Кіріспе
Жер сілкінісі және планета арқылы серпімді толқындардың таралуы туралы ғылыми зерттеу. Сейсмология (/s//aɪ//z/'/m//ɒ//l//ə//dʒ//i//, //s//aɪ//s// /; ежелгі грек тілінен σεισμός (seismós) – «жер сілкінісі» және λογία (logía) – «ғылым» деген мағынаны білдіреді) – жер сілкінісі (немесе жалпы, діріл) және Жер немесе басқа планеталық денелер арқылы серпімді толқындардың туындауы мен таралуын зерттейтін ғылыми сала. Оған цунами сияқты жер сілкінісінің қоршаған ортаға тигізетін әсерлерін, сондай-ақ вулкандық, тектоникалық, мұздық, өзендік, мұхиттық микросейсмикалық, атмосфералық және жарылыстар мен адам қызметі сияқты жасанды процестерге байланысты түрлі сейсмикалық көздерді зерттеу де кіреді. Геологияны пайдаланып өткен жер сілкіністері туралы ақпарат алуға арналған сала – палеосейсмология. Сейсмографпен тіркелген уақытқа байланысты Жер қозғалысының графикалық бейнесі сейсмограмма деп аталады. Сейсмолог – сейсмологияның теориялық немесе қолданбалы салаларында жұмыс істейтін ғалым.
Seismology (/s//aɪ//z/'/m//ɒ//l//ə//dʒ//i//, //s//aɪ//s// /; from Ancient Greek σεισμός (seismós) meaning "earthquake" and λογία ( logía) meaning "study of") is the scientific study of earthquakes (or generally, quakes) and the generation and propagation of elastic waves through the Earth or other planetary bodies. It also includes studies of earthquake environmental effects such as tsunamis as well as diverse seismic sources such as volcanic, tectonic, glacial, fluvial, oceanic microseism, atmospheric, and artificial processes such as explosions and human activities. A related field that uses geology to infer information regarding past earthquakes is paleoseismology. A recording of Earth motion as a function of time, created by a seismograph is called a seismogram. A seismologist is a scientist works in basic or applied seismology.
Тарих
Ғалымдардың жер сілкінісіне деген қызығушылығы ежелгі дәуірден бастау алады. Жер сілкіністерінің табиғи себептері туралы ертедегі болжамдар Милет Талесінің (б.з.д. 585 ж.), Милет Анаксименінің (б.з.д. 550 ж.), Аристотельдің (б.з.д. 340 ж.) және 132 жылы Қытайдың Хан әулетінің өкілі Чжан Хенг тұңғыш сейсмоскопты жасаған. 17 ғасырда Афанасий Кирхер жер сілкінісі Жердің ішкі арналары жүйесіндегі от қозғалысы салдарынан пайда болады деп айтқан. Мартин Листер (1638-1712) мен Николас Лемери (1645-1715) жер сілкінісі Жердің ішіндегі химиялық жарылыстардан пайда болады деп болжады. 1755 жылғы Лиссабон жер сілкінісі Еуропадағы ғылымның жалпы гүлденуіне сәйкес келді, жер сілкіністерінің мінез-құлқын және себептерін түсіну үшін ғылыми әрекеттерді күшейтті. Ең алғашқы жауаптарға Джон Бевис (1757) мен Джон Мичеллдің (1761) еңбектері жатады. Мичелл жер сілкінісі Жердің ішінде пайда болады және "жер бетінен бірнеше шақырым тереңдікте орналасқан тау жыныстарының қозғалысы" себепші болған толқындар деп анықтады. 1839 жылы Шотландиядағы Комидің маңында болған жер сілкіністерінің сапқайынан кейін, Ұлыбританияда жер сілкіністерін анықтаудың жақсы әдістерін жасау үшін комитет құрылды. Нәтижесінде Джеймс Дэвид Форбс тұңғыш рет 1842 жылы Дэвид Милн Хоумның баяндамасында ұсынған алғашқы заманауи сейсмометрлердің бірі болды. Бұл сейсмометр кері бұрылған маятник болып, ол маятниктің үстіне қағаз бетіне қаламды қойып, сейсмикалық белсенділікті өлшейтін. Милннің мәліметтері бойынша, ұсынылған жобалар тиімді болған жоқ. 1857 жылдан бастап Роберт Мале қазіргі заманғы аспаптық сейсмологияның негізін қалады және жарылғыш заттарды пайдалана отырып сейсмологиялық тәжірибелер жүргізді. Ол сондай-ақ "сейсмология" сөзін жасаған. 