Когда происходит землетрясение, мы должны знать, каковы его записи, чтобы иметь возможность интуитивно понять, могут ли повторные толчки произойти. Место регистрации движения грунта — это сейсмограмма. Сейсмограмма — это график, на котором фиксируются записи, измеренные сейсмографом. Основная функция сейсмографа — измерение скорости и типа сейсмической волны, возникающей во время землетрясения.
В этой статье мы расскажем, как работает сейсмограмма и насколько важны записи землетрясений.
Как формируется землетрясение
Первым делом нужно знать, как формируется землетрясение. Как известно, земная кора делится на тектонические плиты. Взаимодействие между этими тектоническими плитами является основной причиной землетрясений. Тем не менее, не единственный. Любого процесса, который может достичь большого количества энергии, содержащейся в породах, достаточно для возникновения землетрясений. Размер таких землетрясений будет зависеть от области концентрации напряжений и других факторов.
Теперь поговорим о том, какие факторы могут вызвать землетрясение:
Что такое сейсмограмма
Когда землетрясение начинает посылать волны от гипоцентра к эпицентру, устройство, известное как сейсмограф, отвечает за измерение величины этих волн. На сейсмограмме отмечается запись всех сейсмических волн. Сейсмограмма может собрать всю информацию о землетрясении. В нем записаны часы, интенсивность, скорость и расстояние, на котором произошло землетрясение.
Поскольку скорости разных типов волн различны, они могут дать отличную информацию о самом землетрясении. Зубцы P — это те первичные зубцы, которые имеют большую скорость. S-волны — это волны, которые движутся с меньшей скоростью. Их называют поверхностными волнами. Разница между скоростями каждого типа волн — это то, что используется для определения местоположения очага землетрясения.
Как мы измеряем землетрясение
Энергия землетрясения передается в виде колебаний. Эти сейсмические волны регистрируются с помощью сейсмографа. Это устройство будет указывать интенсивность и величину вибрации сейсмических волн. Сейсмограмма указывает на целую серию зигзагов на бумаге, где, наконец, будет представлена вся интенсивность волн землетрясения.
Здесь мы можем увидеть время, место и интенсивность землетрясения на основе информации, полученной с помощью сейсмограммы. Он также может предоставить информацию о типе породы, через которую прошли сейсмические волны.
Измерения сейсмограмм относятся к шкале Рихтера. Эта шкала магнитуд была создана в 1935 году сейсмологом Чарльзом Рихтером, и значения варьируются от 1 до открытого конца. Это количественные измерения. Он отвечает за измерение сейсмической энергии, выделяемой при каждом землетрясении, независимо от его интенсивности. Его измерение основано в основном на амплитуде волны, записанной на сейсмограмме.
На сегодняшний день это самый известный и наиболее часто используемый способ классификации землетрясений. Теоретически у этой шкалы нет ограничений, но шкала 9 уже означает полное разрушение. Самое сильное землетрясение в истории произошло в Чили в 1960 году и достигло 9.5 баллов по шкале Рихтера.
Сейсмограммы фиксируют естественное или искусственное движение земли. Это естественное движение связано с континентальным дрейфом тектонических плит. Как трение, так и трение между окружающими материалами, сегодня разрушение материалов высвобождает энергию по-разному. Эти формы обычно возникают из-за сейсмических волн. Скорости, с которыми эти колебания проходят через среду, могут дать важную информацию для определения гипоцентра землетрясения. Все эти колебания можно увидеть на сейсмограмме.
Сейсмометр состоит из двух компонентов: горизонтального и вертикального. Он способен регистрировать сигнал двумя его компонентами в дополнение к третьему, вертикальному. Цель — сила определять правильную скорость сейсмических волн и уметь правильно определять местонахождение гипоцентра землетрясения. Зная гипоцентр землетрясения, можно узнать, что эпицентр будет расположен вертикально.
Сейсмограмма и запись
С помощью сейсмограммы можно визуализировать скорость сейсмических волн, которые обычно являются поверхностными волнами или объемными волнами (P-волны и S-волны). Первая зарегистрированная волна — это Р, поскольку она имеет наибольшую скорость.
По типу сейсмического события различают несколько типов сейсмограмм. Есть сейсмограммы для местные, региональные, телесейсмические явления, ядерные взрывы, сильные землетрясения, вулканическое движение и вулканические землетрясения. Все эти типы генерируют разные сигналы со своими характеристиками, которые помогают сейсмограмме определить, какой тип события произошел.
Надеюсь, что с этой информацией вы сможете больше узнать о сейсмограмме.
Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н.А. Шило Дальневосточного отделения РАН
Рассмотрены результаты экспериментов по регистрации сейсмических сигналов, возбужденных ударом и взрывом. Сейсмические события представляются следствием перехода потенциальной энергии в кинетическую и распространения механического импульса в виде сейсмического излучения.
