Сейсмология ( / s aɪ z ˈ m ɒ l ə dʒ i , s aɪ s - / ; от древнегреческого σεισμός ( seismós ) означает « землетрясение » и -λογία ( -logía ) означает «изучение») — научное изучение землетрясений (или, как правило, землетрясений ) и возникновения и распространения упругих волн через Землю или другие планетарные тела . Она также включает в себя исследования последствий землетрясений для окружающей среды, 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 . Смежная область, которая использует геологию для получения информации о прошлых землетрясениях, — это палеосейсмология . Запись движения Земли как функции времени, созданная сейсмографом, называется сейсмограммой . Сейсмолог — ученый, работающий в области фундаментальной или прикладной сейсмологии.
Научный интерес к землетрясениям можно проследить еще со времен античности. Ранние размышления 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 сконструировал первый известный сейсмоскоп . [1] [2] [3]
В 17 веке Афанасий Кирхер утверждал, что землетрясения были 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. [4]
Лиссабонское землетрясение 1755 года , совпавшее с общим расцветом науки в Европе , положило начало усиленным научным попыткам понять поведение и причины землетрясений. Самые ранние ответы включают работы Джона Бевиса (1757) и Джона Мичелла (1761). Мичелл определил, что землетрясения возникают внутри Земли и представляют собой волны движения, вызванные «перемещением масс горных пород на мили ниже поверхности». [5]
В ответ на серию землетрясений около Комри в Шотландии в 1839 году в Соединенном Королевстве был сформирован комитет с целью разработки более совершенных методов обнаружения землетрясений. Результатом этого стало создание одного из первых современных сейсмометров Джеймсом Дэвидом Форбсом , впервые представленного в отчете Дэвида Милна-Хьюма в 1842 году. [6] Этот сейсмометр представлял собой перевернутый маятник, который регистрировал измерения сейсмической активности с помощью карандаша, помещенного на бумагу над маятником. Согласно отчетам Милна, представленные конструкции не оказались эффективными. [6]
С 1857 года Роберт Маллет заложил основу современной инструментальной сейсмологии и проводил сейсмологические эксперименты с использованием взрывчатых веществ. Он также является автором слова «сейсмология». [7]
В 1889 году Эрнст фон Ребёр-Пашвиц зарегистрировал первый телесейсмический сигнал землетрясения (землетрясение в Японии, зафиксированное в Потсдаме, Германия). [8]
В 1897 году теоретические расчеты Эмиля Вихерта привели его к выводу, что внутренняя часть Земли состоит из мантии из силикатов, окружающей ядро из железа. [9]
В 1906 году Ричард Диксон Олдхэм идентифицировал раздельное прибытие P-волн , S-волн и поверхностных волн на сейсмограммах и нашел первое четкое доказательство того, что у Земли есть центральное ядро. [10]
В 1909 году Андрия Мохоровичич , один из основателей современной сейсмологии, [11] [12] [13] открыл и определил границу Мохоровичича . [14] Обычно называемая «границей Мохоровича» или « Мохоровичичем », это граница между земной корой и мантией . Она определяется отчетливым изменением скорости сейсмологических волн при прохождении через изменяющуюся плотность горных пород. [ 15]
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 более ранних независимых направлений работы над поведением упругих материалов и математикой. [16]
Раннее научное исследование афтершоков разрушительного землетрясения было проведено после землетрясения в Ксалапе в январе 1920 года . После землетрясения в мексиканский город Ксалапу по железной дороге был доставлен 80-килограммовый (180-фунтовый) сейсмограф Вихерта. Прибор был развернут для регистрации афтершоков. Данные сейсмографа в конечном итоге определили, что главный толчок был произведен вдоль неглубокого разлома земной коры. [17]
В 1926 году Гарольд Джеффрис первым на основе своего исследования волн землетрясений заявил, что под мантией ядро Земли находится в жидком состоянии. [18]
В 1937 году Инге Леманн определила, что внутри жидкого внешнего ядра Земли находится твердое внутреннее ядро . [19]
В 1950 году Майкл С. Лонге-Хиггинс объяснил океанические процессы, ответственные за глобальный фоновый сейсмический микросейсм . [20]
К 1960-м годам наука о Земле достигла такого уровня развития, что всеобъемлющая теория причин сейсмических событий и геодезических движений объединилась в ныне устоявшуюся теорию тектоники плит . [21]
Сейсмические волны — это упругие волны , распространяющиеся в твердых или жидких материалах. Их можно разделить на объемные волны , распространяющиеся внутри материалов; поверхностные волны , распространяющиеся вдоль поверхностей или интерфейсов между материалами; и нормальные моды , форма стоячей волны.
