Введение
Сейсмология (от древнегреческого σεισμός (seismós) – «землетрясение» и λογία (logía) – «изучение») – это научное изучение землетрясений (или, в общем, сейсмических колебаний) и генерации и распространения упругих волн в Земле или других планетарных телах. Она также включает в себя изучение влияния землетрясений на окружающую среду, таких как цунами, а также разнообразные сейсмические источники, такие как вулканическая активность, тектонические процессы, ледниковые движения, речная деятельность, океанические микросейсмы, атмосферные явления и искусственные процессы, например, взрывы и деятельность человека. Палеосейсмология – смежная область, использующая геологические данные для изучения землетрясений в прошлом. Регистрация колебаний Земли во времени, полученная с помощью сейсмографа, называется сейсмограммой. Сейсмолог – это ученый, занимающийся фундаментальными или прикладными исследованиями в области сейсмологии.
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.
История
Интерес ученых к землетрясениям восходит к античности. Ранние предположения о естественных причинах землетрясений были включены в труды Фалеса Милетского (ок. 585 г. до н.э.), Анаксимена Милетского (ок. 550 г. до н.э.), Аристотеля (ок. 340 г. до н.э.) и Чжан Хэна (132 г. н.э.). В 132 году н.э. Чжан Хэн из китайской династии Хань разработал первый известный сейсмоскоп. В XVII веке Афанасий Кирхер утверждал, что землетрясения вызваны движением огня в системе каналов внутри Земли. Мартин Листер (1638–1712) и Николас Лемери (1645–1715) предположили, что землетрясения были вызваны химическими взрывами внутри Земли. Лиссабонское землетрясение 1755 года, совпавшее с общим расцветом науки в Европе, стимулировало более интенсивные научные попытки понять поведение и причины землетрясений. Первые работы в этой области принадлежат Джону Бевису (1757) и Джону Мичеллу (1761). Мичелл установил, что землетрясения происходят внутри Земли и представляют собой волны движения, вызванные «сдвигом масс горных пород на расстоянии нескольких миль под поверхностью». В ответ на серию землетрясений вблизи Комри (Шотландия) в 1839 году в Великобритании был создан комитет для разработки более совершенных методов обнаружения землетрясений. Результатом стало создание одного из первых современных сейсмометров Джеймсом Дэвидом Форбсом, впервые представленного в отчете Дэвида Милна Хоума в 1842 году. Этот сейсмометр представлял собой перевернутый маятник, который регистрировал измерения сейсмической активности с помощью карандаша, касающегося бумаги над маятником. Согласно отчетам Милна, представленные конструкции оказались неэффективными. С 1857 года Роберт Малле заложил основы современной инструментальной сейсмологии и провел сейсмологические эксперименты с использованием взрывчатых веществ. Он также ввел термин «сейсмология». В 1897 году теоретические расчеты Эмиля Вихерта привели его к выводу, что внутреннее строение Земли состоит из мантии силикатов, окружающей железное ядро. В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм идентифицировал раздельное прихождение P-волн, S-волн и поверхностных волн на сейсмограммах и обнаружил первое четкое доказательство наличия у Земли центрального ядра. В 1909 году Андрия Мохоровичич, один из основателей современной сейсмологии, открыл и определил разрыв Мохоровичича. Обычно называемый «разрывом Мохо» или просто «Мохо», он представляет собой границу между земной корой и мантией. Он определяется отчетливым изменением скорости сейсмологических волн при прохождении через слои горных пород различной плотности. В 1910 году, изучив землетрясение в Сан-Франциско в апреле 1906 года, Гарри Филдинг Рид выдвинул «теорию упругого отскока», которая и сегодня является основой современных тектонических исследований. Развитие этой теории опиралось на значительный прогресс, достигнутый ранее в независимых исследованиях поведения упругих материалов и в математике. Первое научное исследование афтершоков разрушительного землетрясения было проведено после землетрясения в Халапе (Мексика) в январе 1920 года. После землетрясения на мексиканский город Халапа железнодорожным транспортом был доставлен сейсмограф Вихерта. Прибор был установлен для регистрации афтершоков. Данные сейсмографа в конечном итоге показали, что основной толчок произошел вдоль неглубокого разлома земной коры. В 1926 году Гарольд Джеффрис первым предположил, основываясь на изучении сейсмических волн, что под мантией ядро Земли находится в жидком состоянии. В 1937 году Инге Леманн установила, что внутри жидкого внешнего ядра Земли существует твердое внутреннее ядро. К 1960-м годам наука о Земле достигла такого уровня развития, что всеобъемлющая теория причинности сейсмических событий и геодезических движений объединилась в хорошо известную теорию тектоники плит.
