Введение

Сейсмическая, вулканическая или взрывная энергия, распространяющаяся через слои Земли – волны, проходящие сквозь Землю.

Сейсмическая волна – это механическая волна акустической энергии, распространяющаяся в недрах Земли или другого планетарного тела. Она может быть вызвана землетрясением (или сейсмическим событием в целом), извержением вулкана, движением магмы, крупным оползнем или мощным искусственным взрывом, генерирующим низкочастотную акустическую энергию. Сейсмические волны изучаются сейсмологами, которые регистрируют их с помощью сейсмометров, гидрофонов (в воде) или акселерометров. Сейсмические волны отличаются от сейсмического шума (окружающей вибрации) – постоянной вибрации малой амплитуды, возникающей из различных природных и антропогенных источников. Скорость распространения сейсмической волны зависит от плотности и упругости среды, а также от типа волны. Скорость, как правило, увеличивается с глубиной в земной коре и мантии, но резко уменьшается при переходе от мантии к внешнему ядру Земли. Землетрясения генерируют различные типы волн с разной скоростью. По разнице во времени их прибытия на сейсмические станции ученые определяют гипоцентр землетрясения. В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для изучения внутреннего строения Земли. Ученые также генерируют и измеряют вибрации для исследования неглубоких подземных структур.

Типы

Среди множества типов сейсмических волн можно провести широкое различие между волнами, распространяющимися в недрах Земли (телесные волны), и поверхностными волнами, которые распространяются по поверхности Земли. Существуют и другие способы распространения волн, не описанные в данной статье; хотя они имеют сравнительно меньшее значение для земных волн, они важны в астеросейсмологии. Телесные волны проходят через внутреннюю часть Земли. Поверхностные волны распространяются по поверхности. Поверхностные волны затухают медленнее с расстоянием, чем телесные волны, распространяющиеся в трех измерениях. Амплитуда колебаний частиц в поверхностных волнах больше, чем в телесных волнах, поэтому поверхностные волны, как правило, вызывают больше разрушений.

Волны тела

Волны, распространяющиеся в теле Земли, проходят через её внутренние слои по траекториям, определяемым свойствами среды, такими как плотность и модуль упругости (жёсткость). Плотность и модуль упругости, в свою очередь, изменяются в зависимости от температуры, состава и фазового состояния вещества. Этот эффект аналогичен преломлению световых волн. Два типа колебаний частиц соответствуют двум типам волн, распространяющихся в теле Земли: первичные и вторичные волны. Это различие было установлено в 1830 году французским математиком Симеоном Денисом Пуассоном.

Первичные волны

Первичные волны (P-волны) — это волны сжатия, имеющие продольную природу. P-волны являются волнами давления, которые распространяются по земной коре быстрее других типов волн и достигают сейсмографических станций первыми, что и обусловило их название "Первичные". Эти волны способны распространяться в любой среде, включая жидкости, и их скорость примерно в 1,7 раза выше скорости S-волн. В воздухе они проявляются в виде звуковых волн и, следовательно, движутся со скоростью звука. Типичные скорости составляют 330 м/с в воздухе, 1450 м/с в воде и около 5000 м/с в граните.

Вторичные волны

Вторичные волны (S-волны) — это волны сдвига, имеющие поперечную природу. После землетрясения S-волны достигают сейсмических станций после более быстрых P-волн, вызывая смещение грунта перпендикулярно направлению распространения. В зависимости от направления распространения волна может проявлять различные поверхностные характеристики; например, в случае горизонтально поляризованных S-волн, грунт перемещается попеременно в одну и другую сторону. S-волны могут распространяться только в твердых телах, поскольку жидкости (жидкости и газы) не выдерживают напряжения сдвига. S-волны распространяются медленнее P-волн, и их скорость обычно составляет около 60% скорости P-волн в данном материале. Волны сдвига не могут распространяться через жидкие среды, поэтому отсутствие S-волн во внешнем ядре Земли указывает на его жидкое состояние.

Поверхностные волны

Сейсмические поверхностные волны распространяются вдоль поверхности Земли. Они могут быть классифицированы как разновидность механических волн, распространяющихся по поверхности. Амплитуда поверхностных волн уменьшается с увеличением расстояния от поверхности, и они распространяются медленнее, чем сейсмические объемные волны (P и S). Поверхностные волны, возникающие при очень сильных землетрясениях, могут иметь глобально наблюдаемую амплитуду в несколько сантиметров.