1. Мишин С. В. О физике сейсмических процессов. L AP Lambert Academic Publishing. http://www.lap-publishing.com). – 2013. – 196 с.
2. Мишин С. В. Сейсмические процессы и сохранение импульса. – Магадан: СВКНИИ ДВО РАН, 2004. – 115 с.
3. Липцис Г. Я., Мишин С. В., Шищенко А. П. Регистрация сотрясений от промышленных взрывов // Колыма. – 1991. – №1. – С.17-20.
4. Саваренский Е. Ф. Сейсмические волны. – М.: Недра, 1972. – 96 с.
5. Рыкунов Л. Н. Микросейсмы. Экспериментальные характеристики естественных микровибраций грунта в диапазоне периодов 0.07-8 сек. – М.: Наука, 1975. – 85 с.
Наглядной моделью сейсмического события может служить дробление камня с помощью молотка и зубила. Что разбивает камень? Молоток вообще не касается камня в процессе разбивания, зубило контактирует с камнем в узкой зоне, а осколки отлетают от камня далеко от зоны контакта с зубилом. Немного логики и становится ясно, что камень разрушался сейсмическим излучением, сформированным при ударе молотка об обушок зубила и распространившимся вдоль зубила как вдоль проводника сейсмического излучения. В результате удара молотка обушок зубила приобрел механический импульс (количество движения); этот импульс распространился со скоростью сейсмических волн вдоль металла и был передан камню в зоне его контакта с зубилом. Изменение количества движения по определению есть ньютоновская сила и действует эта сила на поверхности волнового фронта, на границе, разделяющей в данный момент частицы камня еще не приобретшие импульс от частиц уже обладающих импульсом. Действие ньютоновских сил приводит к разрыву сплошности камня, а избыток импульса определяет движение массивных обломков.
Таким образом, сейсмическое событие можно характеризовать интенсивностью сейсмического излучения – значением переданного в среду импульса, а также распределением в пространстве и во времени ньютоновских сил – производных импульса по времени. Повторим, что любая помеха, действующая на работающий сейсмограф, может и должна характеризоваться этими величинами так же как и таинственный процесс землетрясения.
Сейсмические события можно грубо классифицировать на три группы – удары, взрывы и землетрясения. Сотрясения от движущегося транспорта, работающей техники, ветра, морского прибоя представляются сериями ударов разного направления и интенсивности, следующих во времени. Промышленный взрыв также обычно представляется серией последовательных взрывов зарядов ВВ, различающихся положением в пространстве и во времени. Физические измерения в очагах землетрясений пока не проводились, поэтому представления о характере движений в гипоцентрах формируются умозрительным путем. Откуда же появляется импульс в источниках сейсмического излучения? Если физическое тело обладает запасом потенциальной энергии, то при определенных условиях эта энергия может перейти в кинетическую, т.е. в движение массы. Движение же массы непременно определяется скоростью и направлением, т.е. кинетическая энергия в отличие от других видов энергии непременно связана с механическим импульсом. Кинетическая энергия Е представляет собой в общем виде следующее выражение:
Е = Р2/2М + S2/2J,
где Р – количество движения, приобретенное массой М, а S – момент количества движения, приобретенный телом с моментом инерции J.
Первая часть выражает энергию поступательного движения (продольной волны), а вторая – вращательного движения или поворота (поперечной волны). Кинетическая энергия возникает при преобразовании разных форм потенциальной энергии – гравитационной, химической, упругой, электромагнитной. Падающий камень приобретает кинетическую энергию, расходуя потенциальную энергию тяготения Земли. Сейсмическое событие наступит тогда, когда камень затормозится, отдавая по мере торможения приобретенный за время падения импульс. При взрывном превращении химическая потенциальная энергия ВВ переходит в кинетическую, причем масса продуктов реакции тормозится о стенки взрывной камеры, отдавая полученный импульс. При подаче электрического сигнала на обмотку электродвигателя, его ротор поворачивается, вырабатывая кинетическую энергию – стоящий неподалеку сейсмоприемник регистрирует сейсмические сигналы. Когда мальчик отпускает резинку, упругая энергия рогатки переходит в кинетическую энергию камня, который готов свершить сейсмическое событие. При попадании камня в мишень его импульс отдается тормозящей среде – сейсмограф регистрирует сейсмическое событие. ( Премудрость современной сейсмологии – это ошибочное описание именно последнего процесса – упругой отдачи).