1897 жылы Эмиль Вихерт теориялық есептеулері арқылы Жердің ішкі бөлігі темірден жасалған ядроны қоршап тұрған силикаттар мантиясынан тұрады деген тұжырымға келді. 1906 жылы Ричард Диксон Олдэм сейсмограммаларда P толқындары, S толқындары және жер бетіндегі толқындардың жеке келуін анықтады және Жердің орталық өзегі бар екендігіне алғашқы айқын дәлел тапты. 1909 жылы қазіргі сейсмологияның негізін қалаушылардың бірі Андрия Мохоровичич Мохоровичич үзілісін анықтады. Әдетте "Мохо үзілісі" немесе "Мохо" деп аталады, ол Жер қыртысы мен мантия арасындағы шекара. Ол сейсмологиялық толқындардың тау жыныстарының тығыздығының өзгеруі арқылы өту жылдамдығының айқын өзгеруімен анықталады. 1910 жылы 1906 жылғы сәуірдегі Сан-Франциско жер сілкінісін зерттегеннен кейін Гарри Филдлинг Рид "эластикалық кері шегіну теориясын" ұсынды, ол қазіргі заманғы тектоникалық зерттеулердің негізі болып табылады. Бұл теорияның дамуы эластикалық материалдардың мінез-құлқы мен математикадағы жұмыс бойынша бұрынғы тәуелсіз ағымдардың едәуір прогресіне байланысты болды. 1920 жылдың қаңтар айында Халапа жер сілкінісінен кейін, жер сілкінісінен кейінгі жер сілкінісін зерттеудің алғашқы ғылыми зерттеулері болды. Жер сілкінісінен кейін Мексиканың Халапа қаласына темір жолмен Вихерт сейсмографы жеткізілді. Құрал оның толқынын тіркеуге арналған. Сейсмографтың деректері соңымен негізгі соққының жер қыртысының терең емес сынығы бойымен пайда болғанын анықтайды. 1926 жылы Гарольд Джеффрис жер сілкінісі толқынын зерттеу негізінде Жердің жер асты шапанының астында ядро сұйық екенін алғаш рет мәлімдеді. 1937 жылы Инге Леман Жердің сұйық сыртқы ядросының ішінде қатты ішкі ядро бар екенін анықтады. 1960 жылдары Жер туралы ғылым сейсмикалық оқиғалар мен геодезиялық қозғалыстардың себептері туралы жан-жақты теорияны қазір жақсы қалыптасқан плиталар тектоникасы теориясына біріктірген деңгейге дейін дамыды.
Сейсмикалық толқынның түрлері
Сейсмикалық толқындар – қатты немесе сұйық заттарда таралатын серпімді толқындар. Олар заттардың ішкі қабаттары арқылы жүретін дене толқындарына, заттардың беттерінде немесе интерфейстерінде таралатын беткі толқындарға және тұрған толқынның бір түрі – қалыпты режимдерге бөлінеді.
Дене толқындары
Дене толқындарының екі түрі бар: қысым толқындары немесе бірінші толқындар (P толқындары) және серпімді немесе екінші толқындар (S толқындары). P толқындары – толқын қозғалатын бағыттағы қысылу мен кеңеюден тұратын бойлық толқындар және олар қатты денелерде ең жылдам қозғалатындықтан сейсмограммада әрқашан бірінші болып пайда болады. S толқындары – таралу бағытына перпендикуляр қозғалатын көлденең толқындар. S толқындары P толқындарынан баяу. Сондықтан олар сейсмограммада P толқындарынан кейін тіркеледі. Сұйықтықтардың серпімділік шегі төмен болғандықтан, олар көлденең толқындарды таратуға қабілетсіз, сондықтан S толқындары тек қатты денелерде ғана жүреді.
