Сейсмические волны

Сейсмические волны — это колебания упругой среды, распространяющиеся от источника возбуждения (очага землетрясения, взрыва, техногенного воздействия) в твёрдой оболочке Земли, её жидком ядре и, в определённых условиях, в водной и воздушной оболочках. Являются основным предметом изучения сейсмологии и ключевым инструментом для исследования внутреннего строения планеты, регистрации землетрясений и контроля за техногенной деятельностью.

Природа и механизм возникновения

Сейсмические волны возникают вследствие внезапного высвобождения упругой энергии, накопленной в горных породах. Основным природным источником служат тектонические землетрясения, происходящие при разрыве сплошности земной коры или верхней мантии вдоль разлома. В момент разрыва породы по обе стороны от разлома упруго возвращаются к новому положению равновесия, порождая упругие колебания, которые распространяются во все стороны от очага.

Кроме тектонических процессов, источниками могут быть:

• Вулканическая активность: движение магмы, взрывы газов, обрушение стенок жерла.
• Техногенные воздействия: промышленные взрывы (карьерные, строительные), ядерные испытания, работа тяжёлой техники, горные удары в шахтах, движение поездов метро.
• Импактные события: падение крупных метеоритов и астероидов.
• Обвалы и оползни: значительные перемещения больших масс горных пород.

Типы сейсмических волн

Сейсмические волны делятся на два основных класса: объёмные волны, распространяющиеся в толще среды, и поверхностные волны, идущие вдоль границы раздела сред (преимущественно вдоль земной поверхности).

Объёмные волны

Объёмные волны пронизывают внутренние слои Земли. Они подразделяются на два типа:

P-волны (продольные, или первичные):

• Характер движения: частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны, создавая чередующиеся области сжатия и разрежения. Аналогичны звуковым волнам в воздухе.
• Скорость: наибольшая среди всех типов сейсмических волн. В земной коре скорость составляет 5–7 км/с, в мантии — до 13–14 км/с, в ядре — около 8–11 км/с. Скорость зависит от плотности и упругих свойств среды (модуля всестороннего сжатия и модуля сдвига).
• Среда распространения: могут проходить через твёрдые, жидкие и газообразные среды. Именно благодаря способности проходить через жидкое внешнее ядро P-волны регистрируются на противоположной стороне Земли.
• Регистрация: на сейсмограммах появляются первыми (отсюда название «первичные»).

S-волны (поперечные, или вторичные):

• Характер движения: частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Возникают сдвиговые деформации.
• Скорость: примерно в 1,7 раза меньше скорости P-волн в той же среде. В земной коре — 3–4 км/с, в мантии — до 7–8 км/с.
• Среда распространения: не распространяются в жидкостях и газах, так как эти среды не обладают сопротивлением сдвигу. Вследствие этого S-волны не проходят через жидкое внешнее ядро Земли, создавая «теневую зону» на противоположной стороне планеты.
• Регистрация: приходят на сейсмостанцию вторыми (отсюда название «вторичные»). Амплитуда S-волн обычно в несколько раз больше амплитуды P-волн, что делает их основным источником сейсмических разрушений.

Поверхностные волны

Поверхностные волны возникают при взаимодействии объёмных волн с границей раздела сред (земная поверхность). Они распространяются медленнее объёмных, но обладают большей амплитудой и длительностью, вызывая наиболее сильные колебания грунта на значительных расстояниях от эпицентра. Основные типы:

Волны Лява (LQ):

• Характер движения: частицы грунта колеблются горизонтально, перпендикулярно направлению распространения волны, без вертикальной составляющей. Аналогичны движению змеи, ползущей по земле.
• Скорость: зависит от частоты (дисперсия), но в целом меньше скорости S-волн. В верхнем слое коры скорость может составлять 2–4 км/с.
• Особенности: являются наиболее опасными для фундаментов зданий из-за горизонтальных сдвиговых нагрузок. Названы в честь британского математика Огастеса Эдварда Хафа Лява.

Волны Рэлея (LR):

• Характер движения: частицы движутся по эллиптическим траекториям в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волны. Движение напоминает волны на воде, но с обратным направлением вращения частиц в верхней части эллипса.
• Скорость: примерно 0,9 от скорости S-волн в поверхностном слое. Являются самыми медленными из основных типов сейсмических волн.
• Особенности: вызывают как вертикальные, так и горизонтальные колебания. Именно волны Рэлея ответственны за «качание» земли при сильных землетрясениях. Названы в честь британского физика Джона Уильяма Стретта (лорда Рэлея).

