Сейсмические волны. Сейсмические волны, распространение Сейсмические волны бывают

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(рис. 11) . 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(рис. 11). 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.

Сейсмические волны третьего типа называются поверхностными волнами(рис. 11), поскольку их распространение ограничено зоной, близкой к поверхности грунта. Такие волны подобны ряби, расходящейся по поверхности озера. Наибольшие колебания происходят на самой поверхности, а с глубиной амплитуда волн становится меньше и меньше. 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(рис. 12).

Сейсмические волны

колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений, взрывов и других источников. Вблизи очагов сильных землетрясений С. в. обладают разрушительной силой при доминирующем периоде в десятые доли сек. На значительных расстояниях от эпицентров С. в. являются упругими волнами.

Продольные С. в. (Р ) переносят изменения объёма в среде - сжатия и растяжения. Колебания в них совершаются в направлении распространения (рис. 1 , а). Поперечные С. в. (S ) не образуют в среде объёмных изменений и представляют собой колебания частиц, происходящие перпендикулярно направлениям распространения волны (рис. 1 , б). В каждый момент и в каждой точке среды сейсмические колебания удовлетворяют (для Р и S волн) волновым уравнениям (См. Волновое уравнение). В однородной изотропной упругой среде скорости распространения продольных (а) и поперечных (в) волн определяются формулами:

Здесь

Особенность распространения С. в. (упругих волн в твёрдой среде) состоит в том, что при косом падении на поверхность раздела сред с различными параметрами (скоростями и плотностями) волны одного типа, например продольной, возникают, кроме отражённой и преломленной продольных волн (рис. 2 ), волны отраженные и преломленные поперечные. Вблизи поверхностей раздела в Земле возникают поверхностные С. в. При распространении неоднородной волны SH вдоль горизонтального слоя возникает волна Лява (См. Лява волны). В случае падения на граничную плоскость волны Р в слое могут возникать отражённые волны Р и SV . При этом, если а 2 > в 2 > а 1 > в 1 , где a 1 и в 1 - скорости в слое, a a 2 и в 2 - в неприлежащей среде, то как отражённая Р, так и отражённая SV при малом e 1 обладают свойством полного внутреннего отражения. В результате в слое формируются волны Рэлея. Они, как и волны Лява, обладают дисперсией скоростей. Волны Рэлея возникают в полупространстве без слоистости. Тогда они не диспергируют и их скорость с ≈ 0,9 в.

Волны Р и S распространяются из источника по объёму Земли. Они называются объёмными. Их амплитуда для однородной и изотропной среды убывает обратно пропорционально расстоянию. Поверхностные волны, распространяясь вдоль поверхности, обладают амплитудой, убывающей обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. По этой причине в колебаниях от удалённых землетрясений по амплитуде доминируют поверхностные волны.

Благодаря изменениям свойств Земли с глубиной изменяются и скорости распространения объёмных С. в. Это приводит к их рефракции в недрах Земли.

Наблюдения на поверхности Земли над распространением С. в. позволяют исследовать строение Земли. Зависимость скорости распространения волн Р и S от глубины (рис. 3 ) позволила выявить ряд оболочек «твёрдой» Земли. Подробности строения Земли см. в ст. Земля .

Лит.: Саваренский Е. Ф., Кирнос Д. П., Элементы сейсмологии и сейсмометрии, 2 изд., М., 1955; Буллен К. Е., Введение в теоретическую сейсмологию, пер. с англ., М., 1966; Саваренский Е. Ф., Сейсмические волны, М., 1972; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд. М., 1973.

Е. Ф. Саваренский.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Сейсмические волны" в других словарях:

См. Волны сейсмические. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978. Сейсмические волн … Геологическая энциклопедия

Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений, взрывов и др. источников. Продольные сейсмические волны волны сжатия (колебания частиц среды осуществляются в направлении сейсмического луча); поперечные сейсмические волны… … Большой Энциклопедический словарь

Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений и взрывов. EdwART. Словарь терминов МЧС, 2010 … Словарь черезвычайных ситуаций

сейсмические волны - — Тематики нефтегазовая промышленность EN earth wavesearthquake waves …

сейсмические волны - Продольные и поперечные упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений, взрывов и других источников … Словарь по географии

Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясении, взрывов и других источников. Продольные сейсмические волны волны сжатия (колебания частиц среды осуществляются в направлении сейсмического луча); поперечные сейсмические… … Энциклопедический словарь

Упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясении, взрывов и др. источников. Продольные С. в. волны сжатия (колебания частиц среды осуществляются в направлении сейсмич. луча); поперечные С. в. волны сдвига (колебания частиц… … Естествознание. Энциклопедический словарь

обменные волны, перемежающиеся сейсмические волны - — Тематики нефтегазовая промышленность EN alternating waves … Справочник технического переводчика

Объемные волны и поверхностные волны

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. 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

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. 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 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.

