» » Скорости и лучи распространения сейсмических волн

Скорости и лучи распространения сейсмических волн

15.08.2016

Принимая в уравнениях (1.30) и (1.32)
E = 2G(1 + v), v = 0.25,

которое имеет место для большинства горных пород земной коры, для скоростей vp и vs получим следующее известное соотношение:
Скорости и лучи распространения сейсмических волн

Для поверхностных землетрясений ( для поверхностных горных пород v=0.22) отношение vp/vs принимается равным 1.67, а для глубокофокусных (v=0.27) землетрясений - 1.78.
Обобщая результаты предыдущего параграфа, можно констатировать, что если любой точке упругой изотропной сплошной среды генерируется какое-либо возмущение, то из этой точки по всем направлениям начинают распространяться упругие волны. На большом расстоянии от источника возмущения (очага) все частицы среды движутся параллельно распространению волны (продольная волна Р) или в перпендикулярном направлении (поперечная волна S). Записи землетрясений показывают, что время пробна P волны от очага до станции регистрации не зависит от наклона луча, а зависит только от фокального расстояния. Это значит, что скорости распространения сейсмических волн зависят только от глубины среды распространения считая от поверхности Земли. Исследования показывают, что скорости vp и vs по глубине Земли возрастают. Как видно из формул (1.30) и (1.32), значения vp и cs прямо зависят от упругих характеристик E и G и обратно - от плостности среды ρ. Так как величина плотности пород по глубине Земли возрастает, то из вышесказанного следует, что упругие характеристики среды E и G по глубине должны расти в большей степени, чем ее плотность ρ. Здесь возникает несоответствие с изложенной выше теорией, так как существование волн P и S было доказано только для однородной среды, когда уравнения движения (1.27.2) не содержат производных от коэффициентов упругости. Более точный анализ показывает, что выше принятое упрощение не существенно для волн, длина которых велика по сравнению с размерами локальных неоднородностей среды.
Скорости и лучи распространения сейсмических волн

Многочисленные исследования показали, что в глубине Земли существует большая область, жесткость которой очень мала и ее механические свойства приближаются к свойствам жидкого (текучего) тела. Эта область имеет форму центрального ядра. Имеются прямые доказательства, что ядро не пропускает поперечные S волны, т.е. скорость vs в ядре равна нулю. На границе ядра они могут только отражаться, превращаясь в продольные волны. В табл. 1.3 приведены значения скоростей распространения сейсмических волн в разных глубинах Земли, заимствованные из работы. Для континентальной коры значения скоростей, приведенные в таблице, соответствуют их средним значениям. Как видно из таблицы, внутри Земли имеются две основные разрывные границы (рис. 1.34) на расстояниях 30-60 км и 2900 км от поверхности Земли. На этих границах скорости распространения сейсмических волн претерпевают скачкообразные изменения.
По этим разрывам Земной шар разделяется на три основные части: внешний слой - кора или литосфера, промежуточный слой - оболочка или мантия и центральный слой - ядро.
Скорости и лучи распространения сейсмических волн

На рис. 1.35 приведены подробные данные о строении и состоянии Земли, полученные геофизическими методами. Поверхность, разделяющая кору с более низкой скоростью распространения волн от оболочки с более высокой, называется границей Мохоровичича в честь хорватского сейсмолога А. Мохоровичича, сделавшего и 1909 году свое фундаментальное открытие о скачкообритом изменении величии скоростей сейсмических волн при изучении сейсмограммы землетрясения с эпицентром в Хорватии, недалеко от станции Загреба.
По равным исследованиям граница Moxo под высокими и молодыми горами погружается до 60 км. Глубина 50-60 км обнаружена также на Кавказе и Средней Азии, в Южной Африке она на глубине 35 км, па Аляске 31-34 км, в Новой Зеландии около 20 км. В океанских районах граница Moxo определяется па глубине 10-11 км ниже уровня моря. Согласно исследованиям граница Moxo для территории Армении находится на глубине 40-45 км, при о том мощность “гранитного слоя” составляет 37±2 км. “базальтового слоя" 15±2 км, а скорость распространения продольных волн у основания границы vp = 8.1-8.2 км/сек.
В сейсмограммах волны P и S часто встречаются несколько раз. В начальный период регистрации их ошибочно принимали как результат регистрации разных землетрясений или одного землетрясения с разными ударами. Конечно такие землетрясения происходят, но повторное появление волн P и S на сейсмограммах, в основном, обусловлено отражением и преломлением сейсмических волн от поверхности Земли, от различных геологических слоев коры и от ядра (рис. 1.36). При этом одна и та же самая волна отражается и преломляется как в виде продольной P волны, так и поперечной S волны.
Скорости и лучи распространения сейсмических волн
Скорости и лучи распространения сейсмических волн

Волны, отраженные от поверхности Земли обозначаются символами (рис. 1.36Ба):
PP - волна P отражалась в виде волны P
PS - волна P отражалась в виде волны S
SS - волна S отражалась в виде волны S
SP - волна S отражалась в виде волны Р.
Волны, отраженные от ядра (рис. 1.36Бс) соответственно обозначаются PcP, PcS, ScP, ScS, а проникающие сквозь ядро волны - РКР, PKS, SKP, SKS. Сквозь ядро проходят только продольные волны P (рис. 1.36Бb).
Лучи сейсмических волн P и S распространяющиеся от гипоцентра через кору до станции регистрации почти не отличаются друг от друга, так как отношение их скоростей по всей трассе прохождения изменяется несущественно. Так как величины обоих скоростей по глубине увеличиваются лучи распространения искривляются с выпуклостью, направленной вниз.
По мере уменьшения угла падения сейсмических волн у гипоцентра их лучи становятся более искривленными, проникая более глубокие области и выходят на поверхности Земли на более дальних расстояниях. Прямые, неотраженные от ядра волны P и S регистрируются до таких расстояний, для которых центральный угол между гипоцентром и станцией регистрации не более чем 103° (рис. 1.36Ба). При больших центральных углах чем 103° волна P уже пересекает ядро. Прямой луч волны P при нулевом угле падения совпадает с диаметром Земли и проходит из одного полюса Земли к противоположному полюсу примерно зa 20 минут.