Сейсмические волны

Если бросить камень в воду (например, в пруд), можно наблюдать волны, расходящиеся от точки соприкосновения камня с поверхностью воды; но эти волны также распространяются и в толще воды, расходясь от той же точки. Что-то похожее происходит и во время землетрясения. От очага или места разрыва земной коры расходятся волны упругих колебаний во всех направлениях внутри и по поверхности Земли.

Прохождение сейсмических волн в толще Земли

Знаете ли Вы? Рекорд глубины бурения при исследовании земной коры принадлежит бывшему Советскому Союзу; под Мурманском была пробурена скважина глубиной 12 км. Слышали ли Вы? На глубине 14 км порода находится под давлением 4000 атмосфер и при температуре 300 градусов Цельсия.

Для большинства землетрясений с глубиной очага не более 70 километров упругие волны возникают в результате разлома участка земной коры. Другими словами, напряжение в горной породе на данном участке превышает предел прочности на разрыв и поэтому в породе образуется трещина, появляется разрыв, который обычно называется "разломом". В результате возникновения этого разлома образуются сейсмические волны.

Разлом можно охарактеризовать как относительное перемещение блоков земной коры, что видно на нижеследующем рисунке.

Как только напряжение превышает величину предела прочности на разрыв горных пород в данном месте (т.е. образуется разлом), возникают сейсмические волны трех основных типов:

1. Волна сжатия - растяжения, Р-волна. Эта волна представляет собой звуковую волну. Ее еще называют продольной волной. Когда такая волна в стадии сжатия достигает сейсмической станции, порода в зоне станции сжимается, и грузик сейсмографа отклоняется в направлении движения волны или от эпицентра землетрясения. И наоборот, когда такая волна проходит станцию в стадии растяжения, земная поверхность расширяется, и грузик сейсмографа движется по направлению к эпицентру. Эти направления регистрируются сейсмографом. Из всех сейсмических волн продольная волна самая быстрая и поэтому она используется для регистрации первичного толчка Р. Продольные волны, как и звуковые волны, могут распространяться в твердой породе и в жидкости.
2. Поперечная волна, или волна сдвига, или S-волна. Эта волна аналогична световой волне или поперечным колебаниям струны. Частичка материала всегда перемещается поперечно по отношению к направлению распространения волны. Внутренние поперечные волны распространяются со скоростью, которая составляет примерно 0,6 от скорости продольной волны Р, и появляются позднее в качестве второй наиболее заметной группы волн. Поэтому они используются для регистрации вторичного толчка S. Эти волны не могут распространяться через жидкости и газы.
   Скорость распространения волн Р и S зависит от плотности и упругости горных пород, через которые они проходят. Стандартные скорости распространения волны Р в граните и воде составляют соответственно 5,5 и 1,5 км/с, в то время как скорость S-волны в тех же породах составляет примерно 3,0 и 0 км/с. Последнее значение равно нулю, потому что модуль сдвига жидкостей равен 0.
3. Поверхностные волны, L-волны. В них заключается большая часть волновой энергии, они называются поверхностными, потому что они распространяются вблизи поверхности Земли.

Есть два типа поверхностных волн. Наиболее быстрая из двух - это волна сдвига, известная как волна Лява (Lq), названная так в честь физика, который разработал ее теоретическую концепцию, или как G-волна, названная в честь сейсмолога Гутенберга, который обнаружил и исследовал наличие этой волны на сейсмограммах. Движение частицы поперечно направлению распространения волны и происходит только в горизонтальной плоскости, как показано на представленных здесь рисунках. В этой волне нет вертикальной составляющей. Вторым типом поверхностной волны является волна Рэлея (Lr), названная так в честь физика, который разработал теоретическую концепцию этой волны. Эта волна прибывает вскоре после поверхностной волны сдвига, так как ее скорость составляет 0,92 от скорости волны сдвига. В волне Рэлея частица грунта совершает возвратное движение по эллиптической орбите в вертикальной плоскости вдоль направления распространения волн, как показано на рисунках.

Распространение сейсмических волн