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

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

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.

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского

Таврическая академия

Географический факультет

Кафедра Землеведения и геоморфологии

А.А. ПАСЫНКОВ

СЕЙСМИЧЕСКАЯ ГЕОМОРФОЛОГИИЯ

(Учебное пособие)

Симферополь – 2015

Пасынков Анатолий Андреевич

(Учебное пособие)

Симферополь: Крымский федеральный университет

Имени В.И.Вернадского, Таврическая академия. 2015. – 100 с.

Настоящее учебное пособие

Курс лекций рассчитан на подготовку академических магистров по направлению « », студентов-геоморфологов географических факультетов, преподавателей, специалистов.

СОДЕРЖАНИЕ

№ темы	раздел	стр.
		4

Тема 1 . ПОНЯТИЕ О СЕЙСМОЛОГИИ

Сейсмология (от др.-греч. σεισμός - (земле)трясение и λόγος - слово, речь) - наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр.

Сейсмология – это наука, занимающаяся измерениями и анализом всех движений, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твёрдой Земли. Это раздел геофизики, изучающий землетрясения, их причины, последствия и меры защиты искусственных сооружений.

Основной носитель информации - сейсмические волны, интерпретация записи которых позволяет изучать наряду с землетрясениями строение Земли, а также выявлять месторождения полезных ископаемых и фиксировать взрывы (например, ядерные).

Основная задача сейсмологии состоит в изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях.

Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).

Землетрясе́ния - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях.

Ежегодно на всей Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них так незначительны, что они остаются незамеченными. Действительно сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения, случаются на планете примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов, и поэтому не сопровождается катастрофическими последствиями (если землетрясение под океаном обходится без цунами).

Землетрясения наиболее известны по тем опустошениям, которые они способны произвести. Разрушения зданий и сооружений вызываются колебаниями почвы или гигантскими приливными волнами (цунами), возникающими при сейсмических смещениях на морском дне.

Причины землетрясений.

Причиной землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряженных пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли (рис.1). Само смещение происходит под действием упругих сил в ходе процесса разрядки - уменьшения упругих деформаций в объёме всего участка плиты и смещения к положению равновесия. Землетрясение представляет собой быстрый (в геологических масштабах) переход потенциальной энергии, накопленной в упруго-деформированных (сжимаемых, сдвигаемых или растягиваемых) горных породах земных недр, в энергию колебаний этих пород (сейсмические волны), в энергию изменения структуры пород в очаге землетрясения. Этот переход происходит в момент превышения предела прочности пород в очаге землетрясения.

Рис. 1 Современные эпицентры землетрясений и вулканов на Земле.

Предел прочности пород земной коры превышается в результате роста суммы сил, действующих на неё:

Силы вязкого трения мантийных конвекционных потоков о земную кору;

Архимедовой силы, действующей на легкую кору со стороны более тяжелой пластичной мантии;

Лунно-солнечных приливов;

Изменяющегося атмосферного давления.

В момент землетрясения потенциальная энергия упругой деформации в очаге землетрясения быстро (почти мгновенно) снижается до минимальной остаточной (чуть ли не до нуля). А в окрестностях очага за счёт сдвига во время землетрясения плиты как целого упругие деформации несколько увеличиваются. Поэтому и случаются часто в окрестностях главного повторные землетрясения - афтершоки. Точно так же малые «предварительные» землетрясения - форшоки - могут спровоцировать большое в окрестностях первоначального малого землетрясения. Большое землетрясение (с большим сдвигом плиты) может вызвать последующие индуцированные землетрясения даже на удаленных краях плиты.

Глубокофокусные землетрясения, очаги которых располагаются на глубинах до 700 км от поверхности, происходят на конвергентных границах литосферных плит и связаны с субдукцией.

Сейсмические волны и их измерение

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, очагом или 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.

Типы сейсмических волн.

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).

Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны(L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Сейсмограф

Впервые инструментальные наблюдения появились в Китае, где в 132 Чан Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой искусно сделанный сосуд. На внешней стороне сосуда, с размещенным внутри маятником, по кругу были выгравированы головы драконов, держащих в пасти шарики. При качании маятника от землетрясения один или несколько шариков выпадали в открытые рты лягушек, размещенных у основания сосудов таким образом, чтобы лягушки могли их проглотить (рис.2).

Рис. 2 . Сейсмоскоп Чан Хена.

Современный сейсмограф представляет собой комплект приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрический сигнал, записываемый на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако, по-прежнему, основным чувствительным элементом служит маятник с грузом (рис.3).

Рис. 3 Сейсмограф.

Сейсмическая служба

Постоянные наблюдения за землетрясениями осуществляются сейсмической службой. Современная мировая сеть насчитывает св. 2000 стационарных сейсмических станций, данные которых систематически публикуются в сейсмологических бюллетенях и каталогах. Кроме стационарных станций используются экспедиционные сейсмографы, в т. ч. устанавливаемые на дне океанов. Экспедиционные сейсмографы засылались также на Луну (где 5 сейсмографов ежегодно регистрируют до 3000 лунотрясений), а также на Марс и Венеру.

Виды землетрясений

Тектонические

Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). горизонтальное смещение – 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м.

Рис. 4. Механизм тектонического землетрясения

Рис.5 Последствия тектонических землетрясения

Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км.

Рис.6 Разлом Сан-Андреас

Вулканические

Вулканические землетрясения - разновидность землетрясений, при которых землетрясение возникает в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений - лава, вулканический газ. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно - недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей этого вида землетрясение не представляет.

Рис. 5. Вулканизм

Техногенные

В последнее время появились сведения, что землетрясения могут вызываться деятельностью человека. Так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническая активность - увеличивается частота землетрясений и их магнитуда. Это связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим весом увеличивает давление в горных породах, а просачивающаяся вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.

Рис. Последствия техногенного воздействия (Техногенные землетрясения)

Обвальные

Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и имеют небольшую силу.

Рис. Последствия Обвального землетрясения

15.08.2016

Вблизи поверхности Земли выделяются такие колебания грунта, которые проявляются только в верхних поверхностных слоях и быстро затухают в нижних глубоких слоях. Эти колебания, как уже отметили, называются поверхностными волнами. Рассмотрим частный случай распространения сейсмических волн в двухсредном пространстве, когда одна из сред поверхность Земли, а вторая атмосфера Земли (рис. 1.40). Так как плотность воздуха значительно меньше по сравнению с плотностью коры Земли, то ее можно считать равной нулю. Поэтому на линии z=0 не возникнут напряжения, т.е.

при z = 0 τzz = 0, τxz = 0 и τyz = 0

В этом случае все преломленные волны будут равны нулю. От падающей продольной P волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны. Аналогично от падающей SV волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны, а от падающей SH волны - только поперечную S0 волну.

На основании уравнений (1.78)-(1.84) соответственно будем иметь:
1. В случае падающей продольной волны P

которое подтверждает тот известный факт, что от падающей под прямым углом вертикальной продольной волны поперечные волны не отражаются, а амплитуды отраженной продольной волны равняются амплитуде падающей волны с обратным знаком. Иными словами, сжатие (разряжение) меняется на разряжение (сжатие).
2. В случае падающей поперечной волны SV

т.е. при вертикальном падении поперечной волны SV продольные волны не возникают, а амплитуды поперечных колебаний частиц поверхности Земли удваиваются.
3. В случае падающей поперечной волны SH со смещением вдоль оси у все упрощается:

Независимо от угла падения β, амплитуды колебаний на поверхности Земли удваиваются.
Волны Релея. Из предыдущих изложений вытекает, что распространение возмущений в изотропной однородной среде представляет собой суперпозицию двух волн со скоростями vp и vs. Если начальное возмущение ограничено в конечной области внутри тела, величины vp и vs являются единственно возможными скоростями распространения волн в бесконечной среде. Когда существуют свободные границы, возможны и другие скорости распространения. При этом появляются так называемые «поверхностные волны», по которым движение частиц происходит лишь в верхнем тонком слое Земли.