Типы сейсмических волн
Сейсмические волны — это упругие волны, распространяющиеся в твердых или жидких средах. Их можно разделить на объемные волны, распространяющиеся внутри сред; поверхностные волны, распространяющиеся вдоль поверхностей или границ между средами; и собственные колебания, являющиеся формой стоячей волны.
Волны тела
Существует два типа волн, распространяющихся в теле Земли: волны давления, или первичные волны (P-волны), и волны сдвига, или вторичные волны (S-волны). P-волны – это продольные волны, которые характеризуются сжатием и расширением в направлении движения и всегда первыми регистрируются на сейсмограмме, так как являются самыми быстрыми волнами, распространяющимися в твердых телах. S-волны – это поперечные волны, движущиеся перпендикулярно направлению распространения. S-волны распространяются медленнее, чем P-волны, и поэтому появляются на сейсмограмме позже. Жидкости не способны поддерживать поперечные упругие волны из-за их низкой прочности на сдвиг, поэтому S-волны распространяются только в твердых телах.
Поверхностные волны
Поверхностные волны являются результатом взаимодействия P- и S-волн с поверхностью Земли. Эти волны дисперсны, то есть различные частоты имеют разные скорости. Два основных типа поверхностных волн – это волны Рэлея, которые характеризуются как сжимающими, так и сдвиговыми движениями, и волны любви, которые являются чисто сдвижными. Волны Рэлея возникают в результате взаимодействия P-волн и вертикально поляризованных S-волн с поверхностью и могут существовать в любой твердой среде. Волны любви формируются горизонтально поляризованными S-волнами, взаимодействующими с поверхностью, и могут существовать только при наличии изменения упругих свойств с глубиной в твердой среде, что всегда имеет место в сейсмологических задачах. Поверхностные волны распространяются медленнее, чем P-волны и S-волны, поскольку являются результатом движения этих волн по косвенным траекториям для взаимодействия с поверхностью Земли. Благодаря распространению по поверхности Земли, их энергия затухает менее быстро, чем у объемных волн (1/расстояние² против 1/расстояние³), и, следовательно, колебания, вызванные поверхностными волнами, обычно сильнее, чем колебания, вызванные объемными волнами, а основные поверхностные волны часто являются самыми крупными сигналами на сейсмограммах землетрясений. Поверхностные волны сильно возбуждаются при расположении источника близко к поверхности, например, при неглубоком землетрясении или взрыве вблизи поверхности, и значительно слабее – при глубоких источниках землетрясений.
Обнаружение сейсмических волн
Сейсмометры — это датчики, которые обнаруживают и регистрируют колебания Земли, вызванные упругими волнами. Сейсмометры могут устанавливаться на поверхности Земли, в неглубоких убежищах, в скважинах или под водой. Полный комплект приборов для регистрации сейсмических сигналов называется сейсмографом. Сети сейсмографов непрерывно регистрируют движения земной коры по всему миру для мониторинга и анализа глобальных землетрясений и других источников сейсмической активности. Оперативное определение местоположения землетрясений позволяет выдавать предупреждения о цунами, поскольку сейсмические волны распространяются значительно быстрее, чем волны цунами. Сейсмометры также регистрируют сигналы от источников, не связанных с землетрясениями, – от взрывов (ядерных и химических) до локального шума от ветра или деятельности человека, а также постоянные сигналы, генерируемые на дне океана и побережьях под воздействием океанских волн (глобальные микросейсмы), и криосферные явления, связанные с крупными айсбергами и ледниками. Сейсмографами были зарегистрированы падения метеоритов в океан с энергией до 4,2 × 10¹³ Дж (эквивалентной энергии взрыва десяти килотонн тротила), а также ряд промышленных аварий, террористических актов и взрывов (область исследований, известная как судебно-сейсмическая экспертиза). Важнейшей долгосрочной задачей глобального сейсмографического мониторинга является обнаружение и изучение ядерных испытаний.