Основные характеристики

Сейсмические волны описываются рядом физических параметров:

• Скорость распространения: определяется плотностью и упругими модулями среды (модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона). С глубиной скорость как P-, так и S-волн в целом возрастает, но претерпевает скачки на границах сейсмических разделов (например, граница Мохоровичича, граница Гутенберга).
• Амплитуда: максимальное отклонение частиц от положения равновесия. Пропорциональна энергии волны. Уменьшается с расстоянием от источника из-за геометрического расхождения и поглощения энергии средой.
• Частота и период: сейсмические волны охватывают широкий диапазон частот — от сотен герц (высокочастотные, локальные события) до сотен секунд (низкочастотные, собственные колебания Земли). Типичные периоды объёмных волн — 0,1–10 с, поверхностных — 10–300 с.
• Длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Зависит от скорости и частоты.

Распространение и затухание

Распространение сейсмических волн в реальной среде подчиняется законам геометрической сейсмики, аналогичным законам оптики.

• Рефракция (преломление): при переходе из слоя с одной скоростью в слой с другой скоростью волна изменяет направление. Вследствие непрерывного увеличения скорости с глубиной, волны искривляются, огибая Землю.
• Отражение: на границах раздела сред (например, земная поверхность, граница кора-мантия) часть энергии волны отражается обратно.
• Затухание: энергия волны уменьшается за счёт:
• Геометрического расхождения: энергия распределяется по всё большей площади фронта волны.
• Поглощения (внутреннего трения): часть энергии переходит в тепло из-за неупругих свойств горных пород. Высокочастотные волны затухают быстрее низкочастотных.
• Рассеяния: на неоднородностях среды (трещины, включения, границы блоков).

Регистрация и методы исследования

Основным инструментом регистрации сейсмических волн является сейсмограф — прибор, измеряющий колебания грунта относительно инертной массы. Современные сейсмографы — высокочувствительные цифровые системы, способные регистрировать смещения от долей нанометра до метров.

По записям сейсмических волн (сейсмограммам) решаются следующие задачи:

• Определение параметров землетрясения: координаты очага (гипоцентра), эпицентра, магнитуда, энергия, время возникновения. Для этого используются разности времён вступления P- и S-волн на нескольких станциях.
• Сейсмическая томография: метод, аналогичный компьютерной томографии в медицине. Анализируя времена пробега и траектории тысяч сейсмических волн от землетрясений и взрывов, строятся трёхмерные модели распределения скоростей внутри Земли. Это позволяет выявлять зоны пониженных и повышенных скоростей, соответствующие мантийным плюмам, зонам субдукции, границам тектонических плит.
• Сейсморазведка: активный метод геофизических исследований, при котором искусственно возбуждаются сейсмические волны (взрывы, вибраторы). По отражённым и преломлённым волнам изучают геологическое строение верхних слоёв земной коры для поиска месторождений нефти, газа, рудных полезных ископаемых, а также для инженерно-геологических изысканий.
• Мониторинг ядерных испытаний: Международная система мониторинга (МСМ) использует сейсмические станции для обнаружения подземных ядерных взрывов, отличая их от землетрясений по характерным признакам (соотношение P- и S-волн, глубина, форма записи).

Значение для науки и практики

Изучение сейсмических волн имеет фундаментальное научное и прикладное значение:

• Внутреннее строение Земли: именно анализ сейсмических волн позволил установить слоистую структуру планеты — земную кору, мантию, внешнее жидкое и внутреннее твёрдое ядро. Открытие «теневой зоны» для S-волн доказало наличие жидкого внешнего ядра.
• Сейсмическое районирование и прогноз: данные о сейсмических волнах используются для оценки сейсмической опасности территорий, создания карт сейсмического районирования, разработки строительных норм и правил (сейсмостойкое строительство).
• Геодинамика: сейсмические волны позволяют изучать процессы в мантии, движение тектонических плит, механизмы очагов землетрясений.

Источники

• Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. Теория и методы. — М.: Мир, 1983.
• Болт Б. А. Землетрясения. — М.: Мир, 1981.
• Саваренский Е. Ф., Кирнос Д. П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. — М.: Гостехиздат, 1955.
• Штейн С., Виссерсон М. Введение в сейсмологию. — Cambridge University Press, 2003.
• Лейт К. Ф. Сейсмические волны. — McGraw-Hill, 1960.