Жер бетіндегі толқындар
Жер бетіндегі толқындар – P және S толқындарының Жер бетімен өзара әрекеттесуінің нәтижесі. Бұл толқындар дисперсиялы, яғни әртүрлі жиіліктері әртүрлі жылдамдықпен тарайды. Екі негізгі жер бетіндегі толқын түрі – Рэйли толқындары, олар қысылу және серпілу қозғалыстарын қамтиды, және Лав толқындары, олар тек серпілу толқындары болып табылады. Рэйли толқындары P толқындары мен тік поляризацияланған S толқындарының Жер бетімен өзара әрекеттесуінен пайда болады және кез келген қатты ортада таралуы мүмкін. Лав толқындары көлденең поляризацияланған S толқындарының Жер бетімен өзара әрекеттесуінен пайда болады және тек қатты ортада тереңдікке қарай серпімділік қасиеттері өзгерген жағдайда ғана таралуы мүмкін, бұл сейсмологиялық қолдануларда әрқашан орын алады. Жер бетіндегі толқындар P және S толқындарынан баяу тарайды, себебі олар Жер бетімен жанама жолмен қозғалып, осы толқындардың Жер бетімен өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады. Олар Жер бетімен тарайтындықтан, олардың энергиясы дене толқындарына қарағанда (1/қашықтық2 және 1/қашықтық3 арақатынасымен) баяу төмендейді, сондықтан жер бетіндегі толқындардың тудырған дірілі, әдетте, дене толқындарынан күштірек болады, ал негізгі жер бетіндегі толқындар көбінесе жер сілкінісі сейсмограммасындағы ең ірі сигналдар болып табылады. Жер бетіндегі толқындар олардың көзі Жер бетіне жақын орналасқан кезде, мысалы, беткі қабаттағы жер сілкінісі немесе жер бетіне жақын жарылыс кезінде күштірек қозғалады, ал тереңдегі жер сілкінісі көздері үшін олар әлдеқайда әлсіз болады.
Сейсмикалық толқындарды анықтау
Сейсмометрлер – серпімді толқындардан туындайтын Жер қозғалысын анықтап, тіркейтін сенсорлар. Сейсмометрлер Жер бетінде, жер астындағы ойыстарда, тереңдіктерде бұрғыланған жерлерде немесе су астында орналастырылуы мүмкін. Сейсмикалық сигналдарды тіркейтін толық құрал жиынтығы сейсмограф деп аталады. Сейсмографтар желілері әлем бойынша жер қозғалысын үздіксіз тіркеу арқылы жаһандық жер сілкіністерін және басқа да сейсмикалық белсенділіктің көздерін бақылау мен талдауға мүмкіндік береді. Жер сілкінісінің жылдам анықталуы сейсмикалық толқындар цунами толқындарынан әлдеқайда жылдам болғандықтан, цунами туралы ескертулер беруге мүмкіндік жасайды. Сейсмометрлер жер сілкінісінен басқа көздерден келетін сигналдарды да тіркейді, оларға жарылыстар (ядролық және химиялық), жел немесе адам қызметінен туындаған жергілікті шу, мұхит түбінде және жағалауларда мұхит толқындарының әсерінен туындаған үздіксіз сигналдар (жаһандық микросейсмика), сондай-ақ ірі мұз таулары мен мұздықтарға байланысты криосфералық құбылыстар жатады. Сейсмографтар мұхит үстінде 4,2 × 1013 Дж энергиясы бар метеорлық соққыларды (он килотонна тротилге тең жарылыс энергиясы) және сонымен қатар бірқатар өнеркәсіптік апаттарды, террористік бомбалаулар мен оқиғаларды (сот сейсмологиясы деп аталатын ғылым саласы) тіркеген. Жаһандық сейсмографиялық мониторингтің басты және ұзақ мерзімді мақсаты – ядролық сынақтарды анықтау және зерттеу болып табылады.
Жердің ішкі жерін картаға түсіру
Сейсмикалық толқындар Жердің ішкі құрылысымен әрекеттескенде тиімді таратылады, сондықтан олар планетаның ішкі құрылымын зерттеуге арналған жоғары ажыратымды, инвазивті емес әдістерді ұсынады. Ең алғашқы маңызды жаңалықтардың бірі (Ричард Диксон Олдхэм 1906 жылы айтқан және Харольд Джеффрис 1926 жылы дәлелдеген) – Жердің сыртқы ядросы сұйық екендігі. S толқындары сұйықтық арқылы өтпейтіндіктен, сұйық ядро жер сілкінісіне қарама-қарсы жатқан планета бөлігінде тікелей S толқындары байқалмайтын "көлеңке" құрайды. Сонымен қатар, P толқындары сыртқы ядро арқылы мантиядан әлдеқайда баяу жылдамдықпен өтеді. Көптеген сейсмометрлерден алынған мәліметтерді сейсмикалық томография арқылы өңдеуге алып, сейсмологтар Жердің мантиясын бірнеше жүз километрлік ажыратымдылықпен картаға түсірді. Бұл ғалымдарға конвекциялық жасушаларды және ядро-мантия шекарасына жақын орналасқан үлкен, төмен жылдамдықты аймақтарды анықтауға мүмкіндік берді.
