Сейсмология ( / s aɪ z ˈ m ɒ l ə dʒ i , s aɪ s -/ ; от древнегреческого σεισμός ( seismós ), означающего « землетрясение » и -λογία ( -logía ), означающего «изучение») — это научное исследование землетрясений . (или вообще землетрясения ), а также генерация и распространение упругих волн через Землю или другие планетарные тела . Он также включает исследования воздействия землетрясений на окружающую среду, таких как цунами , а также различных сейсмических источников , таких как вулканические, тектонические, ледниковые, речные , океанические микросейсмы , атмосферные и искусственные процессы, такие как взрывы и деятельность человека . Смежной областью, которая использует геологию для получения информации о прошлых землетрясениях, является палеосейсмология . Запись движения Земли как функции времени, создаваемая сейсмографом , называется сейсмограммой . Сейсмолог — это ученый, работающий в области фундаментальной или прикладной сейсмологии .
Научный интерес к землетрясениям восходит к древности. Ранние предположения о естественных причинах землетрясений были включены в сочинения 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 нашей эры Чжан Хэн из китайской династии Хань разработал первый известный сейсмоскоп . [1] [2] [3]
В 17 веке Афанасий Кирхер утверждал, что землетрясения были вызваны движением огня внутри системы каналов внутри Земли. Мартин Листер (1638–1712) и Николас Лемери (1645–1715) предположили, что землетрясения были вызваны химическими взрывами внутри Земли. [4]
Лиссабонское землетрясение 1755 года , совпавшее с общим расцветом науки в Европе , положило начало активизации научных попыток понять поведение и причины землетрясений. Самые ранние ответы включают работы Джона Бевиса (1757 г.) и Джона Мичелла (1761 г.). Мичелл определил, что землетрясения возникают внутри Земли и представляют собой волны движения, вызванные «смещением масс горных пород на многие мили под поверхностью». [5]
В ответ на серию землетрясений возле Комри в Шотландии в 1839 году в Соединенном Королевстве был сформирован комитет с целью разработки более эффективных методов обнаружения землетрясений. Результатом этого стало производство Джеймсом Дэвидом Форбсом одного из первых современных сейсмометров , впервые представленное в отчете Дэвида Милн-Хоума в 1842 году. [6] Этот сейсмометр представлял собой перевернутый маятник, который записывал измерения сейсмической активности посредством использование карандаша, положенного на бумагу над маятником. Согласно отчетам Милна, предоставленные проекты не оказались эффективными. [6]
С 1857 года Роберт Малле заложил основы современной инструментальной сейсмологии и проводил сейсмологические эксперименты с использованием взрывчатых веществ. Он также является автором слова «сейсмология». [7]
В 1897 году теоретические расчеты Эмиля Вихерта привели его к выводу, что недра Земли состоят из мантии из силикатов, окружающей железное ядро. [8]
В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм определил на сейсмограммах отдельное появление P-волн , S-волн и поверхностных волн и нашел первое четкое свидетельство того, что у Земли есть центральное ядро. [9]
В 1909 году Андрия Мохоровичич , один из основоположников современной сейсмологии, [10] [11] [12] обнаружил и определил разрыв Мохоровичича . [13] Обычно его называют «разрывом Мохо» или « Мохо ». Это граница между земной корой и мантией . Это определяется отчетливым изменением скорости сейсмологических волн при их прохождении через горные породы изменяющейся плотности. [14]
В 1910 году, после изучения землетрясения в Сан-Франциско в апреле 1906 года , Гарри Филдинг Рид выдвинул « теорию упругого отскока », которая остается основой современных тектонических исследований. Развитие этой теории зависело от значительного прогресса ранее независимых направлений работ по поведению упругих материалов и по математике. [15]
Раннее научное исследование афтершоков разрушительного землетрясения произошло после землетрясения в Халапе в январе 1920 года . Сейсмограф Вихерта массой 80 кг (180 фунтов) был доставлен по железной дороге в мексиканский город Халапа после землетрясения. Прибор был использован для регистрации афтершоков. Данные сейсмографа в конечном итоге определили, что главный толчок произошел вдоль неглубокого разлома земной коры. [16]
В 1926 году Гарольд Джеффрис был первым, кто на основе своих исследований волн землетрясений заявил, что под мантией ядро Земли является жидким. [17]
В 1937 году Инге Леманн определила, что внутри жидкого внешнего ядра Земли есть твердое внутреннее ядро . [18]
К 1960-м годам наука о Земле развилась до такой степени, что всеобъемлющая теория причин сейсмических событий и геодезических движений объединилась в теперь уже хорошо зарекомендовавшую себя теорию тектоники плит . [ нужна цитата ]
Сейсмические волны — это упругие волны , распространяющиеся в твердых или жидких материалах. Их можно разделить на объемные волны , которые проходят через внутреннюю часть материалов; поверхностные волны , которые распространяются вдоль поверхностей или границ раздела между материалами; и нормальные режимы , форма стоячей волны.
