сейсмология

СЕЙСМОЛОГИЯ (от греч. seismos - колебание, землетрясение и logos - слово, учение) - наука о землетрясениях (З.). Осн. задачи, решаемые С.: исследование структуры земных недр и процессов в очагах 3., разработка методов уменьшения ущерба от сильных 3. (сейсмич. районирование и прогноз 3.), мониторинг (слежение, наблюдение) испытаний атомного оружия. Сейсмич. методы широко применяются при разведке полезных ископаемых, в частности нефти. С. стала интенсивно развиваться после 1889, когда в Потсдаме с помощью чувствит. маятников было зарегистрировано сильное 3. в Японии.

Регистрация землетрясений. Регистрация упругих волн, вызванных 3. или взрывом, выполняется сейсмографами. Как правило, сейсмич. обсерватория оснащается сейсмографами, регистрирующими три компоненты смещения: вертикальную, север - юг и восток - запад. Осн. элементом сейсмографа является массивное тело, крепящееся к корпусу прибора пружиной. При смещении корпуса, жёстко связанного с Землёй, это тело стремится сохранить прежнее положение. Смещения тела относительно корпуса преобразуются в электрич. сигналы и регистрируются в аналоговом или цифровом виде. Наим. смещения, регистрируемые сейсмографами, сравнимы с межатомными расстояниями (10^-10 м), динамич. диапазон достигает 140 дб.

Сейсмические волны. Упругие волны ,регистрируемые сейсмографами, принадлежат к неск. типам. По характеру пути распространения волны делятся на объёмные и поверхностные. В свою очередь объёмные волны подразделяются на продольные (Р)и поперечные (S), а поверхностные - на Рэлея волны и Лява волны .Объёмные волны распространяются во всём объёме Земли, за исключением жидкого ядра, не пропускающего поперечные волны. Продольные волны связаны с изменением объёма и распространяются со скоростью , где - модуль сжатия, - модуль сдвига (см. Модули упругости), - плотность среды. Поперечные волны не связаны с изменением объёма, их скорость равна. Движение частиц в волне 5 происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В сферически-симметричных моделях Земли луч, вдоль к-рого распространяется волна, лежит в вертикальной плоскости. Составляющая смещения в волне S в этой плоскости обозначается SV, горизонтальная составляющая - SH. Нек-рые оболочки Земли обладают упругой анизотропией; в этом случае поперечная волна расщепляется на две волны с разл. поляризациями и скоростями распространения. Параметры земных недр изменяются по вертикали и горизонтали. Поэтому в процессе распространения объёмные волны испытывают отражение, преломление, обмен (превращение Р в S и наоборот), а также дифракцию и рассеяние. В результате запись 3. (сейсмограмма) на большом расстоянии от источника распадается на ряд волновых пакетов или фаз. Отождествление фаз и определение координат источника выполняются с помощью набора стандартных таблиц (годографов), задающих время пробега как ф-цию пройденного рассеяния и глубины источника.

Поверхностные волны формируются в результате интерференции объёмных волн и распространяются в верх. оболочке Земли, эфф. толщина к-рой зависит от периода колебаний. Характерной особенностью поверхностных волн является дисперсия скоростей. Поверхностные волны Лява и Рэлея различаются скоростью распространения и поляризацией колебаний. Траектория частицы в волне Рэлея имеет составляющие SV и вертикальную; волны Лява имеют поляризацию SH.

Частотный спектр сейсмич. колебаний лежит в диапазоне от сотен Гц до Гц. Колебания с частотами порядка сотен Гц регистрируются только вблизи источника. В НЧ-области (периоды порядка сотен секунд и более) сейсмич. волны приобретают характер собств. колебаний упругого шара. Собств. колебания Земли делятся на сфероидальные, имеющие поляризацию волн Рэлея, и крутильные с поляризацией волн Лява. Известный к настоящему времени спектр сфероидальных и крутильных колебаний Земли насчитывает неск. тысяч собств. частот.

