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.

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).