Существует два типа объемных волн: волны давления или первичные волны (P-волны) и поперечные или вторичные волны ( S-волны ). P-волны — это продольные волны , которые включают сжатие и расширение в направлении движения волны и всегда являются первыми волнами, появляющимися на сейсмограмме, поскольку они являются самыми быстродвижущимися волнами в твердых телах. S-волны — это поперечные волны , которые движутся перпендикулярно направлению распространения. Зубцы S медленнее, чем зубцы P. Поэтому на сейсмограмме они появляются позже P-волн. Жидкости не могут поддерживать поперечные упругие волны из-за их низкой прочности на сдвиг, поэтому S-волны распространяются только в твердых телах. [19]
Поверхностные волны являются результатом взаимодействия продольных и поперечных волн с поверхностью Земли. Эти волны являются дисперсионными , что означает, что разные частоты имеют разные скорости. Двумя основными типами поверхностных волн являются волны Рэлея , которые имеют как продольное, так и сдвиговое движение, и волны Лява , которые являются чисто сдвиговыми. Волны Рэлея возникают в результате взаимодействия P-волн и вертикально поляризованных S-волн с поверхностью и могут существовать в любой твердой среде. Волны Лява образуются горизонтально поляризованными S-волнами, взаимодействующими с поверхностью, и могут существовать только при условии изменения упругих свойств с глубиной в твердой среде, что всегда имеет место в сейсмологических приложениях. Поверхностные волны распространяются медленнее, чем P-волны и S-волны, поскольку они являются результатом того, что эти волны движутся по непрямым путям и взаимодействуют с поверхностью Земли. Поскольку они движутся вдоль поверхности Земли, их энергия затухает медленнее, чем объемные волны (1/расстояние 2 по сравнению с 1/расстояние 3 ), и поэтому сотрясение, вызванное поверхностными волнами, обычно сильнее, чем у объемных волн, и Таким образом, первичные поверхностные волны часто являются самыми сильными сигналами на сейсмограммах землетрясений . Поверхностные волны сильно возбуждаются, когда их источник находится близко к поверхности, как при неглубоком землетрясении или приповерхностном взрыве, и намного слабее для источников глубоких землетрясений. [19]
И объемные, и поверхностные волны являются бегущими волнами; однако сильные землетрясения также могут заставить всю Землю «звенеть», как резонансный колокол. Этот звон представляет собой смесь обычных режимов с дискретными частотами и периодами примерно час или меньше. Движение в нормальном режиме, вызванное очень сильным землетрясением, можно наблюдать в течение месяца после события. [19] Первые наблюдения нормальных режимов были сделаны в 1960-х годах, когда появление инструментов с более высокой точностью совпало с двумя крупнейшими землетрясениями 20-го века: землетрясением в Вальдивии 1960 года и землетрясением на Аляске 1964 года . С тех пор нормальный режим Земли дал нам одни из самых сильных ограничений на глубинную структуру Земли.
Одна из первых попыток научного изучения землетрясений последовала за Лиссабонским землетрясением 1755 года. Другие известные землетрясения, которые стимулировали крупные достижения в науке сейсмологии, включают землетрясение в Базиликате 1857 года , землетрясение в Сан-Франциско 1906 года, землетрясение на Аляске 1964 года , Суматра-Андаманское землетрясение 2004 года и Великое восточно-японское землетрясение 2011 года .
Сейсмические волны, создаваемые взрывами или вибрирующими контролируемыми источниками, являются одним из основных методов подземных исследований в геофизике (в дополнение ко многим различным электромагнитным методам, таким как вызванная поляризация и магнитотеллурика ). Сейсмология с контролируемым источником использовалась для картирования соляных куполов , антиклиналей и других геологических ловушек в нефтеносных породах , разломов , типов горных пород и давно погребенных гигантских метеоритных кратеров . Например, кратер Чиксулуб , который был вызван ударом, который был причастен к вымиранию динозавров , был локализован в Центральной Америке путем анализа выбросов на границе мела и палеогена , а затем физически доказано его существование с использованием сейсмических карт нефти . исследование . [20]
Сейсмометры — это датчики, которые обнаруживают и записывают движение Земли, возникающее под действием упругих волн. Сейсмометры могут быть размещены на поверхности Земли, в неглубоких сводах, в скважинах или под водой . Полный комплект приборов, записывающий сейсмические сигналы, называется сейсмографом . Сети сейсмографов постоянно записывают колебания грунта по всему миру, чтобы облегчить мониторинг и анализ глобальных землетрясений и других источников сейсмической активности. Быстрое определение местоположения землетрясений делает возможным предупреждение о цунами , поскольку сейсмические волны распространяются значительно быстрее, чем волны цунами. Сейсмометры также регистрируют сигналы от источников, не связанных с землетрясениями, начиная от взрывов (ядерных и химических) и заканчивая локальным шумом ветра [21] или антропогенной деятельностью, а также непрекращающимися сигналами, генерируемыми на дне океана и побережьях, вызванными океанскими волнами (глобальный микросейсм ), к криосферным явлениям, связанным с крупными айсбергами и ледниками. Сейсмографами были зафиксированы удары метеоритов над океаном с энергией до 4,2 × 10 13 Дж (что эквивалентно взрыву в десять килотонн тротила), а также ряд промышленных аварий, террористических бомб и событий (поле исследования, называемого судебной сейсмологией ). Основной долгосрочной мотивацией глобального сейсмографического мониторинга было обнаружение и изучение ядерных испытаний .