Сейсмология и строение Земли. Представления о внутр. строении Земли в очень большой степени основаны на сейсмич. данных. В соответствии с этими данными Земля разделяется на кору, мантию, жидкую внешнюю и твёрдую внутреннюю части ядра. Кора отделяется от мантии границей Мохоровичича, находящейся под океанами на глубине ~10 км и погружающейся под материками до глубин порядка неск. десятков км. В большей части мантии скорости упругих волн растут с глубиной; исключениями являются зона на глубинах 100-300 км и слой в подошве мантии. Наиб. рост наблюдается на глубинах 300-700 км, называемых зоной фазовых переходов или переходной зоной. Резкое увеличение скоростей происходит на сейсмич. границах, находящихся на глубинах ок. 400- 650 км; последняя часто рассматривается как граница между верхней и нижней частями мантии.

Механич. добротность мантии различна для продольных и поперечных волн; слой пониженной скорости на глубинах 100-300 км одновременно является зоной пониженной добротности. Пониженной добротностью характеризуется также внеш. зона внутр. ядра. Вопросы зависимости добротности от частоты носят дискуссионный характер.

Сейсмич. исследования структуры глубоких земных недр тесно связаны с изучением конвекции, к-рая приводит в движение литосферные плиты и контролирует т. о. тектонич. активность Земли. Трёхмерные модели Земли в целом и более детальные модели отд. регионов строятся методами сейсмич. томографии. Использование этих моделей при геодинамич. построениях опирается на связь скоростей распространения упругих волн с темп-рой и плотностью среды. Наиб. контрастные неоднородности скоростей распространения волн обнаруживаются в верхних (300 км) слоях мантии и в зоне. Важным объектом сейсмич. исследований являются образования с высокими скоростями распространения волн, связанные с погружёнными в мантию плитами океанич. литосферы; эти неоднородности прослеживаются до глубины не менее 1000 км. Объектами структурных исследований являются также рельефы границы ядро - мантия и др. сейсмич. границ. Направление течений в мантии оценивается по характеру связанной с ними упругой анизотропии, обусловленной упорядоченной ориентировкой кристаллов.

Сейсмичность и сейсмический очаг (источник сейсмич. волн). 3. представляют одно из проявлений тектонич. активности Земли. По глубине очага 3. разделяются на неглубокие, промежуточные (до 300 км) и глубокие. Макс. глубина очагов глубоких 3. ок. 700 км; почти все они сосредоточены в области Тихоокеанского пояса. Происхождение глубоких 3. связывают с разрядкой упругих напряжений в погружающихся плитах океанич. литосферы. Большинство неглубоких 3. (глубина очага до 80 км) происходит у границ литосферных плит и связано с разрядкой упругих напряжений, накапливающихся при относит. движении блоков литосферы. Ок. 75% энергии неглубоких 3. высвобождается в полосе, опоясывающей Тихий океан, и ок. 20% - в Альпийском поясе, протянувшемся от Средиземноморья до Гималаев. Помимо Тихоокеанского и Альпийского поясов местом сосредоточения большого числа неглубоких 3. являются срединно-океанич. хребты. Кроме 3. у границ литосферных плит известны сравнительно немногочисленные внутриплитовые 3.

Величину 3. характеризует параметр, называемый магнитудой (М)и оцениваемый по ф-ле вида

где а - амплитуда смещения в поверхностных волнах, Т - период преобладающих колебаний, величина С учитывает зависимость амплитуды смещений от расстояния. Аналогичная классификация производится по наблюдениям Р-волн. Практич. магнитуда оценивается по записям мн. сейсмич. станций. Удобство классификации 3. по магнитуде объясняется тем, что величина М тесно связана с величиной высвобожденной при 3. упругой энергии. Одна из ф-л, связывающих энергию (в эргах) с М, имеет вид

Магнитуда сильнейших 3. близка к 9, а соответствующая энергия ~10²⁵ эрг. В ср. по Земле число 3. N связано с магнитудой М соотношением вида

где с и b - постоянные (b 1). Т. о., число 3. логарифмически растёт с уменьшением магнитуды. Суммарная сейсмич. энергия почти полностью определяется вкладом сравнительно малочисленных сильнейших З.; они, как правило, относятся к категории неглубоких.