Существует два типа объемных волн: волны давления или первичные волны (P-волны) и сдвиговые или вторичные волны ( S-волны ). P-волны — это продольные волны , которые включают сжатие и расширение в направлении движения волны и всегда являются первыми волнами, которые появляются на сейсмограмме, поскольку они являются самыми быстродвижущимися волнами через твердые тела. S-волны — это поперечные волны , которые движутся перпендикулярно направлению распространения. S-волны медленнее, чем P-волны. Поэтому они появляются позже, чем P-волны на сейсмограмме. Жидкости не могут поддерживать поперечные упругие волны из-за их низкой прочности на сдвиг, поэтому S-волны распространяются только в твердых телах. [22]
Поверхностные волны являются результатом взаимодействия P- и S-волн с поверхностью Земли. Эти волны являются дисперсионными , что означает, что разные частоты имеют разные скорости. Два основных типа поверхностных волн — это волны Рэлея , которые имеют как компрессионные, так и сдвиговые движения, и волны Лява , которые являются чисто сдвиговыми. Волны Рэлея являются результатом 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 в том случае, если в твердой среде происходит изменение упругих свойств с глубиной, что всегда имеет место в сейсмологических приложениях. Поверхностные волны распространяются медленнее, чем P-волны и S-волны, потому что они являются результатом того, что эти волны распространяются по непрямым путям для взаимодействия с поверхностью Земли. Поскольку они распространяются вдоль поверхности Земли, их энергия затухает медленнее, чем у объемных волн (1/расстояние 2 против 1/расстояние 3 ), и, таким образом, сотрясение, вызванное поверхностными волнами, обычно сильнее, чем у объемных волн, и первичные поверхностные волны часто являются самыми большими 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 глубоких источников землетрясений. [22]
Как объемные, так и поверхностные волны являются бегущими волнами; однако крупные землетрясения также могут заставить всю Землю «звенеть», как резонансный колокол. Этот звон представляет собой смесь нормальных мод с дискретными частотами и периодами приблизительно в час или короче. Движение нормальной моды, вызванное очень большим землетрясением, можно наблюдать в течение месяца после события. [22] Первые наблюдения нормальных мод были сделаны в 1960-х годах, когда появление более точных приборов совпало с двумя крупнейшими землетрясениями 20-го века: землетрясением в Вальдивии 1960 года и землетрясением на Аляске 1964 года . С тех пор нормальные моды Земли дали нам некоторые 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 , землетрясение на Суматре и Андаманском полуострове 2004 года и Великое восточно-японское землетрясение 2011 года .
Сейсмические волны, создаваемые взрывами или вибрирующими контролируемыми источниками, являются одним из основных методов подземной разведки 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 , разломах , типах горных пород и давно захороненных гигантских метеоритных кратерах . Например, кратер Чиксулуб , который был вызван ударом, который был причастен к вымиранию динозавров , был локализован в Центральной Америке путем анализа выбросов на границе мелового и палеогенового периодов , а затем его существование было физически доказано с помощью сейсмических карт из разведки нефти . [23]
Сейсмометры — это датчики, которые обнаруживают и регистрируют движение Земли, возникающее из-за упругих волн. Сейсмометры могут быть размещены на поверхности Земли, в неглубоких сводах, в скважинах или под водой . Полный комплект инструментов, который регистрирует сейсмические сигналы, называется сейсмографом . Сети сейсмографов непрерывно регистрируют движения 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 от ветра [24] или антропогенной деятельностью, непрерывными сигналами, генерируемыми на дне океана и побережьях, вызванными океанскими волнами (глобальный микросейсм ), и криосферными событиями, связанными с крупными айсбергами и ледниками. Сейсмографы зафиксировали падение метеоритов над океаном с энергией до 4,2 × 10 13 Дж (что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве десяти килотонн тротила), а также ряд промышленных аварий, террористических актов и событий (область исследований, называемая судебной сейсмологией ). Основной долгосрочной мотивацией для глобального сейсмографического мониторинга было обнаружение и изучение ядерных испытаний .
