» » Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

15.08.2016

Как отмечено выше, землетрясение - результат внезапного вспарывания механически напряженных областей в земной коре. Вследствие вспарывания горных пород некоторая часть огромной потенциальной Энергии, накопленной за длительный период подготовки землетрясений, освобождаются в среде в виде сейсмических волн, которые распространяются во всем теле Земли. Инструментальные регистрации землетрясений, о которых речь шла в предыдущем параграфе, создают широкие возможности для всестороннего изучения сейсмических волн, которые имеют большое прикладное значение не только в сейсмологии, но и для изучения внутреннего строения самой Земли и разработки методов и области поиска, разведки и добычи полезных ископаемых.
Существуют два основных типа сейсмических волн — объемные и поверхностные. Объемные сейсмические волны распространяются в теле (объеме) Земли как упругие или звуковые волны. Поверхностные волны распространяются но поверхности Земли, наподобие волн, распространяющихся по поверхности морей, океанов. Человек, находящийся на поверхности земли, а также надземное сооружение или сейсмический прибор, установленный на поверхности Земли, эффект вспарывания среды в коре Земли (землетрясение) сначала воспринимает в виде ударов двух объемных волн, а потом только в виде колебательных движений грунта, связанных с образованием поверхностных сейсмических волн. Объемные волны распространяются по всем направлениям в теле Земли и постепенно ослабляются, удаляясь от источника их возникновения. В сплошном теле возникают два типа объемных волн - продольные, которые обозначаются буквой P (от латинского слова primae - первый): они распространяются с большей скоростью и рано достигают поверхности Земли, тем самым оповещая о факте землетрясения, и поэтому они называются также первичными; и поперечные волны, которые обозначаются буквой S (от латинского слова seconde - второй), которые распространяются с меньшей скоростью, чем продольные волны и достигают поверхности Земли с нескольким опозданием, но с более резкой силой удара и тем самым окончательно подтверждая, что на самом деле имело место землетрясение.
Эти естественные особенности сейсмических волн P и S в отдельных случаях с применением не сложных современных технических средств (например, звуковая сигнализация в помещении в момент вступления волны Р) могут способствовать эвакуации людей из зданий в начальном более безопасном промежутке времени (до прихода волны S) начавшегося землетрясения.
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

В земных породах продольные волны P последовательно вызывают деформации растяжения и сжатия, а поперечные волны S -деформации сдвига; поэтому часто волны S называют также волнами сдвига (рис. 1.29).
Как при любом разрушении или срезе обычного материала, так и при землетрясениях процесс расщепления горных пород начинается с одной локальной области (точки) и последовательно продолжается, распуская объемные сейсмические волны разной интенсивности и периодов в зависимости от общей глубины расщепляемой толщи, количества и размеров имеющихся в них трещин. Несмотря на то, что от очага землетрясения непрерывно излучаются объемные волны, любая частица среды, совершая обратно-поступательные движения, остается почти на том же самом месте, откуда она начала двигаться (рис. 1.30).
Так как все тела, твердые и жидкие способны передавать давление, то продольные волны P могут пересекать все твердые и жидкие области Земли. Ho поперечные волны S могут пересекать только твердые области Земли.
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

Поверхностные сейсмические волны обозначаются буквой L (латинское слово Long — длинный). Они распространяются по поверхности Земли, захватывая лишь неглубокую массу (зону) под ней. Поверхностные волны L распространяются с меньшей скоростью, чем продольные P и поперечные волны S. Кроме этого, поверхностные волны имеют более длинный период (отсюда обозначение L) колебания, чем объемные волны, и обычно они становятся причиной разрушения сооружения. Имеются несколько видов поверхностных волн, из которых наиболее основными считаются поверхностные волны Релея Lr и поверхностные волны Лява Lq. В волнах Релея частицы грунта движутся в вертикальной плоскости с эллиптической траекторией оставаясь почти на одном и том же месте. В распространяющихся волнах Ляна частицы земной поверхности совершают обратно-поступательные движения в перпендикулярном направлении распространения волны (рис. 1.29 и 1.30), но только в горизонтальной плоскости, вертикальная составляющая у них отсутствует. Релей (1885 г.) и Ляв (1911 г.) математически доказали возможность существования волн LR и Lq, прежде чем они были обнаружены на сейсмограммах.
Сложное движение грунта, которое мы ощущаем на любой точке поверхности Земли во время землетрясения и которое фиксируют сейсмографы, является результатом наложения движений частиц грунта по разным типам волн. На рис. 1.31а показана типичная сейсмограмма землетрясения с указанием моментов вступления волн Р, S, L. Как видно из рисунка, если расстояние от регистрирующей станции до гипоцентра обозначим через Δ, а время пробега волн P и S от очага до места регистрации соответственно через tp и Ls, то будем иметь:
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