В конце XIX века известный физик Релей обнаружил специальные волны, распространяющиеся на поверхности полупространства (по поверхности Земли). Источниками этих волн являются объемные сейсмические волны P и SV, выходящие на поверхность Земли и отраженные от нее. Boлны Релея - это результат суперпозиции падающих и отраженных от поверхности Земли волн P и SV, распространяющихся с единой скоростью vL. Так как перемещения точек среды по волнам P и SV имеют взаимоперпендикулярные направления и по глубине Земли уменьшаются по экспоненту, то при распространении их суммы с единой скоростью vL траектория движения частиц должна быть эллиптической (рис. 1.41). Таким образом, задача сводится к выбору таких колебательных характеристик, уменьшающихся по глубине волн P и SV, чтобы их скорости по линии z=0 (на поверхности Земли) были одинаковыми.
Такая постановка задачи связана с рядом математических операций и физических предпосылок, на которых мы не останавливаемся. Заинтерисованным читателям рекомендуем обратиться к работе Е.Ф. Саваренского. В итоге компоненты горизонтальной и вертикальной волны Рэлея представляется в виде:

где ω - частота колебания, vL - скорость распространения волн Релея, А и В - некоторые постоянные, а через r и s обозначены:

Отметим только, принимая vp = √3vs, получается, что скорость распространения ноли Рэлея

а отношение вертикальных и горизонтальных полуосей эллиптической траектории движения частиц на поверхности Земли равно 1,46. Как видно из рис. 1.41, амплитуда с глубиной уменьшаются, причем это снижение особенно значительно по мере увеличения частоты колебания частиц. Это означает, что на скальных грунтах поверхностные волны Релея будут проникать на меньшую глубину Земли, чем на рыхлых грунтах. При этом скорость движения vL не зависит от частот колебания частиц ω. Отметим также, что поверхностные волны Рэлея при встрече с отдельными неровностями (горы, впадины) могут в свою очередь порождать поперечные и продольные объемные сейсмические волны.
Сам Рэлей заметил, что эти волны должны играть важную роль при землетрясениях, так как, распространяясь только в двух направлениях, они должны с удалением от источника приобретать все большее значение, чем обычные волны P и S. Иными словами, волны Релея с расстоянием меньше затухают и проходят большое расстояние. Записи сейсмограмм землетрясений подтвердили предположения Релея.
Краткие исторические сведения о сейсмических волнах . В заключение отметим, что теория возникновения и распространения сейсмических волн имеет длительную историю. Она прежде всего связана с развитием общей теорией упругости. После открытия закона Гука, вывода общего уравнения равновесия и колебаний Навье, экспериментов Френеля (показывающих, что свет состоит из поперечно-поляризованных волн), исследований Коши (о шести независимых компонентах напряжений и деформаций) Пуассон обнаружил два типа волн, которые мы знаем теперь как P и S волны, и на основе принятой им частной модели установил, что скорость P волн в раз больше скорости S-волн. До этих исследований считалось, что в безграничной сплошной среде могут распространяться только продольные волны. В 1906 году уже было хорошо известно о существовании волн сжатия и сдвига в твердом теле. Первая теоретическая сейсмограмма, рассчитанная Лэмбом в 1904 году от точечного импульсного источника, показала, что она состоит из трех последовательных импульсов, соответствующих Р, S и релеевской волнам и значительно проще зарегистрированных реальных сейсмограмм, которые имеют гораздо большую продолжительность. Как отмечено выше, амплитуды волн Рэлея с расстоянием уменьшаются медленнее. Они обладают свойством дисперсии, когда полны с разными частотами распространяются о разной скоростью. И по, по мнению ряда сейсмологов, является одной из причин длительности колебаний на сейсмограммах. Джеффрис (1931 г.) считал причину длительных колебаний на поверхности Земли в том, что они вызваны отраженниями первоначального импульса внутри приповерхностных слоев. Другими словами, в основе этого явления лежат рассеяния воли на неоднородностях среды на пути к поверхности Земли. В 1960 году благодаря исследованиям Х. Беньоффа, М. Юинга, Ф. Пресса и другими были получены качественные записи длиннопериодных сейсмических волн, которые показали, что для таких волн приповерхностные мелкомасштабные неоднородности не играют существенной роли и Земля ведет себя как эквивалентное однородное тело, т.е. к таким волнам приемлема простая модель Лемба.
Из краткого анализа следует, что свойство источника возбуждения сейсмических волн и физико-механические и геометрические характеристики среды их распространения оказывают существенное влияние на формирования реальных сейсмограмм, зарегистрируемых сейсмографами на поверхности Земли во время землетрясений.