Для целей сейсмостойкого строительства чрезвычайно важны записи ускорений движения грунта в районе, окружающем очаг 3. Такие записи получают с помощью спец. инструментов, рассчитанных на большие смещения, чем обычные сейсмографы. Однако инструментальных данных во мн. случаях оказывается недостаточно. Поэтому интенсивность сотрясений, вызванных З., измеряется в баллах по 12-балльной шкале. Балл обычно устанавливается по характеру повреждения построек и результатам опроса очевидцев. Сравнение с инструментальными данными показывает, что балл пропорционален логарифму макс. ускорения грунта. Результаты картирования балла в области, окружающей очаг 3., представляются в виде схемы изосейст.

Кроме магнитуды и балльности очаг 3. характеризуется рядом др. параметров, устанавливаемых в результате интерпретации сейсмограмм. Большинство результатов в этой области получено с помощью модели очага в виде разрыва со смещением по внутр. поверхности (дислокац. модель). Анализ излучения в разл. направлениях от источника позволяет установить плоскость разрыва и направление подвижки по разрыву. Результаты такого анализа для 3. в разл. районах Земли послужили одним из аргументов, обеспечивших широкое признание идей тектоники плит. В случае волн, длина к-рых много больше возбудившего их разрыва, эквивалентом очага служит двойная пара сил, а из наблюдений определяется сейсмич. момент . Характерные значения М₀ лежат в диапазоне от 10³⁰ дин-см (Чилийское 3., 1960) до 10¹² дин*см (для микроземлетрясений). При наблюдениях в КВ-области выясняется, что сильное 3. является результатом неск. или многих элементарных сдвигов. Общая длина разрыва для таких 3. иногда достигает сотен км; вспарывание разрыва происходит со ср. скоростью, близкой к скорости распространения поперечных волн.

Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений. Сильные 3. часто происходят в малонаселённых районах, и приносимый ими ущерб невелик. Однако рост городов и строительство сейсмоопасных объектов (атомные электростанции, хим. заводы, высокие плотины) увеличивают сейсмич. опасность. Так, при Таншаньском 3. 28 июля 1976 в Китае погибло неск. сотен тысяч человек. При Спитакском 3. в Армении (1988) погибло неск. десятков тысяч человек, материальный ущерб достиг мн. млрд. рублей. Радикальный способ противостоять сильным 3.- сейсмостойкое строительство. Высокая стоимость этого строительства вызывает необходимость районирования тектонически активных территорий по степени сейсмич. опасности. Оценка макс. балла для определ. территории основана на опыте, свидетельствующем, что сильные 3., как правило, происходят на разломах земной коры, уже неоднократно порождавших похожие 3. в прошлом. Характерный интервал времени между сильными 3. на одном и том же участке разлома определяется индивидуальными особенностями разлома и может варьировать в пределах от десятков до тысяч лет. Сильные 3., происходившие в доисторич. времена, оставили следы на местности, распознавание и интерпретация к-рых выполняется методами палеосейсмологии.

Предсказание 3.- сложнейшая задача С. Для того чтобы предсказание имело практич. смысл, оно должно содержать три характеристики будущего 3.: время, место, силу. Различают долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогнозы 3. Соответствующие сроки находятся в пределах от неск. лет до десятков лет, от неск. недель до неск. лет, менее неск. недель. Существ. прогресс достигнут только в долгосрочном прогнозе сильных 3. Особенно полезной оказалась идея сойсмич. брешей: сильнейшие (М ~ 8) 3. Тихоокеанского пояса происходят таким образом, что очаг каждого нового 3. заполняет область, где такого 3. не было в течение последних ~100 лет. Идея брешей позволила сделать неск. оправдавшихся долгосрочных прогнозов.