откуда вытекает, что
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

где Δt - время опоздания прихода волны S по отношению к времени прихода волны P (интервал времени между встиплениями волн P и S на сейсмограмме), vp и vs - соответственно скорости распространения продольных и поперечных волн. Скорости распространения сейсмических волн vp и vs нe только отличаются друг от друга, они зависят от материала среды и глубины их заложения. Их величины многократно корректировались различными лабораторными, натурными и теоретическими исследованиями. Ниже мы еще вернемся к количественным оценкам vp и vs.
Здесь пока отметим, что для скальных грунтов величины скоростей распространения продольных и поперечных сейсмических волн vp и vs принимаются в следующих пределах:
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

Эти значения позволяют при оперативных расчетах для удаленных и глубокофокусных землетрясений выражение
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

принять примерно равной 10 км/сек и основную формулу (1.10) для вычисления эпицентрального расстояния представить в следующем упрощенном виде:
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

где Δ - в километрах, Δt - в секундах.
Для примера: если допустим, что разность At времен вступления волн P и S на сейсмограмме составляет 61 сек, то эпицентральное (фокальное) расстояние будет примерно 10*61 = 610 км.
Спитакское землетрясение 1988 года было регистрировано многими сейсмическими станциями мира, в том числе сейсмостанцией, расположенной в итальянском городе Триест. По данным бюллетеня N23 (1-15 декабря 1988) этой станции, первые вступления сейсмических волн P и S, по Гринвичу, оказались:
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

Разность времени вступления волн будет:
Δt = 07.50.39.9 - 07.46.26.4 = 4 мин 13,5 сек = 240+13.5 = 253,5 сек, а эпицентральное расстояние, согласно (1.11), примерно будет: Δ = 10*253,5 = 2535 км. По уточненным данным бюллетеня N23, Δ = 2550 км. Как видим, погрешность в 15 км для таких расстояний можно считать несущественной.
Для местных землетрясений с неглубоким гипоцентром значение vsvp/(vp-vs) изменяется в пределах 7-9. В частности, при афтершоке 31.12.1988г. Спитакского землетрясения (см.рис.3.34) разности вступления S и P волн для пунктов регистрации в Кети, Гогаране, Ленинакане и Джрашене с соответствующими эпицентральными расстояниями 19.9, 23.5, 23.6 и 28.2 км, согласно, составили 2.64, 3.5, 3.505 и 3.825 сек. Если величину vpvs/(vp-vs) принять равной в среднем 7.1, то для эпицентральных расстояний соответственно получим: 7.1-2.64 = 18.74, 7.1-3.5 = 24.85, 7.1-3.505 = 24.88 и 7.1-3.825 = 27.15 км, которые не сущеcтвенно отличаются от вышеприведенных реальных значений эпицентральных расстояний. Исходя из вышесказанного, для местных землетрясений на территории PA для величины vpvs/(vp-vs) рекомендуется принять 7.1 км/сек. По данным Ш.Окомого, для Японии эту величину можно принимать равной 8 км/сек.
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения
Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения

Для более точного определения (вычисления) величины эпицентрального расстояния в каждой сейсмической станции пользуются таблицами и годографами (зависимость продолжительности распространения сейсмической волны от расстояния) скоростей сейсмических волн (рис. 1.31 г), составленными специально для этой станции.
Координаты эпицентра землетрясения определяются по записям трех сейсмических станций, как это показано на рис. 1.31б. Имея координаты любых трех сейсмических станций на карте и их расстояние до эпицентра Δ1, Δ2 и Δ3, положение координат эпицентра устанавливается как координаты точки пересечения трех окружностей с радиусами Δ1, Δ2 и Δ3 (рис.1.31 б). Эти окружности из-за возможных ошибок при определении Δ1, Δ2 и Δ3 не пересекаются в одной точке на карте; обычно вместо одной точки получается небольшой треугольник (с кривыми сторонами), центр которого принимается за точку эпицентра на карте.
Определение глубины очага землетрясения более сложная задача. Оно связано как с углом пересечения с поверхностью Земли сейсмических волн, так и с разностью времен вступления прямых и отраженных продольных сейсмических P волн.
В действительности координаты эпицентра и глубина очага землетрясения устанавливаются не по записям трех сейсмических станций, а в результате обобщения записей регистрации большего числа сейсмических станций. В этом важном деле между сейсмологами всех стран мира имеет место тесное сотрудничество, которые позволяет с использованием современных средств передачи и обработки информации за короткое время с достаточной точностью определить параметры происшедшего землетрясения.