ВОЛНЫ В ГЕОФИЗИКЕ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ

ВОЛНЫ В ГЕОФИЗИКЕ. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ
ВОЛН
Сейсмичность - способность недр Земли порождать очаги землетрясений.
Характеризуется территориальным распределением эпицентров , интенсивностью
землетрясений и др.
Наиболее сейсмически активны Тихоокеанский Тихоокеанский, Средиземноморский
Средиземноморский, Срединно-Атлантический Атлантический, Восточно-Африканский
пояса.
При землетрясениях возникают и распространяются по всему объему твердой
Земли низкочастотные упругие волны, называемые сейсмическими волнами.
Геофизическая наука, изучающая сейсмические волны, их источники — очаги
землетрясений - и строение твердой Земли или ее отдельных оболочек, называется
сейсмологией.
Сейсмология изучает землетрясения, их механизмы и последствия, волн,
распространение сейсмических волн, а также все виды движений земной коры, которые
регистрируются сейсмографами на суше на дне океанов и морей .
Землетрясения - подземные толчки и колебания земной поверхности,
возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней
части мантии земли и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.
Различают типы землетрясений по их происхождению:
− тектонические;
− вулканические (от взрывных извержений и при движениях магмы внутри
вулканов);
− обвальные (денудационные);
−антропогенные или техногенные (вызванные человеческой деятельностью);
− метеоритные, вызванные падением крупных метеоритов на поверхность Земли.
Известна и классификация землетрясений по глубине очага:
− мелкофокусные (или кóровые), с глубиной очага до 70 км;
− промежуточные, с глубиной очага от 70 до 300 км;
− глубокие, с очагом на глубине 300-700 км.
Подавляющее большинство землетрясений связано с тектоническими процессами в
глубинах Земли. В верхних слоях Земли происходят процессы, приводящие к
возникновению напряженного состояния в блоках земной коры. Причиной
землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент
упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения. Большинство очагов
землетрясений возникает близ поверхности Земли.
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.
Другими словами, землетрясение представляет собой быстрый переход
потенциальной энергии, накопленной в упруго-деформированных (сжимаемых,
сдвигаемых или растягиваемых) горных породах земных недр, в энергию колебаний этих
самых недр (сейсмические волны), в энергию изменения структуры пород в очаге
землетрясения. Этот переход происходит в момент превышения предела прочности
пород в очаге землетрясения.
Предел прочности пород земной коры превышается в результате роста суммы сил,
действующих на нее:
1. Силы вязкого трения мантийных конвекционных потоков о земную кору;
2. Архимедовой силы, действующая на легкую кору со стороны более тяжелой
пластичной мантии;
3. Лунно-солнечных приливов;
4. Изменяющегося атмосферного давления.
Эти же силы приводят и к возрастанию потенциальной энергии упругой
деформации пород в результате смещения плит под их действием. Плотность
потенциальной энергии упругих деформаций под действием перечисленных сил
нарастает практически во всем объеме плиты (по-разному в разных точках). В момент
землетрясения потенциальная энергия упругой деформации в очаге землетрясения
быстро (почти мгновенно) снижается до минимальной остаточной (чуть ли не до нуля).
Тогда как в окрестностях очага за счет 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.
Из перечисленных сил первые две намного больше 3-ей и 4-й, но скорость их
изменения намного меньше, чем скорость изменения приливных и атмосферных сил.
Поэтому точное время прихода землетрясения (год, день, минута) определяется
изменением атмосферного давления и приливными силами. Тогда как гораздо большие,
но медленно меняющиеся силы вязкого трения и Архимедовы силы задают время
прихода землетрясения (с очагом в данной точке) с точностью до столетий и
тысячелетий.
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.
Отражение и преломление сейсмических волн
Среда, состоящая из двух слоев с разными физическими свойствами является
простейшим примером неоднородной среды. Процесс образования на границе раздела
сред отраженных волн лежит в основе для одного из главных методов сейсморазведки –
метода отраженных волн (МОВ). Образование преломленных волн лежит в основе
методы преломленных (проходящих) волн (МПВ).
При наклонном падении плоской волны (продольной или поперечной) на границу
раздела двух сред образуются 4 волны – 2 монотипные (т .е того же типа, что и
падающая волна) – отраженная PP и проходящая P и 2 обменные (т.е. сменившие тип) –
отраженная PS и проходящая S.
Поперечные волны подразделяются на SV волны (частицы колеблются в
вертикальной плоскости, иначе говоря, в плоскости, перпендикулярной плоскости
сейсмической границы) и SH волны (частицы колеблются в горизонтальной плоскости,
иначе говоря, в плоскости, параллельной сейсмической границе).
Коэффициенты отражения и преломления сейсмических волн.
Коэффициентами отражения и преломления называются отношения амплитуд A
отраженных и преломленных волн соответственно к амплитуде падающей волны.
В данном случае имеем по два коэффициента отражения и преломления – для
монотипных и обменных волн.
При нормальном (т.е. перпендикулярно границе раздела сред) падении обменные
волны не образуются, а коэффициенты отражения и преломления монотипных волн
вычисляются следующим образом:
где
и
–– произведение скорости распространения волны и плотности в
верхней
и
нижней
средах
соответственно.
Произведение скорости распространения волны
и плотности среды
называется
импедансом
или акустической жесткостью среды. Таким образом, коэффициенты
отражения и преломления зависят от акустических жесткостей сред.