Карта внутренней части Земли
Поскольку сейсмические волны обычно эффективно распространяются при взаимодействии с внутренним строением Земли, они предоставляют высокоразрешающие неинвазивные методы изучения недр планеты. Одним из первых важных открытий (предложенное Ричардом Диксоном Олдхэмом в 1906 году и окончательно подтвержденное Гарольдом Джеффрисом в 1926 году) стало установление, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии. Поскольку S-волны не распространяются в жидкостях, жидкое ядро вызывает "тень" на стороне планеты, противоположной эпицентру землетрясения, где прямые S-волны не регистрируются. Кроме того, P-волны проходят через внешнее ядро значительно медленнее, чем через мантию. Обрабатывая показания множества сейсмометров с помощью сейсмотомографии, сейсмологи составили карту мантии Земли с разрешением в несколько сотен километров. Это позволило ученым выявить конвективные ячейки и другие крупномасштабные структуры, такие как обширные области пониженной скорости сдвига вблизи границы ядра и мантии.
Прогноз землетрясений
Прогнозирование вероятного времени, местоположения, магнитуды и других важных характеристик предстоящего сейсмического события называется предсказанием землетрясения. Сейсмологи и другие специалисты предпринимали различные попытки создать эффективные системы для точного предсказания землетрясений, включая метод VAN. Большинство сейсмологов не считают, что система, способная своевременно предупреждать об отдельных землетрясениях, была разработана, и многие полагают, что такая система вряд ли сможет дать полезное предупреждение о надвигающихся сейсмических событиях. Однако более общие прогнозы обычно оценивают сейсмическую опасность. Такие прогнозы определяют вероятность землетрясения определенной магнитуды, которое может затронуть конкретное место в течение определенного периода времени, и они регулярно используются в сейсмостойком строительстве. Широкая общественная дискуссия о предсказании землетрясений разгорелась после того, как итальянские власти предъявили обвинение в непредумышленном убийстве шести сейсмологам и одному государственному служащему в связи с землетрясением магнитудой 6,3, произошедшим 5 апреля 2009 года в Л'Аквиле, Италия. В отчете, опубликованном в журнале Nature, говорилось, что обвинение было широко воспринято в Италии и за рубежом как наказание за неспособность предсказать землетрясение и вызвало осуждение со стороны Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского геофизического союза. Однако в журнале также отмечалось, что жители Аквилы не считают причиной обвинения неудачу в предсказании землетрясения, а скорее предполагаемую неспособность ученых оценить и донести информацию о риске. В обвинительном заключении утверждается, что на специальном совещании в Л'Аквиле, состоявшемся за неделю до землетрясения, ученые и чиновники больше заботились об успокоении населения, чем о предоставлении адекватной информации о риске землетрясения и мерах готовности. В регионах, где существует историческая летопись, она может быть использована для оценки времени, местоположения и магнитуды будущих сейсмических событий. При этом необходимо учитывать ряд интерпретационных факторов. Эпицентры или гипоцентры и магнитуды исторических землетрясений подлежат интерпретации, что означает, что землетрясения магнитудой 5-6 Mw, описанные в исторических документах, могли быть более сильными событиями, произошедшими в других местах, которые лишь умеренно ощущались в населенных пунктах, где велись письменные записи. Документация исторического периода может быть скудной или неполной и не давать полной картины географического масштаба землетрясения, или исторические записи могут охватывать лишь несколько столетий, что является очень коротким периодом времени в сейсмическом цикле.
Инженерная сейсмология
Инженерная сейсмология – это изучение и применение сейсмологии в инженерных целях. Как правило, она относится к разделу сейсмологии, занимающемуся оценкой сейсмической опасности участка или региона для целей сейсмостойкого строительства. Таким образом, инженерная сейсмология является связующим звеном между науками о Земле и гражданским строительством. Инженерная сейсмология имеет две основные составляющие. Во-первых, это изучение истории землетрясений (например, исторической сейсмичности) и тектоники для оценки возможных землетрясений в регионе, их характеристик и частоты повторения. Во-вторых, это изучение сильных колебаний земной поверхности, вызванных землетрясениями, для оценки ожидаемой интенсивности сотрясений от будущих землетрясений с аналогичными характеристиками. Эти сильные колебания могут быть получены как путем наблюдений с помощью акселерометров и сейсмометров, так и путем компьютерного моделирования с использованием различных методов, которые затем часто используются для разработки уравнений прогнозирования колебаний земной поверхности (или моделей колебаний земной поверхности).