Таким образом, непременным условием сейсмического события является переход потенциальной энергии в кинетическую и последующее движение массы. Первой фазой сейсмического события является торможение движущейся массы. По мере торможения массы ее импульс передается тормозящим связям по законам удара. Первый этап события заканчивается остановкой массы – полной передачей импульса окружающей среде. Роль источника сейсмического излучения на этом заканчивается. Однако сейсмическое событие продолжается – импульс в виде сейсмических волн распространяется в материальной среде – системе связанных масс. При этом сейсмический сигнал приобретает знакопеременную форму и характерную структуру – внезапное начало, довольно однородный частотный состав, постепенное убывание интенсивности сигналов. Длительность первоначального воздействия на среду сопоставима с половиной первого смещения, зарегистрированного на сейсмограмме (т.е. с четвертью периода, характерного для начала сотрясения). В сотрясении, следовательно, можно выделять первую фазу – выход системы из исходного равновесного состояния под действием внешнего воздействия ( удара или взрыва) – и релаксацию – восстановление равновесного состояния системы связанных масс. Распространение механического импульса в материальной среде происходит со скоростью сейсмических волн, импульс сохраняется в сферическом слое, радиус которого увеличивается. Все эти явления составляют суть любого сейсмического события, различаются лишь интенсивности воздействий, их длительности и, соответственно, силы, действующие на связи, объединяющие элементы материальной системы, в которой событие происходит. Ниже мы рассмотрим подробнее общие свойства и различия между сейсмическими событиями, связанными с ударами, взрывами и землетрясениями.
Удар твердого тела генерирует пакет сейсмического излучения, который регистрируется в виде знакопеременных смещений основания прибора. На рис.1 представлены результаты цифровой регистрации сотрясений, полученных с применением пьезоэлектрического датчика.
Рис.1. Сейсмограммы ударов жестких тел по разным основаниям. а – удар по жесткому основанию; б – удар по стальному кольцу; в – удар по вазелину; г – удар по подвешенной стальной гире
Из рисунка видно, что формы пакетов излучения весьма разнообразны. Начала сотрясений, как правило, резки, а кода – процесс восстановления равновесия возбужденных систем – формируется характеристиками сотрясающихся сред. Ньютоновская сила, действующая при передаче импульса от ударяющего тела, вызывает смещение материала мишени на площадке удара, нарушает равновесное состояние среды. Импульс распространяется дальше со скоростью сейсмических волн, а среда восстанавливает равновесие в виде колебательного процесса. На рис.2 (аналоговая запись) представлены сейсмограммы ударов стального шара по поверхности силикатного клея, заполняющего банку.
Рис.2. Сейсмограммы ударов стального шарика по поверхности силикатного клея. а – сразу после заполнения емкости; б – через 3 часа после заполнения; в – через сутки после заполнения
По мере затвердевания клея характер сейсмических сигналов заметно изменяется – начальная амплитуда растет, а кода приобретает повышенную частоту.
Таким образом, в результате одиночного удара материальная система приобретает импульс (количество движения), который распространяется со скоростью «упругой» волны от элемента массы к соседнему элементу, причем фронт волны действует на связи между элементами; сила воздействия определяется как производная по времени значения импульса в выбранном пункте. Восстановление равновесного состояния системы (не обязательно первоначального) происходит после перемещения импульса в удаленные зоны системы. Например, рис.1г иллюстрирует ситуацию, когда возбуждающий импульс не выходит за пределы тела (подвешенной гири), отчего импульс многократно отражается от границ и создает протяженный во времени пакет сотрясения.
Сейсмограммы взрывов и землетрясений
Рис.3. Сейсмограмма сотрясения жилого дома при промышленном взрыве на расстоянии 4700 м от него. 1 – сотрясение на площадке 5-го этажа; 2 – сотрясение грунта перед зданием; 3 – вступление воздушной волны
В первую очередь можно отметить интенсивную воздушную волну, отстающую от начала сотрясения из-за меньшей скорости распространения. На грунте эта волна мало заметна. Различается частотный состав первой группы колебаний.
Сейсмические сигналы, регистрируемые в разных ситуациях, позволяют поддержать высказанные ранее предположения о том, что сейсмические события сопровождают переход потенциальной энергии в кинетическую, что основой сейсмических событий является распространение механического импульса в сплошной среде. В источнике сейсмического излучения потенциальная энергия переходит в форму кинетической, масса приобретает механический импульс – количество движения и момент количества движения, импульс передается в окружающую среду по законам удара. Распространение импульса представляется пакетами сейсмических волн: поступательный импульс формирует продольную волну, вращательный импульс – поперечную. Вблизи дневной поверхности действие импульса вызывает перемещение масс в соответствии с законом сохранения, что фиксируется в виде поверхностных волн Релея и Лява.
Библиографическая ссылка
Мишин С. В. С ЕЙСМИЧЕСКИЕ СОБЫТИЯ И СЕЙСМОГРАММЫ // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 9-2.
– С. 111-114;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34365 (дата обращения: 23.08.2023).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)