Fale sejsmiczne w skorupie ziemskiej i fale sprężyste w ośrodku stałym. Oddziaływanie fal sejsmicznych. Trzęsienia ziemi Prędkość fal sejsmicznych

Trzęsienia ziemi to wstrząsy i wibracje powierzchni ziemi.

Większości Rosji nie zagrażają niszczycielskie trzęsienia ziemi - występują one głównie na obszarach górskich, gdzie skorupa ziemska jest bardziej mobilna i niestabilna, ponieważ pasma górskie są młodymi formacjami, dlatego na takich obszarach ogromne znaczenie ma konstrukcja antysejsmiczna.

Zniszczenia budynków i konstrukcji spowodowane są zarówno drganiami gruntu, jak i

Powstałe drgania rozchodzą się w ziemi i poprzez fundamenty przenoszone są na konstrukcje. Niszczycielskie igigantyczne fale pływowe (tsunami) powstające w wyniku przemieszczeń sejsmicznych na dnie morskim.Niebezpieczne są także skutki trzęsień ziemi – panika, pożary, zakłócenia w połączeniach transportowych.

Każdego roku na Ziemi dochodzi do stu tysięcy trzęsień ziemi, rejestrowanych przez instrumenty; Spośród nich ludzie odczuwają około dziesięciu tysięcy, z czego około sto trzęsień ziemi prowadzi do dużych trzęsień ziemi, a średnio jedno trzęsienie ziemi rocznie jest katastrofalne.

Przykładem ich możliwej niszczycielskiej mocy jest trzęsienie ziemi, które miało miejsce w Japonii 1 września 1923 roku. Trzęsienie ziemi objęło obszar około 56 tys. km². W w ciągu kilku sekund byłyTokio, Jokohama, Yokosuka i 8 innych mniejszych miast zostały niemal całkowicie zniszczone. W Tokio ponad 300 tysięcy budynków (z miliona) uległo zniszczeniu w wyniku samego pożaru, w Jokohamie trzęsienia zniszczyły 11 tysięcy budynków, a kolejne 59 tysięcy spłonęło. Kolejnych 11 miast zostało dotkniętych w mniejszym stopniu.Z 675 mostów 360 uległo zniszczeniu w wyniku pożaru. Tokio straciło wszystkie kamienne budynki, ocalał jedynie Hotel Imperial, wybudowany rok wcześniej przez słynnego Franka Lloyda Wrighta. Hotel ten był pierwszym w Japonii kamiennym budynkiem odpornym na trzęsienia ziemi.Oficjalna liczba ofiar śmiertelnych wynosi 174 tysiące, kolejne 542 tysiące uznano za zaginione, a ponad milion pozostało bez dachu nad głową. Łączna liczba ofiar wyniosła około 4 miliony.Szkody materialne poniesione przez Japonię w wyniku trzęsienia ziemi w Kanto szacuje się na 4,5 miliarda dolarów, co stanowiło wówczas dwie części rocznego budżetu kraju.

Według klasyfikacji naukowej, w zależności od głębokości występowania, trzęsienia ziemi dzielą się na 3 grupy: „normalne” - 33–70 km, „średnie” – do 300 km, „głębokie skupienie” – ponad 300 km.

Do ostatniej grupy zalicza się trzęsienie ziemi, które miało miejsce 24 maja 2013 roku na Morzu Ochockim, kiedy fale sejsmiczne dotarły do wielu części Rosji, w tym do Moskwy. Głębokość tego trzęsienia ziemi osiągnęła 600 km.

PRZYCZYNY Trzęsień Ziemi

Jedną z przyczyn trzęsień ziemi jest szybkie przemieszczenie części litosfery (płyt litosferycznych) jako całości w momencie relaksacji (wyładowania) sprężystego odkształcenia naprężonych skał u źródła trzęsienia ziemi.

Większość trzęsień ziemi ma miejsce w pobliżu powierzchni Ziemi.

Podczas trzęsienia ziemi, w wyniku ruchu cząstek skał, powstają fale sprężyste zwane falami sejsmicznymi. Rozprzestrzeniają się w powierzchniowych warstwach Ziemi z ogromną prędkością: podłużną – od 5 do 8 km/s, poprzeczną – od 3 do 5 km/s.

