будет больше ни одного солдата, я сам стану во главе моих любезных дворян и добрых мужиков и истощу таким образом последние средства моего государства. Они больше, нежели думают мои враги… Но если бы предназначено было божественным провидением, чтобы династия наша перестала царствовать на престоле моих предков, тогда, истощив все средства, которые в моих руках, я отпущу бороду до сих пор и скорее пойду есть один картофель с последним из моих крестьян, нежели решусь подписать позор моей родины и моего дорогого народа, жертвы которого я умею ценить!..] Сказав эти слова взволнованным голосом, государь вдруг повернулся, как бы желая скрыть от Мишо выступившие ему на глаза слезы, и прошел в глубь своего кабинета. Постояв там несколько мгновений, он большими шагами вернулся к Мишо и сильным жестом сжал его руку пониже локтя. Прекрасное, кроткое лицо государя раскраснелось, и глаза горели блеском решимости и гнева.
– Colonel Michaud, n"oubliez pas ce que je vous dis ici; peut etre qu"un jour nous nous le rappellerons avec plaisir… Napoleon ou moi, – сказал государь, дотрогиваясь до груди. – Nous ne pouvons plus regner ensemble. J"ai appris a le connaitre, il ne me trompera plus… [Полковник Мишо, не забудьте, что я вам сказал здесь; может быть, мы когда нибудь вспомним об этом с удовольствием… Наполеон или я… Мы больше не можем царствовать вместе. Я узнал его теперь, и он меня больше не обманет…] – И государь, нахмурившись, замолчал. Услышав эти слова, увидав выражение твердой решимости в глазах государя, Мишо – quoique etranger, mais Russe de c?ur et d"ame – почувствовал себя в эту торжественную минуту – entousiasme par tout ce qu"il venait d"entendre [хотя иностранец, но русский в глубине души… восхищенным всем тем, что он услышал] (как он говорил впоследствии), и он в следующих выражениях изобразил как свои чувства, так и чувства русского народа, которого он считал себя уполномоченным.
– Sire! – сказал он. – Votre Majeste signe dans ce moment la gloire de la nation et le salut de l"Europe! [Государь! Ваше величество подписывает в эту минуту славу народа и спасение Европы!]
Государь наклонением головы отпустил Мишо.

В то время как Россия была до половины завоевана, и жители Москвы бежали в дальние губернии, и ополченье за ополченьем поднималось на защиту отечества, невольно представляется нам, не жившим в то время, что все русские люди от мала до велика были заняты только тем, чтобы жертвовать собою, спасать отечество или плакать над его погибелью. Рассказы, описания того времени все без исключения говорят только о самопожертвовании, любви к отечеству, отчаянье, горе и геройстве русских. В действительности же это так не было. Нам кажется это так только потому, что мы видим из прошедшего один общий исторический интерес того времени и не видим всех тех личных, человеческих интересов, которые были у людей того времени. А между тем в действительности те личные интересы настоящего до такой степени значительнее общих интересов, что из за них никогда не чувствуется (вовсе не заметен даже) интерес общий. Большая часть людей того времени не обращали никакого внимания на общий ход дел, а руководились только личными интересами настоящего. И эти то люди были самыми полезными деятелями того времени.

Объемные волны и поверхностные волны

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. Она имеет тенденцию к росту по мере углубления, в верхней части земной коры составляет 2-8 км/с, а при погружении до уровня мантии - 13 км/с.

Частота волн низкая, она колеблется от 2 до 50 герц.

В сейсмологии изучение сейсмических волн представляет самостоятельный фундаментальный интерес, а в сейсморазведке волны от искусственных источников направляются на интересующие геологические границы для их прослеживания.

Типы сейсмических волн

Объёмные волны

P-волны

P-волны (первичные волны) - продольные, или компрессионные волны. Похожи на звуковые волны - частицы испытывают колебания вперёд и назад вдоль линии распространения 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. На нижней стороне границы Мохоровичича скорость P-волн приблизительно равна 8100 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 13600 м/с .

S-волны

S-волны (вторичные волны) - поперечные волны. Частицы среды испытывают колебания перпендикулярно линии распространения волны . Жидкости не пропускают S-волны , это является одной из причин того, что землетрясение на корабле в море ощущается в виде вертикального толчка, словно корабль натолкнулся на подводный объект . На нижней стороне границы Мохоровичича скорость S-волн приблизительно равна 4400 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 7300 м/с .

Поверхностные волны

Поверхностные волны бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява . В волнах Лява частицы колеблются в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны. В волнах Рэлея частицы движутся по эллипсам вперед-вверх-назад-вниз относительно направления распространения волны. Поверхностная волна распространяется медленнее S-волны, при этом волна Лява быстрее волны Рэлея .

P- и S-волны в мантии и ядре

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

Амплитуда сейсмической волны

Амплитудой сейсмической упругой волны является максимальное значение смещения колеблющейся частицы горной породы относительно равновесного состояния. В зависимости от типа приёмника сейсмических колебаний амплитуда может быть равна максимальной скорости или ускорению колеблющихся частиц. После преобразования в приёмниках сейсмический сигнал становится электрическим, поэтому амплитуда выражается уже в мВ или в единицах АЦП . Эталона сейсмической волны в настоящее время не существует, поэтому вопрос об единице измерения амплитуды остаётся открытым и она полагается безразмерной.

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.

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

Объёмные волны

P-волны

S-волны

Поверхностные волны

P- и S-волны в мантии и ядре

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

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 .

Сейсмическая волна

Объемные волны и поверхностные волны

Сейсмические волны - волны энергии, которые путешествуют по земле или другим упругим телам в результате процесса, производящего низкочастотную акустическую энергию (землетрясение, взрыв и т. д.). Сейсмические волны изучаются сейсмологами и геофизиками. Их изучают при помощи сейсмографа , геофона, гидрофона или акселерометра .

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.

Землетрясения создают разные типы сейсмических волн с разной скоростью. Волна фиксируется на ряде сейсмологических станций, и по разнице во времени учёные вычисляют эпицентр. В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для изучения глубин Земли, искусственные волны используются для исследования подземных структур.

Типы сейсмических волн

Объёмные волны

Они 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

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 геодезические 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 эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объем данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км - это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить ее на 8. Но на телесейсмических дистанциях этот способ не подходит потому, что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость .