Поздовжня сейсмічна хвиля. Поверхневі сейсмічні хвилі

Гірські породи Землі мають пружні властивості, і це змушує їх деформуватися і вібрувати під дією прикладених сил стиснення і розтягування. Виходячи з цього існує лише три типи сейсмічних хвиль. З них лише два типи поширюються всередині об'єму гірських порід. Більш швидкі з цих об'ємних хвиль називаються первинними (Р) або поздовжніми хвилями. катастрофа лід сейсмічний хвиля

Хвилі першого типу називаються поздовжніми (або хвилями стиснення або розтягування) або P-хвилями ( ppima) - при землетрусах та вибухах вони приходять першими. Хвилі другого типу, що приходять пізніше, називаються поперечними або S-хвилями ( sekonda). P-хвиля поширюється зі швидкістю

V p= v(л+2м)/с ,

а S-хвиля - зі швидкістю

Vs= vм/с ,

де лі µ - Пружні постійні середовища, а p - Її щільність. Максимальна швидкість поперечної хвилі у твердому середовищі

V s = 0,7 V p,

а в рідинах та газах S-хвиля не поширюється взагалі.

Їх рух має той самий характер, що й у звукових хвиль, тобто при своєму поширенні вони поперемінно тиснуть на гірські породи - стискають їх або створюють розрідження - розтягують їх. Ці Р-хвилі, подібно до звукових хвиль, здатні проходити і через тверді породи, наприклад гранітні гірські масиви, і через рідини, такі як вулканічна магма або вода океанів. Слід зазначити, що через схожість цих хвиль зі звуковими частинами Р-хвиль, виходячи з глибин Землі до її поверхні, може передаватися в атмосферу у вигляді звукових хвиль, що сприймаються тваринами і людьми, якщо їх частота виявиться в інтервалі чутності. Повільніші хвилі, що проходять через гірські породи, називаються вторинними (S) або поперечними хвилями.

При своєму поширенні вони зрушують частинки речовини убік, під прямим кутом до напрямку свого шляху. Просте спостереження ясно показує, що якщо якийсь об'єм рідини зрушити убік або повернути, він не повернеться потім на колишнє місце. З цього випливає, що поперечні хвилі не можуть проходити через ділянки Землі, які складаються з рідини, наприклад через океани.

Фактична швидкість поздовжніх та поперечних сейсмічних хвиль залежить від щільності та пружних властивостей гірських порід та ґрунтів, через які ці хвилі проходять. Найчастіше при землетрусах поздовжні хвилі відчуваються першими. Їхня дія схожа на удар повітряної хвилі, яка створює гуркіт і тріск скла у вікнах. Через кілька секунд приходять поперечні хвилі, які розгойдують все на своєму шляху вгору-вниз і з боку в бік і зміщують поверхню ґрунту як по вертикалі, так і по горизонталі. Саме ці коливання і призводять до найбільшого пошкодження будівель.

Поверхневі хвиліпоширюються вздовж земної поверхні або паралельно до неї і не проникають глибше 80-160 км. У цій групі виділяються хвилі Релея та хвилі Лява (названі за іменами вчених, які розробили математичну теорію поширення таких хвиль). При проходженні хвиль Релея частинки породи описують вертикальні еліпси, що лежать у осередковій площині. У хвилях Лява частинки породи коливаються перпендикулярно до напряму поширення хвиль. Поверхневі хвилі часто позначаються скорочено як L-хвилі. Швидкість їхнього поширення становить 3,2-4,4 км/с. При глибокофокусних землетрусах поверхневі хвилі дуже слабкі. Амплітуда та період характеризують коливальні рухи сейсмічних хвиль. Амплітудою називається величина, на яку змінюється положення частинки ґрунту при проходженні хвилі в порівнянні з станом спокою, що передував. Період коливань - проміжок часу, протягом якого відбувається одне повне коливання частки. Поблизу вогнища землетрусу спостерігаються коливання з різними періодами – від часток секунди до кількох секунд. Однак на великих відстанях від центру (сотні кілометрів) короткоперіодні коливання виражені слабше: для Р-хвиль характерні періоди від 1 до 10 с, а для S-хвиль - трохи більше. Періоди поверхневих хвиль становлять від кількох секунд до кількох сотень секунд. Амплітуди коливань можуть бути значними поблизу вогнища, проте на відстанях 1500 км і більше вони дуже малі - менше кількох мікронів для хвиль Р і S і менше 1 см - поверхневих хвиль.

Поверхневі хвилі, створювані землетрусами, поділяються на два види. Перший називається хвилями Лява. Ці хвилі по суті те саме, що поперечні хвилі без вертикальних зсувів; вони змушують частинки ґрунту коливатися з боку в бік у горизонтальній площині, паралельної поверхні Землі, але під прямим кутом напряму свого поширення. Вплив хвиль Лява полягає в горизонтальних коливаннях, які передаються основам будівель і, отже, можуть спричинити руйнування. Другий вид поверхневих хвиль відомий під назвою хвиль Релея. Як і у звичайних морських хвилях, частинки матеріалу, захопленого хвилями Релея, рухаються по вертикалі та по горизонталі у вертикальній площині, орієнтованій за напрямом поширення хвиль. Як показано кожна частка породи при проходженні хвилі рухається еліпсом. Поверхневі хвилі поширюються повільніше, ніж об'ємні, і двох видів поверхневих хвиль зазвичай хвилі Лява приходять швидше, ніж Релея. Таким чином, коли з вогнища землетрусу хвилі розходяться в різні сторонив земної кори, можна передбачити, яким саме чином відокремляться один від одного різні типи хвиль. Хвилі Лява вертикальними приладами не записуються. Оскільки хвилі Релея містять вертикальну складову, вони можуть впливати на воду, наприклад в озерах, тоді як хвилі Лява, які не проходять через воду, діють тільки на прибережні частини озер і океанських заток, змушуючи воду зміщуватися взад-вперед і перемішуватися, як у стінок вібруючого бака.

Об'ємні хвиліволодіють і іншою властивістю, що впливає на вироблені ними струси: при розповсюдженні через пласти гірських порід земної кори вони відбиваються від кордонів між породами різного типу або переломлюються на цих межах. Крім того, яка б хвиля не відчувала відображення або заломлення, частина енергії хвиль одного типу йде на утворення хвиль іншого типу. Візьмемо простий приклад: поздовжня хвиля підходить знизу до підошви шару алювію; при цьому частина енергії передаватиметься вгору у вигляді поздовжньої хвилі (Р), а частина перетвориться на поперечні коливання (S) (ще одна частина енергії відобразиться назад вниз у вигляді Р і S хвиль). Зі сказаного стає зрозуміло, чому на суші після перших поштовхів при сильних коливаннях ґрунту зазвичай відчувають хвилі двох видів. Але якщо під час землетрусу ви опинитеся в морі, то відчуєте, що судно сприймає лише один вид коливань, що передається Р-хвилями, оскільки S-хвилі не проходять через воду. Той самий ефект виникає, коли при сейсмічних коливаннях у піщаних шарах відбувається розрідження. Енергія поперечних хвиль, що проходять через розріджені шари, поступово зменшується, і, зрештою, проходять лише поздовжні хвилі. Коли Р- і S-хвилі досягають поверхні ґрунту, більша частина їхньої енергії відбивається назад у земну кору, так що на поверхню майже одночасно впливають хвилі, що рухаються і вгору, і вниз. Тому поблизу поверхні, як правило, відбувається значне посилення коливань: іноді їх амплітуда вдвічі перевищує амплітуду хвиль, що приходять. Це при поверхневому збільшенні амплітуди посилює руйнування, що виробляються на поверхні Землі. Справді, при багатьох землетрусах гірники відзначали в підземних виробленнях коливання слабші, ніж відчували люди на поверхні. І останнє, що варто сказати тут із приводу сейсмічних хвиль. Є переконливі докази - як спостерігалися практично, і теоретичні, - що у сейсмічні хвилі діють і ґрунтові умови, і рельєф місцевості.

Відображення та заломлення. Зустрічаючи на своєму шляху шари порід з властивостями, що відрізняються, сейсмічні хвилі відбиваються або заломлюються подібно до того, як промінь світла відбивається від дзеркальної поверхні або заломлюється, переходячи з повітря у воду. Будь-які зміни пружних характеристикабо щільності матеріалу на шляху поширення сейсмічних хвиль змушують їх переломлюватися, а при різких змінах властивостей середовища частина енергії хвиль відбивається.

Шляхи сейсмічних хвиль. Поздовжні та поперечні хвилі поширюються в товщі Землі, при цьому безперервно збільшується обсяг середовища, що залучається до коливальний процес. Поверхня, що відповідає максимальному просуванню хвиль певного типу в даний момент, називається фронтом цих хвиль. Оскільки модуль пружності середовища зростає з глибиною швидше, ніж її щільність (до глибини 2900 км), швидкість поширення хвиль на глибині вище, ніж поблизу поверхні, і фронт хвилі виявляється більш просунутим углиб, ніж у латеральному напрямку. Траєкторією хвилі називається лінія, що з'єднує точку, що знаходиться на фронті хвилі, з джерелом хвилі. Напрями поширення хвиль Р і S є криві, звернені опуклістю вниз (через те, що швидкість руху хвиль більше на глибині). Траєкторії хвиль Р і S збігаються, хоча перші поширюються швидше. Сейсмічні станції, що знаходяться далеко від епіцентру землетрусу, реєструють не тільки прямі хвилі Р і S, але також хвилі цих типів, вже відбиті один раз від поверхні Землі - РР і SS (або РR1 і SR1), а іноді - двічі відбиті - РРР і SSS (або РR2 та SR2). Існують також відбиті хвилі, які проходять один відрізок шляху як Р-хвиля, а другий, після відбиття - як S-хвиля. Обмінні хвилі, що утворюються, позначаються як РS або SР. На сейсмограмах глибокофокусних землетрусів спостерігаються також інші типи відбитих хвиль, наприклад, хвилі, які, перш ніж досягти реєструючої станції, відбилися від Землі. Їх прийнято позначати маленькою літерою, за якою слідує заголовна (наприклад, рR). Ці хвилі дуже зручно використовуватиме визначення глибини вогнища землетрусу.

На глибині 2900 км швидкість P-хвиль різко знижується від >13 км/с до ~8 км/с; а S-хвилі не поширюються нижче цього рівня, що відповідає межі земного ядра та мантії. Обидва типи хвиль частково відбиваються від цієї поверхні, і деяка кількість їхньої енергії повертається до поверхні у вигляді хвиль, що позначаються як РсР і SсS. Р-хвилі проходять крізь ядро, та їх траєкторія у своїй різко відхиляється і поверхні Землі виникає тіньова зона, не більше якої реєструються лише дуже слабкі Р-хвилі. Ця зона починається з відривом ок. 11 тис. км від сейсмічного джерела, а вже на відстані 16 тис. км Р-хвилі знову з'являються, причому їхня амплітуда значно зростає через фокусуючий вплив ядра, де швидкості хвиль низькі. Р-хвилі, що пройшли крізь земне ядро, позначаються РКР або Рв. На сейсмограмах добре виділяються також хвилі, які по шляху від джерела до ядра йдуть як хвилі S, потім проходять крізь ядро як хвилі Р, а при виході хвилі знову перетворюються на тип S. У самому центрі Землі, на глибині понад 5100 км, існує внутрішнє ядро, що знаходиться імовірно у твердому стані, але природа його поки що не цілком зрозуміла. Хвилі, що проникають крізь це внутрішнє ядро, позначаються як РКІКР або SКIКS.

Сейсмічні хвилі- хвилі, що переносять енергію пружних (механічних) коливань у гірських породах. Джерелом сейсмічної хвилі може бути землетрус, вибух, вібрація чи удар. Сейсмічні хвилі вивчаються в сейсмології та розвідувальній геофізиці. Для запису коливань, що викликаються сейсмічними хвилями, застосовуються автономні сейсмореєстратори або приймачі, підключені до сейсмостанцій. Швидкість поширення хвиль залежить від щільності та пружності середовища. Швидкість має тенденцію до зростання у міру поглиблення, у земній корі вона становить 2-8 км/с, а при заглибленні до мантії – 13 км/с. У сейсмології вивчення сейсмічних хвиль представляє самостійний фундаментальний інтерес, а в сейсморозвідці хвилі від штучних джерел прямують на геологічні межі, що цікавлять, для їх простеження.

Типи сейсмічних хвиль

Є два основні типи: об'ємні хвилі та поверхневі хвилі. Крім описаних нижче є й інші, менш значимі типи хвиль, які навряд можна зустріти Землі, але мають важливого значення в астросейсмології .

Об'ємні хвилі

Об'ємні хвилі проходять через надра Землі. Шлях хвиль заломлюється різною щільністю та твердістю підземних порід.

P-хвилі

P-хвилі(Первинні хвилі) - поздовжні, або компресійні хвилі. Зазвичай їх швидкість у два рази швидше за S-хвиль, проходити вони можуть через будь-які матеріали. У повітрі вони набувають форми звукових хвиль, і, відповідно, їх швидкість стає рівної швидкостізвуку. Стандартна швидкість P-хвиль - 330 м/с у повітрі, 1 450 м/с у воді та 5 000 м/с у граніті.

S-хвилі

S-хвилі(Вторинні хвилі) - поперечні хвилі. Вони показують, що земля зміщується перпендикулярно напряму поширення. У разі горизонтально поляризованих S-хвиль земля рухається то в один бік, то в інший поперемінно. Хвилі цього можуть діяти лише у твердих тілах.

Поверхневі хвилі

Поверхневі хвилі дещо схожі на хвилі води, але, на відміну від них, вони подорожують земною поверхнею. Їх звичайна швидкість значно нижча за швидкість хвиль тіла. Через свою низьку частоту, час дії та великої амплітудивони є найбільш руйнівними з усіх типів сейсмічних хвиль. Вони бувають двох типів: хвилі Релея та хвилі Лява.

P- та S-хвилі в мантії та ядрі

Коли відбувається землетрус, сейсмографи поблизу епіцентру записують S- та P-хвилі. Але на великих відстанях виявити високі частоти першої S-хвилі неможливо. Оскільки поперечні хвилі не можуть проходити через рідини, на підставі цього явища Річард Діксон Олдхем висунув припущення, що Земля має рідке зовнішнє ядро. З цього виду дослідження надалі було висунуто припущення, що в Місяця тверде ядро, але недавні геофізичні дослідження показують, що ще розплавлено.

Використання P- та S-хвиль для локації землетрусу

У разі локальних або прилеглих землетрусів різниця прибуття P- та S-хвиль може використовуватися для виявлення дистанції від події. У разі глобальних землетрусів чотири або більше спостережних станцій, синхронізованих за часом, записують час прибуття P-хвиль. На основі цих даних можна обчислити епіцентр у будь-якій точці планети. Для визначення гіпоцентру використовується більший обсяг даних (десятки або сотні записів прибуття P-хвиль із сейсмічних станцій).

Найпростіший спосіб дізнатися місце землетрусу в радіусі 200 км - це розрахувати різницю в прибутті P-і S-хвиль в секундах і помножити її на 8. Але на телесейсмічних невідомий терміндистанціях цей спосіб не підходить, тому що висока ймовірність того, що сейсмічні хвилі заглибилися до мантії Землі і переломилися, змінивши свою швидкість.

Амплітуда сейсмічної хвилі

Напишіть відгук про статтю "Сейсмічна хвиля"

Примітки

Посилання

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

Е. Ф. Саваренський, Міжвідомча рада з сейсмології та сейсмостійкого будівництва. Наука, 1983 - Всього сторінок: 223

Уривок, що характеризує Сейсмічна хвиля

Побачивши заспокоєння свого tres gracieux souverain, Мішо теж заспокоївся, але на пряме суттєве питання государя, який вимагав і прямої відповіді, він ще не встиг приготувати відповіді.
- Sire, me permettrez vous de vous parler franchement en loyal militaire? [Пане, чи дозволите ви мені говорити відверто, як личить справжньому воїну?] – сказав він, щоб виграти час.
- Colonel, je l'exige toujours, - сказав государ. [Полковнику, я завжди цього вимагаю… Не приховуйте нічого, я неодмінно хочу знати всю істину.]
- Sire! – сказав Мішо з тонкою, трохи помітною усмішкою на губах, встигнувши приготувати свою відповідь у формі легкого та шанобливого jeu de mots. - Sire! j'ai laisse toute l'armee depuis les chefs jusqu'au dernier soldat, sans exception, dans une crainte epouvantable, effrayante… [Государ! Я залишив всю армію, починаючи з начальників і до останнього солдата, Без винятку, у великому, відчайдушному страху ...]
- Comment ca? – суворо насупившись, перебив государ. – Mes Russes se laisseront ils abattre par le malheur… Jamais!.. [Як так? Мої росіяни чи можуть впасти духом перед невдачею… Ніколи!..]
На це тільки й чекав Мішо для вставлення своєї гри слів.
- Sire, - сказав він з шанобливою грайливістю виразу, - ils craignent seulement que Votre Majeste par bonte de cur ne se laisse persuader de faire la paix. Ils brulent de combattre, – говорив уповноважений російського народу, – et de prouver a Votre Majeste par le sacrifice de leur vie, combien ils lui sont devoues… . Вони горять нетерпінням знову битися і довести вашу величність жертвою свого життя, наскільки вони вам віддані…]
– Ah! - заспокоєно і з лагідним блиском очей сказав государ, ударяючи по плечу Мішо. - Vous me tranquillisez, colonel. [А! Ви мене заспокоюєте, полковнику.]
Пан, опустивши голову, мовчав кілька часу.
- Eh bien, retournez a l'armee, [Ну, так повертайтесь до армії.] - сказав він, випрямляючись на весь зріст і з ласкавим і величним жестом звертаючись до Мішо, - et dites a nos braves, dites a tous mes bons sujets partout ou vous passerez, що якщо я '"aurais plus aucun soldat, я 'м'ю mettrai мої 'meme, а tete de ma chere noblesse, de mes bons paysans et j"userai ainsi jusqu"a la derniere ressource de mon empire. — казав государ, все більше і більше надихаючись. очі до неба, – що мама династія тримає cesser de rogner sur le tron de mes ancetres, alors, apres avoir epuise tous les moyens qui sont en mon pouvoir, je me laisserai croitre la barbe jusqu"ici (государ показав рукою на половину грудей) , 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!.. , скрізь, де ви проїдете, що, коли в мене не буде більше жодного солдата, я сам стану на чолі моїх люб'язних дворян і добрих мужиків і виснажу таким чином останні засоби моєї держави. призначено було божественним провидінням, щоб династія наша перестала царювати на престолі моїх предків, тоді, виснаживши всі кошти, які в моїх руках, я відпущу бороду досі і скоріше піду їсти одну картопля з останньою з моїх селян, ніж наважуся підписати ганьбу моєї батьківщини. і мого дорогого народу, жертви якого я вмію цінувати!..] Сказавши ці слова схвильованим голосом, государ раптом обернувся, ніби бажаючи приховати від Мішо сльози, що виступили йому на очі, і пройшов у глиб свого кабінету. Постоявши там кілька миттєвостей, він великими крокамиповернувся до Мішо і сильним жестом стиснув його руку нижче ліктя. Прекрасне, лагідне обличчя государя почервоніло, і очі горіли блиском рішучості та гніву.
— Colonel Michaud, я можу сказати, що я можу сказати, що я маю на увазі нову нову леппеллерону в плазмі… Napoleon ou moi, — сказав пан, торкаючись грудей. – Nous ne pouvons plus regner ensemble. [Полковник Мішо, не забудьте, що я вам сказав тут; може, ми коли-небудь згадаємо про це із задоволенням... Наполеон чи я... Ми більше не можемо царювати разом. Я впізнав його тепер, і він мене більше не обдурить ...] - І государ, насупившись, замовк. себе в цю урочисту хвилину - entousiasme par tout ce qu'il venait d'entendre [хоча іноземець, але російська в глибині душі ... захопленим усім тим, що він почув] (як він говорив згодом), і він у наступних виразах зобразив як свої почуття, і почуття російського народу, якого вважав себе уповноваженим.
- Sire! - Сказав він. – Votre Majeste signe dans ce moment la gloire de la nation et le salut de l'Europe!
Пан нахилом голови відпустив Мішо.

У той час як Росія була до половини завойована, і жителі Москви бігли в далекі губернії, і ополчення за ополченням піднімалося на захист батьківщини, мимоволі представляється нам, що не жили в той час, що всі російські люди від малого до великого були зайняті тільки тим, щоб жертвувати собою, рятувати батьківщину чи плакати над її смертю. Розповіді, описи того часу всі без винятку говорять тільки про самопожертву, любов до батьківщини, розпач, горе та геройство росіян. Насправді це так не було. Нам здається це тільки тому, що ми бачимо з минулого загальний історичний інтерес на той час і бачимо всіх тих особистих, людських інтересів, які були в людей на той час. А тим часом насправді ті особисті інтереси сьогодення настільки значніші за спільні інтереси, що через них ніколи не відчувається (зовсім не помітний навіть) інтерес загальний. Більшість людей того часу не звертали жодної уваги на спільний хідсправ, а керувалися лише особистими інтересами сьогодення. І ці люди були найкориснішими діячами того часу.

Об'ємні хвилі та поверхневі хвилі

Сейсмічні хвилі вивчаються в сейсмології та розвідувальній геофізиці. Для запису коливань, що викликаються сейсмічними хвилями, застосовуються автономні сейсмореєстратори або приймачі, підключені до сейсмостанцій.

Швидкість поширення хвиль залежить від щільності та пружності середовища. Вона має тенденцію до зростання в міру поглиблення, у верхній частині земної кори становить 2-8 км/с, а занурення до рівня мантії - 13 км/с.

Частота хвиль низька, вона коливається від 2 до 50 герц.

У сейсмології вивчення сейсмічних хвиль представляє самостійний фундаментальний інтерес, а в сейсморозвідці хвилі від штучних джерел прямують на геологічні межі, що цікавлять, для їх простеження.

Типи сейсмічних хвиль

Об'ємні хвилі

P-хвилі

P-хвилі(Первинні хвилі) - поздовжні, або компресійні хвилі. Схожі на звукові хвилі-частки відчувають коливання вперед і назад уздовж лінії розповсюдження хвилі. Зазвичай їх швидкість у два рази швидше за S-хвиль, проходити вони можуть через будь-які матеріали. У повітрі вони набувають форми звукових хвиль, і, відповідно, їх швидкість стає рівною швидкості звуку. Стандартна швидкість P-хвиль - 330 м/с у повітрі, 1 450 м/с у воді та 5 000 м/с у граніті. На нижній стороні кордону Мохоровичича швидкість P-хвиль приблизно дорівнює 8100 м/с, а в районі кордону мантія-ядро досягає 13600 м/с.

S-хвилі

S-хвилі(Вторинні хвилі) - поперечні хвилі. Частинки середовища відчувають коливання перпендикулярно до лінії поширення хвилі. Рідини не пропускають S-хвилі, це є однією з причин того, що землетрус на кораблі в морі відчувається у вигляді вертикального поштовху, ніби корабель натрапив на підводний об'єкт. На нижній стороні кордону Мохоровича швидкість S-хвиль приблизно дорівнює 4400 м/с, а в районі кордону мантія-ядро досягає 7300 м/с .

Поверхневі хвилі

Поверхневі хвилі дещо схожі на хвилі води, але, на відміну від них, вони подорожують земною поверхнею. Їх звичайна швидкість значно нижча за швидкість хвиль тіла. Через свою низьку частоту, час дії і велику амплітуду вони є найбільш руйнівними з усіх типів сейсмічних хвиль.

Поверхневі хвилі бувають двох типів: хвилі Релея та хвилі Лява. У хвилях Лява частинки коливаються в горизонтальній площині перпендикулярно до напряму поширення хвилі. У хвилях Релея частинки рухаються еліпсами вперед-вгору-назад-вниз щодо напряму поширення хвилі. Поверхнева хвиля поширюється повільніше за S-хвилі, при цьому хвиля Лява швидше за хвилю Релея.

P- та S-хвилі в мантії та ядрі

Використання P- та S-хвиль для локації землетрусу

Найпростіший спосіб дізнатися місце землетрусу в радіусі 200 км - це розрахувати різницю в прибутті P-і S-хвиль в секундах і помножити її на 8. Але на телесейсмічних невідомий термін дистанціях цей спосіб не підходить, тому що висока ймовірність того, що сейсмічні хвилі заглибилися до мантії Землі і переломилися, змінивши свою швидкість.

Амплітуда сейсмічної хвилі

Амплітудою сейсмічної пружної хвилі є максимальне значення зміщення частинки гірської породи, що коливається, відносно рівноважного стану. Залежно від типу приймача сейсмічних коливань амплітуда може дорівнювати максимальній швидкості або прискоренню частинок, що коливаються. Після перетворення в приймачах сейсмічний сигнал стає електричним, тому амплітуда виражається вже мВ або одиницях АЦП . Еталону сейсмічної хвилі нині немає, тому питання одиниці виміру амплітуди залишається відкритим і вона вважається безрозмірною.

Залежно від полярності сейсмічного імпульсу амплітуда хвилі може мати позитивне або негативне значення. Імпульс з позитивною амплітудою має полярність (порядок проходження фаз) такий самий як і у хвилі, що створюється безпосередньо джерелом, а імпульс з негативною амплітудою - протилежний.

Енциклопедичний YouTube

1 / 3

Сейсмічні хвилі

What Is Earthquake | Seismic Waves | P and S Waves

Love Wave (seismic)

Субтитри

У цьому відео я хочу трохи обговорити сейсмічні хвилі. Запишемо тему. По-перше, вони дуже цікаві власними силами і, по-друге, дуже важливі розуміння будови Землі. Ви вже бачили моє відео про шарах Землі , І саме завдяки сейсмічним хвиль ми зробили висновок, з яких верств складається наша планета. І хоча зазвичай сейсмічні хвилі асоціюються із землетрусами, насправді це будь-які хвилі, що подорожують землею. Вони можуть виникнути від землетрусу, сильного вибуху, будь-чого, що здатне послати багато енергії прямо в землю і камінь. Отже, існують два основні типи сейсмічних хвиль. І ми більше зосередимося на одному з них. Перший – поверхневі хвилі. Запишемо. Другий – об'ємні хвилі. Поверхневі хвилі - це просто хвилі, що розповсюджуються по поверхні чогось. У нашому випадку на поверхні землі. Тут, на ілюстрації, видно, як виглядають поверхневі хвилі. Вони схожі на брижі, які можна побачити на поверхні води. Поверхневі хвилі бувають двох типів: хвилі Релея та хвилі Лява. Я не поширюватимусь, але тут видно, що хвилі Релея рухаються вгору і вниз. Ось тут земля рухається вгору-вниз. Тут рухається вниз. Тут – нагору. І тут – знову вниз. Схоже на хвилю, що біжить по землі. Хвилі Лява, у свою чергу, рухаються убік. Тобто, тут хвиля не рухається вгору-вниз, а, якщо подивитися в напрямку хвилі, вона рухається вліво. Тут рухається праворуч. Тут – ліворуч. Тут – знову вправо. В обох випадках рух хвилі перпендикулярно напрямку її переміщення. Іноді такі хвилі називають поперечними. І вони, як я вже казав, схожі на хвилі у воді. Набагато цікавіші об'ємні хвилі, тому що, по-перше, це найшвидші хвилі. І до того ж саме ці хвилі використовуються для вивчення структури землі. Об'ємні хвилі бувають двох типів. Є P-хвилі, або первинні хвилі. І S-хвилі, або вторинні. Їх можна побачити ось тут. Такі хвилі - це енергія, що переміщується всередині тіла. А не просто на його поверхні. Отже, на цьому малюнку, який я скачав з Вікіпедії, видно, як великим каменем б'ють молотком. І коли молоток потрапляє по каменю… Давайте я перемалюю більше. Тут у мене буде камінь і я б'ю його молотком. Він стисне камінь там, куди він потрапив. Тоді енергія від удару штовхне молекули, які врежуться в молекули по сусідству. І ці молекули вріжуться в молекули за ними, а ті, своєю чергою, в молекули поруч. Вийде, що ця стисла частина каменя рухається хвилею. Ось це - стислі молекули, вони врежуться в молекули поряд і тоді тут камінь стане щільнішим. Перші молекули, які почали весь рух, повернуться на місце. Тому стиск зрушився, і далі зрушить ще. Виходить хвиля стиснення. Ви б'єте сюди молотком і отримуєте мінливу щільність, яка рухається в напрямку хвилі. У нашому випадку молекули рухаються вперед і назад вздовж однієї осі. Паралельно напрямку хвилі. Це – Р-хвилі. Р-хвилі можуть поширюватися у повітрі. Фактично, звукові хвилі - це хвилі стискування. Вони можуть переміщатися як у рідинах, так і у твердих речовинах. І, залежно від середовища, вони рухаються із різними швидкостями. У повітрі вони рухаються зі швидкістю 330 м/с, що не так вже й повільно для повсякденного життя. У рідині вони рухаються на швидкості 1500 м/с. А в граніті, з якого складається більша частина поверхні Землі, вони рухаються на швидкості 5000 м/с. Давайте це запишу. 5000 метрів, або 5 км/с у граніті. А S-хвилі, зараз я намалюю, бо ця надто маленька. Якщо вдарити сюди молотком, сила удару тимчасово зрушить камінь убік. Він деформується і потягне за собою сусідню ділянку каменю. Потім цей камінь зверху буде втягнутий вниз, а камінь, яким спочатку вдарили, повернеться вгору. І приблизно через мілісекунду шар каменю зверху деформується вправо. І далі, з часом, деформація рухатиметься нагору. Зверніть увагу, що в цьому випадку хвиля теж рухається вгору. Але рух матеріалу тепер не паралельно осі, як у Р-хвилях, а перпендикулярно. Ці перпендикулярні хвилі називають поперечними коливаннями. Рух частинок перпендикулярно осі руху хвилі. Це і є S-хвилі. Вони рухаються трохи повільніше за Р-хвиль. Тому якщо раптом трапиться землетрус, спочатку ви відчуєте Р-хвилі. А потім, приблизно на 60% швидкості Р-хвиль прийдуть S-хвилі. Отже, розуміючи структури Землі важливо пам'ятати, що S-хвилі можуть рухатися лише у твердих речовинах. Запишемо це. Ви можете сказати, що бачили поперечні хвилі на воді. Але там були поверхневі хвилі. А ми обговорюємо об'ємні хвилі. Хвилі, що проходять усередині обсягу води. Щоб було простіше це уявити, я намалюю трохи води, скажімо, тут буде басейн. У розрізі. Ось якось так. Так, міг би і краще намалювати. Отже, тут буде басейн у розрізі, і я сподіваюся, що ви зрозумієте, що у ньому відбувається. І якщо я стисну частину води, наприклад, вдаривши по ній чимось дуже великим, щоб вода швидко стиснулася. Р-хвиля зможе рухатися, тому що молекули води вріжуться в молекули по сусідству, які вріжуться в молекули за ними. І цей стиск, ця Р-хвиля, рухатиметься у напрямку від мого удару. Звідси видно, що Р-хвиля може рухатись як у рідинах, так і, наприклад, у повітрі. Добре. І пам'ятайте, що ми говоримо про підводні хвилі. Не про поверхні. Наші хвилі рухаються обсягом води. Припустимо, що ми взяли молоток і вдарили по об'єму води з боку. І від цього виникне лише хвиля стиску в цей бік. І більше нічого. Поперечної хвилі не виникне, тому що у хвилі немає тієї еластичності, яка дозволяє її частинам коливатися з боку в бік. Для S-хвилі потрібна така еластичність, яка буває тільки в твердих тілах. Надалі ми будемо використовувати властивості Р-хвиль, які можуть рухатися у повітрі, рідині та твердих тілах, та властивості S-хвиль, щоб дізнатися, з чого складається земля. Subtitles by the Amara.org community

Типи сейсмічних хвиль

Об'ємні хвилі

P-хвилі

P-хвилі(Первинні хвилі) - поздовжні, або компресійні хвилі. Зазвичай їх швидкість у два рази швидше за S-хвиль, проходити вони можуть через будь-які матеріали. У повітрі вони набувають форми звукових хвиль, і, відповідно, їх швидкість стає рівною швидкості звуку. Стандартна швидкість P-хвиль - 330 м/с у повітрі, 1 450 м/с у воді та 5 000 м/с у граніті.