Trzęsienia ziemi mogą również wystąpić, gdy skały są ściskane w fałdy, gdy wielkość naprężenia sprężystego przekracza wytrzymałość skał na rozciąganie, i pękają, tworząc uskok.

Fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi rozchodzą się we wszystkich kierunkach od źródła niczym fale dźwiękowe. Punkt, w którym rozpoczyna się ruch skał, nazywany jest ogniskiem, źródłem lub hipocentrum, a punkt na powierzchni ziemi nad źródłem nazywany jest epicentrum trzęsienia ziemi. Fale uderzeniowe rozchodzą się od źródła we wszystkich kierunkach, a w miarę oddalania się od niego ich intensywność maleje.

Fale sejsmiczne dzielą się na fale ściskające i fale ścinające.

Fale kompresyjne, czyli podłużne fale sejsmiczne, powodują drgania cząstek skały, przez które przechodzą zgodnie z kierunkiem propagacji fali, powodując naprzemienne obszary kompresji i rozrzedzenia w skałach. Prędkość propagacji fal ściskających jest 1,7 razy większa niż prędkość fal poprzecznych, dlatego stacje sejsmiczne jako pierwsze je rejestrują. Fale kompresyjne nazywane są także falami pierwotnymi (falami P). Prędkość fali P jest równa prędkości dźwięku w odpowiedniej skale. Przy częstotliwościach fal P większych niż 15 Hz fale te mogą być odbierane przez ucho jako podziemne buczenie i dudnienie.

Fale poprzeczne, czyli sejsmiczne fale poprzeczne, powodują, że cząsteczki skał wibrują prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale ścinające nazywane są także falami wtórnymi (falami S).

Istnieje trzeci rodzaj fal sprężystych - fale długie lub powierzchniowe (fale L). To oni powodują najwięcej zniszczeń.

Prędkość fal sejsmicznych może osiągnąć 8 km/s.

Siła trzęsienia ziemi, na jakie oddziałuje konstrukcja, zależy od odległości i głębokości źródła, geologii obszaru i hydrogeologii placu budowy.

WPŁYW FAL SEJSMICZNYCH NA KONSTRUKCJE

Konsekwencje trzęsień ziemi zależą od sztywności przestrzennej, wielkości, kształtu i ciężaru budynków, a także od liczby i charakteru wstrząsów. Najbardziej niebezpieczne dla budynków są poziome składowe drgań gruntu, gdyż podczas trzęsienia ziemi budynki zachowują się jak pionowa belka lub płyta wsparta w gruncie. Pionowe obciążenia sejsmiczne powstające w obszarze epicentrum są bardziej niebezpieczne dla konstrukcji poziomych - podłóg, gzymsów itp.

Stopień zniszczenia budynków i budowli w jednym regionie sejsmicznym może być różny ze względu na różne typy konstrukcyjne konstrukcji i różną jakość materiałów budowlanych(na przykład strPrzy tej samej intensywności trzęsienia ziemi niektóre budynki mogą doznać większych uszkodzeń niż inne, jeśli mają słabą przyczepność kamienia do zaprawy), specyfika produkcji pracyi charakter fundamentów (np. na słabych fundamentach zawsze następuje większe zniszczenie niż na mocnych).

OCENA I POMIAR SIŁY I SKUTKÓW Trzęsień Ziemi

Do oceny i porównania trzęsień ziemi stosuje się skalę wielkości (np. skalę Richtera) i różne skale intensywności.

Skala wielkości rozróżnia trzęsienia ziemi według wielkości, która jest względną charakterystyką energetyczną trzęsienia ziemi. Istnieje kilka wielkości i odpowiednio skal wielkości: wielkość lokalna (ML); wielkość określona na podstawie fal powierzchniowych (Ms); wielkość fali ciała (mb); wielkość momentu (Mw).Najpopularniejszą skalą szacowania energii trzęsienia ziemi jest lokalna skala wielkości Richtera. W tej skali wzrost wielkości o jeden odpowiada 32-krotnemu wzrostowi uwolnionej energii sejsmicznej.