Волны Рэйли

Волны Рэйли, также называемые земляными волнами, являются поверхностными волнами, распространяющимися с движениями, аналогичными движениям волн на поверхности воды (однако следует отметить, что связанное с ними движение сейсмических частиц на небольшой глубине обычно является ретроградным, и что сила восстановления в волнах Рэйли и других сейсмических волнах является упругой, а не гравитационной, как в случае водяных волн). Существование этих волн было предсказано Джоном Уильямом Страттом, лордом Рэлеем, в 1885 году. Они распространяются медленнее, чем объемные волны, например, со скоростью, составляющей примерно 90% скорости S-волн для типичных однородных упругих сред. В слоистой среде (например, в коре и верхней мантии) скорость волн Рэйли зависит от их частоты и длины волны. См. также волны Лэмба.

Волны любви

Волны любви — это горизонтально поляризованные сдвиговые волны (SH-волны), существующие только в слоистой среде. Они названы в честь Августа Эдварда Хау Лава, британского математика, разработавшего математическую модель этих волн в 1911 году. Обычно они распространяются немного быстрее волн Рэлея, примерно на 90% скорости S-волн.

Волны Стоунли

Волна Стоунли — это тип граничной волны (или волновода), распространяющейся вдоль границы раздела твердого тела и жидкости или, при определенных условиях, вдоль границы раздела двух твердых тел. Амплитуды волн Стоунли достигают максимальных значений на границе между двумя соприкасающимися средами и экспоненциально уменьшаются по мере удаления от границы. Эти волны также могут генерироваться вдоль стенок заполненной жидкостью скважины, являясь важным источником когерентного шума при вертикальном сейсмическом профилировании (VSP) и формируя низкочастотную составляющую источника при акустическом каротаже. Уравнение для волн Стоунли впервые было получено доктором Робертом Стоунли (1894–1976), заслуженным профессором сейсмологии Кембриджского университета.

Полезность P и S волн в определении местоположения события

В случае местных или близлежащих землетрясений разница во времени прибытия P- и S-волн может быть использована для определения расстояния до очага. В случае землетрясений, произошедших на больших расстояниях, три или более географически разнесенных станций наблюдения (использующих единые часы), регистрирующих прибытие P-волн, позволяют вычислить уникальное время и местоположение события на планете. Обычно для вычисления гипоцентров используются десятки или даже сотни записей прибытия P-волн. Расхождение между расчетным и наблюдаемым временем прибытия, возникающее при вычислении гипоцентра, известно как "остаток". Остатки в 0,5 секунды или меньше типичны для дальних событий, остатки в 0,1–0,2 секунды типичны для местных событий, что означает, что большинство зарегистрированных прибытий P-волн хорошо соответствуют вычисленному гипоцентру. Как правило, программа определения местоположения начинает с предположения, что событие произошло на глубине около 33 км, а затем минимизирует остаток, корректируя глубину. Большинство событий происходят на глубине менее 40 км, но некоторые достигают глубины 700 км. Быстрый способ определить расстояние от точки наблюдения до источника сейсмической волны на расстоянии менее 200 км – это взять разницу во времени прибытия P- и S-волн в секундах и умножить на 8 километров в секунду. Современные сейсмические сети используют более сложные методы определения местоположения землетрясений. На телесейсмических расстояниях первые прибывающие P-волны неизбежно проходят глубоко в мантию и, возможно, даже преломляются во внешнем ядре планеты, прежде чем вернуться к поверхности Земли, где расположены сейсмографические станции. Волны движутся быстрее, чем если бы они проходили по прямой линии от очага землетрясения. Это связано со значительным увеличением скорости распространения волн внутри планеты и называется принципом Гюйгенса. Плотность планеты увеличивается с глубиной, что замедляет волны, но модуль упругости горных пород увеличивается в гораздо большей степени, поэтому глубже – значит быстрее. Следовательно, более длинный путь может занять меньше времени. Время в пути необходимо вычислять с высокой точностью для определения точного гипоцентра. Поскольку P-волны движутся со скоростью в несколько километров в секунду, даже погрешность в расчете времени в пути в полсекунды может привести к ошибке в несколько километров при определении расстояния. На практике используются прибытия P-волн с множества станций, и ошибки компенсируются, поэтому вычисленный эпицентр, вероятно, будет достаточно точным – в пределах 10–50 км по всему миру. Плотные сети близлежащих датчиков, такие как существующие в Калифорнии, могут обеспечить точность примерно в километр, а еще более высокая точность возможна при непосредственном измерении времени с помощью перекрестной корреляции сейсмограмм.