Поскольку сейсмические волны обычно распространяются эффективно, взаимодействуя с внутренней структурой Земли, они обеспечивают неинвазивные методы с высоким разрешением для изучения недр планеты. Одним из самых ранних важных открытий (предложенных Ричардом Диксоном Олдхэмом в 1906 году и окончательно показанных 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 стороне планеты, противоположной землетрясению, где не наблюдаются прямые S-волны. Кроме того, P-волны распространяются намного медленнее через внешнее ядро, чем через мантию.
Обрабатывая показания множества сейсмометров с помощью сейсмической томографии , сейсмологи составили карту мантии Земли с разрешением в несколько сотен километров. Это позволило ученым идентифицировать конвективные ячейки и другие крупномасштабные особенности, такие как крупные провинции с низкой скоростью сдвига вблизи границы ядро-мантия . [25]
Прогнозирование вероятного времени, местоположения, магнитуды и других важных характеристик предстоящего сейсмического события называется прогнозированием землетрясений . Сейсмологами и другими специалистами были предприняты различные попытки создать эффективные системы для точного прогнозирования землетрясений, включая метод VAN . Большинство сейсмологов не верят, что система для предоставления своевременных предупреждений об отдельных землетрясениях уже разработана, и многие полагают, что такая система вряд ли даст полезное предупреждение о надвигающихся сейсмических событиях. Однако более общие прогнозы обычно предсказывают сейсмическую опасность . Такие прогнозы оценивают вероятность землетрясения определенного размера, влияющего на определенное место в течение определенного периода времени, и они обычно используются в сейсмостойком строительстве .
Общественные споры по поводу прогнозирования землетрясений разразились после того, как итальянские власти предъявили обвинения шести сейсмологам и одному правительственному чиновнику в непредумышленном убийстве в связи с землетрясением магнитудой 6,3 в Л'Акуиле, Италия, 5 апреля 2009 года . [26] В отчете в Nature говорилось, что обвинительный акт был широко воспринят в Италии и за рубежом как обвинение в неспособности предсказать землетрясение и вызвал осуждение со стороны Американской ассоциации содействия развитию науки и Американского геофизического союза . [26] Однако журнал также указал, что население Акуилы не считает неспособность предсказать землетрясение причиной обвинения, а скорее предполагаемую неспособность ученых оценить и сообщить о риске. [26] В обвинительном акте утверждается, что на специальном заседании в Л'Акуиле за неделю до землетрясения ученые и чиновники были больше заинтересованы в умиротворении населения, чем в предоставлении адекватной информации о риске землетрясений и готовности к ним. [26]
В местах, где существуют исторические записи, их можно использовать для оценки времени, местоположения и магнитуды будущих сейсмических событий. Необходимо учитывать несколько факторов интерпретации. Эпицентры или очаги и магнитуды исторических землетрясений подлежат интерпретации, что означает, что землетрясения магнитудой 5–6 МВт, описанные в исторических записях, могут быть более крупными событиями, произошедшими в другом месте, которые умеренно ощущались в населенных пунктах, о которых сохранились письменные записи. Документация в исторический период может быть скудной или неполной и не давать полной картины географического охвата землетрясения, или исторические записи могут содержать только записи землетрясений, охватывающие несколько столетий, что является очень коротким временным интервалом в сейсмическом цикле . [27] [28]
Инженерная сейсмология — это изучение и применение сейсмологии в инженерных целях. [29] Обычно она применяется к разделу сейсмологии, который занимается оценкой сейсмической опасности участка или региона для целей сейсмостойкого строительства. Таким образом, это связующее звено между наукой о Земле и гражданским строительством . [30] Существует два основных компонента инженерной сейсмологии. Во-первых, изучение истории землетрясений (например, исторических [30] и инструментальных каталогов [31] сейсмичности) и тектоники [32] для оценки землетрясений, которые могут произойти в регионе, а также 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 с помощью акселерометров или сейсмометров, либо смоделированными компьютерами с использованием различных методов, [33] которые затем часто используются для разработки уравнений прогнозирования движений грунта [34] (или моделей движений грунта) [1].
Сейсмологические приборы могут генерировать большие объемы данных. Системы обработки таких данных включают:
Система CUSP (Caltech-USGS Seismic Processing) состоит из процедур сбора данных о форме волны землетрясений в режиме реального времени в сочетании с автономным набором процессов обработки данных, синхронизации и архивирования. Это полная система для обработки локальных данных о землетрясениях ...