Intensywność trzęsienia ziemi(nie można oszacować wielkości) szacuje się na podstawie szkód, jakie powodują na obszarach zaludnionych.

Intensywność jest jakościową cechą trzęsienia ziemi i wskazuje na charakter i skalę oddziaływania trzęsienia ziemi na powierzchnię ziemi, na ludzi, zwierzęta, a także na naturalne i sztuczne konstrukcje w obszarze trzęsienia ziemi. Na świecie stosuje się kilka skal intensywności: w Europie – europejska skala makrosejsmiczna (EMS), w Japonii – skala Japońskiej Agencji Meteorologicznej (Shindo), w USA i Rosji – zmodyfikowana skala Mercalli (MM):

1 punkt (niewidoczny) - oznaczany tylko specjalnymi urządzeniami

2 punkty (bardzo słabe) - zauważalne tylko przez bardzo wrażliwe zwierzęta i niektóre osoby na wyższych piętrach budynków

3 punkty (słabe) - odczuwalne tylko w niektórych budynkach, jak wstrząs od ciężarówki

4 punkty (umiarkowane) - trzęsienie ziemi odnotowuje wiele osób; możliwe wibracje okien i drzwi;

5 punktów (dość mocne) - kołysanie wiszących przedmiotów, skrzypienie podłóg, grzechotanie szkła, zrzucanie wapna;

6 punktów (mocny) - niewielkie uszkodzenia budynków: cienkie pęknięcia w tynkach, pęknięcia w piecach itp.;

7 punktów (bardzo mocne) - znaczne uszkodzenia budynków; pęknięcia tynków i odłamania poszczególnych fragmentów, cienkie pęknięcia w ścianach, uszkodzenia kominów; pęknięcia w wilgotnych glebach;

8 punktów (niszczące) - zniszczenia w budynkach: duże pęknięcia w ścianach, opadające gzymsy, kominy. Osuwiska i pęknięcia o szerokości do kilku centymetrów na zboczach górskich;

9 punktów (niszczycielskie) - zawalenia się niektórych budynków, zawalenia się ścian, przegród, dachów. Osuwiska, piargi i osuwiska w górach. Prędkość propagacji pęknięć może osiągnąć 2 cm/s;

10 punktów (niszczący) - zawalenia się wielu budynków; w pozostałej części - poważne szkody. Pęknięcia w gruncie o szerokości do 1 m, zapadnięcia, osunięcia się ziemi. Z gruzu dolin rzecznych powstają jeziora;

11 punktów (katastrofa) - liczne pęknięcia na powierzchni Ziemi, duże osuwiska w górach. Ogólne niszczenie budynków;

12 punktów (poważna katastrofa) - zmiana ulgi na dużą skalę. Ogromne zawalenia i osunięcia ziemi. Ogólne niszczenie budynków i budowli.

Trzęsienia ziemi o sile 6 punktów i mniejszej nie powodują niebezpiecznych szkód, natomiast trzęsienia ziemi o sile 10 punktów i większej są na tyle niszczycielskie, że nie można im przeciwdziałać zwykłymi metodami zwiększania oporu sejsmicznego, a zatem na obszarach, gdzie takie trzęsienia ziemi są prawdopodobne, budowa zwykle nie jest prowadzona. W rezultacie budynki mogą być chronione przed trzęsieniami ziemi o sile 7-9. Na obszarach o sejsmiczności 9 punktów budowie konstrukcji pierwszej kategorii towarzyszą dodatkowe działania antysejsmiczne.

Nie bez wykorzystania materiałów z książki M. Bojki „Diagnostyka uszkodzeń i metody przywracania właściwości użytkowych budynków” oraz wikipedia.org