Краткосрочные прогнозы основаны на аномальных изменениях разл. геофиз. полей и деформациях земной поверхности, изменениях уровня грунтовых вод и их хим. состава, появлении предваряющих толчков - форшоков. Трудности прогноза связаны с тем, что явления-предвестники трудно отличить от фоновых вариаций полей. Известен только один бесспорный случай успешного краткосрочного прогноза, позволившего принять меры для спасения населения: предсказание Хайчэнского 3. (1975) с магнитудой 7,3 в китайской провинции Ляонин. Решающим фактором в этом прогнозе было появление форшоков. Разработка эфф. методов краткосрочного прогноза требует длит. и систематич. изучения 3. и предваряющих их явлений в разл. геологич. условиях.

При подводных 3. опасность представляют очень длинные волны на поверхности воды - цунами. В наиб. степени воздействию цунами подвержены берега Тихого океана. Сравнительно низкая скорость распространения этих волн позволяет заблаговременно предупредить население о приближении цунами.

К проблеме сейсмич. опасности примыкает вопрос о техногенных 3. Известно три вида деятельности человека, провоцирующей 3.: заполнение крупных водохранилищ, закачка воды в скважины для увеличения нефтоотдачи и добыча твёрдых полезных ископаемых на большой глубине. Возникающие при этом 3. обычно относятся к категории слабых.

Мониторинг ядерных взрывов. Наиб. эфф. метод дистанционного мониторинга подземных ядерных испытаний - сейсмический. Мониторинг имеет две стадии: обнаружение сейсмич. сигналов и распознавание взрывов среди 3. Осн. критерий распознавания взрывов основан на различиях в пространственных координатах источников: ок. 90% всех сейсмич. событий идентифицируются как 3. просто потому, что они происходят или слишком глубоко, или в районах, непригодных для ядерных испытаний. Сейсмич. источник типа взрыва представляет центр расширения и этим принципиально отличается от сдвиговой дислокации, моделирующей очаг 3. Это приводит к ряду отличий в параметрах соответствующих волновых полей. Трудности распознавания возникают в случае слабого сигнала, когда наблюдается только малая часть волнового поля.

Возможности регистрации слабых сигналов лимитируются сейсмич. шумом. Наиб. силы этот шум (микросейсмы) достигает на периодах 5-8 с. Осн. источником микросейсм с периодами более 1 с служит волнение поверхности воды на обширных акваториях. На периодах менее 1 с в сейсмич. шуме присутствует техногенная составляющая.

Внеземная сейсмология. В кон. 1960-х гг. амер. экспедициями на Луне были размещены 5 сейсмич. станций, к-рые регистрировали ежегодно от 600 до 3000 слабых лунотрясений. Лунные сейсмограммы резко отличаются от земных очень длительной реверберацией, объясняемой высокой добротностью верх. оболочки Луны. Лунотрясения происходят на глубинах до 100 км и от 800 до 1000 км. Толчки второй (более глубинной) группы происходят преим. в те периоды, когда Луна максимально приближается к Земле. По сейсмич. данным, лунная кора имеет мощность от 60 до 100 км; на глубинах от 500 до 1000 км имеется зона пониженной скорости упругих волн.

В 1976 космич. аппаратом «Викинг» сейсмограф был установлен на поверхности Марса. Из-за высокого уровня помех ветрового происхождения достоверных данных о сейсмичности Марса получить не удалось.

Эфф. методом изучения внутр. структуры и динамики Солнца является солнечная сейсмология.

Сейсмическая разведка. Сейсмич. методы находят широкое применение при исследованиях структуры верх. части земной коры в связи с поисками полезных ископаемых, особенно нефти и газа. Сейсмич. колебания возбуждаются взрывами или механич. устройствами; сейсмоприёмники размещаются на поверхности Земли или в стволах скважин. Для картирования подземных структур используются преим. отражённые волны. Наиб. распространением пользуется методика общей глубинной точки. В этой методике для получения каждой точки отражающей границы служат записи большого числа источников и приёмников. Методы сейсморазведки широко применяют также для исследования структуры земной коры на всю её глубину.

Лит.: А к и К., Ричардс П., Количественная сейсмология, пер. с англ., т. 1-2, М., 1983; Моги К., Предсказание землетрясений, пер. с англ., М., 1988. Л. П. Винпик.

   <<      Предметный указатель      >>