Жер сілкінісін болжау
Жер сілкінісінің болашақтағы уақытын, орнын, шамасын және басқа да маңызды ерекшеліктерін болжауды жер сілкінісін болжау деп атайды. Сейсмологтар және басқа мамандар нақты жер сілкінісі болжамдарын жасау үшін тиімді жүйелер құруға, оның ішінде VAN әдісін жасауға әртүрлі талпыныстар жасады. Көптеген сейсмологтар жекелеген жер сілкіністері туралы уақтылы ескерту беруге қабілетті жүйе әлі дамытылмағанына сенеді, сондай-ақ мұндай жүйе болашақ сейсмикалық оқиғалар туралы пайдалы ескертулер бере алмайды деп санайды. Дегенмен, жалпы болжамдар сейсмикалық қауіпті жүйелі түрде бағалайды. Мұндай болжамдар белгілі бір уақыт аралығында белгілі бір жерге әсер ететін нақты шамадағы жер сілкінісінің болу ықтималдығын анықтайды және олар жер сілкінісі инженерлігінде кеңінен қолданылады. 2009 жылдың 5 сәуірінде Италияның Л'Аквила қаласында болған 6,3 балдық жер сілкінісіне байланысты итальян билігі алты сейсмолог пен бір мемлекеттік қызметкерді қаза болғандарға кінәлі деп айыптағаннан кейін жер сілкінісін болжау мәселесі бойынша көпшілік арасында қызу пікірталас туды. Nature журналында жарияланған хабарламаға сәйкес, бұл айыптау Италияда және шетелде жер сілкінісін болжауға қабілетсіздік деп қарастырылды және Америка Ғылымды дамыту қауымдастығы мен Америка Геофизикалық одағы тарапынан сынға ұшырады. Алайда, журнал Аквила халқының пікірінше, айыптаудың себебі жер сілкінісін болжаудағы сәтсіздік емес, ғалымдардың тәуекелді бағалау және хабарлаудағы кемшіліктері болып табылады. Айыптамада жер сілкінісінен бір апта бұрын Л'Аквилада өткен арнайы мәжілісте ғалымдар мен шенеуніктердің халықты тыныштандыруға, жер сілкінісі қаупі мен дайындық туралы толыққанды ақпарат беруге қарағанда көбірек қызығушылық танытқаны айтылады. Тарихи мәліметтер бар жерлерде оларды болашақ сейсмикалық оқиғалардың уақытын, орнын және шамасын бағалау үшін пайдалануға болады. Бірнеше түсіндіру факторларын ескеру қажет. Тарихи жер сілкіністерінің эпицентрлері немесе ошақтары мен шамалары интерпретацияға жатады, яғни тарихи жазбаларда сипатталған 5-6Mw жер сілкіністері, шындығында, басқа жерлерде болған, бірақ жазбалар жасалған елді мекендерде орташа сезілген, одан да күшті оқиғалар болуы мүмкін. Тарихи кезеңдегі құжаттама сирек немесе толық емес болуы мүмкін, сондықтан жер сілкінісінің географиялық ауқымы туралы толыққанды картина берілмейді, немесе тарихи жазбаларда сейсмикалық цикл үшін өте қысқа кезеңді құрайтын, бірнеше ғасырлық жер сілкінісі туралы мәліметтер ғана болуы мүмкін.
Инженерлік сейсмология
Инженерлік сейсмология – инженерлік мақсаттар үшін сейсмологияны зерттеу және қолдану. Ол, әдетте, сейсмологияның сейсмикалық қауіптілікті бағалаумен айналысатын саласына қатысты, яғни жер сілкінісі инженерлігі үшін белгілі бір аймақ немесе өңірдің сейсмикалық қаупін анықтау. Сондықтан ол Жер туралы ғылым мен азаматтық инженерияның арасындағы байланыс болып табылады. Инженерлік сейсмологияның екі негізгі құралы бар. Біріншіден, аймақта болуы мүмкін жер сілкіністерін, олардың сипаттамаларын және қайталану жиілігін бағалау үшін жер сілкінісі тарихын (мысалы, сейсмикалық белсенділіктің тарихын) және тектониканы зерттеу. Екіншіден, жер сілкінісінен туындаған жердің күшті қозғалысын зерттеу, осыған ұқсас сипаттағы болашақ жер сілкінісінен күтілетін дірілді бағалау. Бұл күшті жер қозғалыстары акселерометрлер мен сейсмометрлерден алынған өлшемдер немесе компьютерлерде түрлі техникалар қолданылып модельдеу арқылы алынған нәтижелер болуы мүмкін, және олар жиі жер қозғалысын болжау теңдеулерін (немесе жер қозғалысы модельдерін) жасау үшін пайдаланылады.