Поскольку сейсмические волны обычно эффективно распространяются при взаимодействии с внутренней структурой Земли, они предоставляют неинвазивные методы с высоким разрешением для изучения недр планеты. Одним из самых ранних важных открытий (предложенных Ричардом Диксоном Олдемом в 1906 году и окончательно подтвержденных Гарольдом Джеффрисом в 1926 году) было то, что внешнее ядро Земли является жидким. Поскольку S-волны не проходят через жидкости, жидкое ядро создает «тень» на противоположной землетрясению стороне планеты, где прямых S-волн не наблюдается. Кроме того, P-волны распространяются через внешнее ядро гораздо медленнее, чем через мантию.
Обрабатывая показания множества сейсмометров с помощью сейсмической томографии , сейсмологи нанесли на карту мантию Земли с разрешением в несколько сотен километров. Это позволило ученым идентифицировать конвекционные ячейки и другие крупномасштабные особенности, такие как крупные провинции с низкой скоростью сдвига вблизи границы ядра и мантии . [22]
Прогнозирование вероятного времени, местоположения, магнитуды и других важных характеристик предстоящего сейсмического события называется прогнозированием землетрясения . Сейсмологи и другие предпринимали различные попытки создать эффективные системы для точного прогнозирования землетрясений, включая метод VAN . Большинство сейсмологов не верят, что система своевременного предупреждения об отдельных землетрясениях еще разработана, и многие полагают, что такая система вряд ли сможет дать полезное предупреждение о надвигающихся сейсмических событиях. Однако более общие прогнозы обычно предсказывают сейсмическую опасность . Такие прогнозы оценивают вероятность землетрясения определенной силы, затронувшего определенное место в течение определенного периода времени, и они обычно используются в сейсмической инженерии .
Общественные споры по поводу прогноза землетрясения разгорелись после того, как итальянские власти предъявили обвинение шести сейсмологам и одному правительственному чиновнику в непредумышленном убийстве в связи с землетрясением магнитудой 6,3 в Л'Акуиле, Италия, 5 апреля 2009 года . Обвинение было широко воспринято [ кем? ] в качестве обвинения в неспособности предсказать землетрясение и вызвало осуждение со стороны Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского геофизического союза . В обвинительном заключении утверждается, что на специальной встрече в Аквиле за неделю до землетрясения ученые и чиновники были больше заинтересованы в умиротворении населения, чем в предоставлении адекватной информации о риске землетрясения и готовности к нему. [23]
Инженерная сейсмология — это изучение и применение сейсмологии в инженерных целях. [24] Обычно это относится к разделу сейсмологии, который занимается оценкой сейсмической опасности объекта или региона для целей проектирования землетрясений. Таким образом, это связующее звено между наукой о Земле и гражданским строительством . [25] Есть два основных компонента инженерной сейсмологии. Во-первых, изучение истории землетрясений (например, исторических [25] и инструментальных каталогов [26] сейсмичности) и тектоники [27] для оценки землетрясений, которые могут произойти в регионе, их характеристик и частоты возникновения. Во-вторых, изучение сильных движений грунта, вызванных землетрясениями, для оценки ожидаемых сотрясений от будущих землетрясений с аналогичными характеристиками. Эти сильные движения грунта могут быть либо наблюдениями акселерометров или сейсмометров, либо смоделированы компьютерами с использованием различных методов [28] , которые затем часто используются для разработки уравнений прогнозирования движения грунта [29] (или моделей движения грунта) [1].
Сейсмологические инструменты могут генерировать большие объемы данных. Системы обработки таких данных включают в себя:
Система CUSP (Caltech-USGS Seismic Processing) состоит из онлайновых процедур сбора данных о форме волн землетрясений в реальном времени в сочетании с автономным набором процессов обработки, синхронизации и архивирования данных. Это полноценная система для обработки данных о локальных землетрясениях...