S-хвилі

Поверхневі хвилі

Поверхневі хвилі дещо схожі на хвилі води, але, на відміну від них, вони подорожують земною поверхнею. Їх звичайна швидкість значно нижча за швидкість хвиль тіла. Через свою низьку частоту, час дії і велику амплітуду вони є найбільш руйнівними з усіх типів сейсмічних хвиль. Вони бувають двох типів: хвилі Релея і хвилі Лява.

P- та S-хвилі в мантії та ядрі

Використання P- та S-хвиль для локації землетрусу

Залежно від полярності сейсмічного імпульсу амплітуда хвилі може мати позитивне чи негативне значення. Імпульс з позитивною амплітудою має полярність (порядок проходження фаз) такий самий як і у хвилі, що створюється безпосередньо джерелом, а імпульс з негативною амплітудою - протилежний.

Амплітуда сейсмічної хвилі залежить від щільності енергії у просторі між фронтом та тилом, тому через перерозподіл незмінної пружної енергіївсе більший обсяг, амплітуда хвилі зменшується з видаленням фронту хвилі від джерела. Крім того, на значення амплітуди впливає акустична жорсткість (хвильовий імпеданс), що визначає ступінь зменшення амплітуди. В акустично жорстких середовищах амплітуда пружної хвилі падає, акустично м'яких - зростає. Також амплітуда пружної хвилі прямо залежить від кінетичної енергії, що джерело хвилі повідомляє середовищі .

Сейсмічна хвиля

Об'ємні хвилі та поверхневі хвилі

Сейсмічні хвилі- хвилі енергії, які подорожують землею чи іншим пружним тіламв результаті процесу, що виробляє низькочастотну акустичну енергію (землетрус, вибух тощо). Сейсмічні хвилі вивчаються сейсмологами та геофізиками. Їх вивчають за допомогою сейсмографа, геофону, гідрофону або акселерометра.

Швидкість поширення хвиль залежить від щільності та пружності середовища. Швидкість має тенденцію до зростання у міру поглиблення, у земній корі вона становить 2-8 км/с, а при заглибленні до мантії – 13 км/с.

Землетруси створюють різні типи сейсмічних хвиль різною швидкістю. Хвиля фіксується на низці сейсмологічних станцій, і за різницею в часі вчені обчислюють епіцентр. У геофізиці заломлення чи відбиток сейсмічних хвиль використовується вивчення глибин Землі, штучні хвилі використовуються для дослідження підземних структур.

Типи сейсмічних хвиль

Об'ємні хвилі

Вони проходять через надра Землі. Шлях хвиль заломлюється різною щільністю та твердістю підземних порід.

P-хвилі

P-хвилі (первинні хвилі) - поздовжні або компресійні хвилі. Зазвичай їх швидкість у два рази швидше за S-хвиль, проходити вони можуть через будь-які матеріали. У повітрі вони набувають форми звукових хвиль, і, відповідно, їх швидкість стає рівною швидкості звуку. Стандартна швидкість P-хвиль - 330 м/с у повітрі, 1 450 м/с у воді та 5 000 м/с у граніті.

S-хвилі

S-хвилі (вторинні хвилі) – поперечні хвилі. Вони показують, що земля зміщується перпендикулярно напряму поширення. У разі горизонтально поляризованих S-хвиль земля рухається то в один бік, то в інший поперемінно. Хвилі цього можуть діяти лише у твердих тілах.

Поверхневі хвилі

Поверхневі хвилі дещо схожі на хвилі води, але, на відміну від них, вони подорожують земною поверхнею. Їх звичайна швидкість значно нижча за швидкість хвиль тіла. Через свою низьку частоту, час дії і велику амплітуду вони є найбільш руйнівними з усіх типів сейсмічних хвиль. Вони бувають двох типів: хвилі Релея та хвилі Лява.

P- та S-хвилі в мантії та ядрі

Коли відбувається землетрус, сейсмографи поблизу епіцентру записують S- та P-хвилі. Але на великих відстанях виявити високі частоти першої S-хвилі неможливо. Оскільки поперечні хвилі не можуть проходити через рідини, на підставі цього явища Річард Діксон Олдхем висунув припущення, що Земля має рідке зовнішнє ядро. За цим видом дослідження надалі було висунуто припущення, що Місяць має тверде ядро, але недавні геодезичні дослідження показують, що воно ще розплавлено.

Використання P- та S-хвиль для локації землетрусу

Найпростіший спосіб дізнатися місце землетрусу в радіусі 200 км - це розрахувати різницю в прибутті P- і S-хвиль в секундах і помножити її на 8. Але на телесейсмічних дистанціях цей спосіб не підходить тому, що висока ймовірність того, що сейсмічні хвилі заглибилися до мантії Землі і переломилися, змінивши свою швидкість.