Artykuł PROSPEKCJA SEJSMICZNA

Podczas poszukiwań sejsmicznych (w skrócie eksploracja sejsmiczna) fale sprężyste (sejsmiczne) wzbudzane są w gruncie za pomocą eksplozji lub źródeł niewybuchowych (wstrząsy, wibracje itp.). W procesie propagacji ulegają odbiciu i załamaniu na granicach warstw geologicznych o różnych właściwościach sprężystych. Fale odbite i załamane rejestrowane są za pomocą specjalnego, bardzo czułego sprzętu sejsmicznego. W wyniku przetworzenia interpretacji zapisów drgań sejsmicznych uzyskuje się informację o głębokości i układzie granic warstw geologicznych, przy których nastąpiło odbicie i załamanie fal sejsmicznych. Charakterystyka fal sejsmicznych (skład częstotliwości, intensywność itp.) zależy również od składu materiałowego skał, w tym od ich nasycenia ropą i gazem. Dzięki temu możliwe jest, w sprzyjających warunkach, wykorzystanie danych sejsmicznych do bezpośredniej identyfikacji złóż ropy i gazu we wnętrzu Ziemi (poszukiwania bezpośrednie).

FIZYCZNE I GEOLOGICZNE PODSTAWY BADAŃ SEJSMICZNYCH

Powstawanie podłużnych i poprzecznych fal sejsmicznych

Odkształcenia i naprężenia sprężyste. W badaniach sejsmicznych ośrodki geologiczne są uważane za ciągły zbiór pojedynczych cząstek, to znaczy w postaci „ciągłej” lub „ciągłej”. Jeśli do dowolnej objętości ośrodka zostanie przyłożona siła, cząstki zostaną przemieszczone. Po ustaniu działania sił możliwe są dwie opcje stanu ośrodka: a) przemieszczenie cząstek okazało się bardzo duże i siły oddziaływania nie mogą już przywrócić ich do poprzedniego położenia, tj. nastąpiło zniszczenie lub zagęszczenie struktury skalnej; b) przemieszczenia okazały się na tyle małe i pod wpływem sił adhezji cząstki powróciły do poprzedniego położenia, czyli ośrodek powrócił do swojej pierwotnej struktury.

Każde przemieszczenie cząstek pod działaniem przyłożonych sił, związane ze zmianą objętości lub kształtu, nazywa się deformacją. Jeżeli nastąpiło nieodwracalne uszkodzenie, odkształcenie nazywa się niesprężystym; w przeciwnym razie odkształcenia nazywane są sprężystymi. Fale sejsmiczne niosą odkształcenia sprężyste, dlatego w przyszłości rozważymy tylko je.

Odkształcenia sprężyste dzielą się na odkształcenia rozciągające lub ściskające oraz odkształcenia ścinające. W wyniku odkształceń rozciągających i ściskających zmienia się pierwotna objętość skały, dlatego nazywane są one również odkształceniami objętościowymi.

Odkształcenia ścinające powstają, gdy siła działa stycznie do zewnętrznej krawędzi belki. Podobnie jak w pierwszym przypadku cząstki będą przemieszczać się w kierunku przyłożonej siły, jednak w wyniku działania sił adhezji pomiędzy nimi przemieszczenia zostaną przeniesione na sąsiednie warstwy prostopadle do kierunku przyłożonej siły. Co więcej, ze względu na tarcie wewnętrzne cząstek, przemieszczenie będzie mniejsze, im dalej warstwa będzie oddalona od zewnętrznej krawędzi, na którą przykładana jest siła. Ponieważ przesunięciu towarzyszy zmiana kształtu ciała, odkształcenia ścinające nazywane są również odkształceniami kształtu.

Zdolność ośrodków do przenoszenia odkształceń w postaci fal sprężystych jest określona przez powiązania pomiędzy odkształceniami sprężystymi a naprężeniami, które je wywołały. Naprężenie to siła działająca na jednostkę powierzchni:

Gdzie F s - wypadkowa sił przyłożonych do powierzchni S.

Ustalono eksperymentalnie, że pomiędzy odkształceniami sprężystymi i naprężeniami istnieje liniowa zależność, tj. odkształcenia są wprost proporcjonalne do naprężeń (prawo Hooke’a):

Współczynnik mi charakteryzuje odporność skały na rozszerzanie lub ściskanie i nazywa się modułem Younga. Stosunek względnego pocienienia do względnego wydłużenia n nazywany jest współczynnikiem Poissona. Moduł ścinania m charakteryzuje odporność skały na zmianę kształtu.

Moduły Younga MI, przesunięcie m i współczynnik Poissona n są powiązane zależnością

Moduł Younga mi dla skał osadowych wynosi (0,03-9)'10 11 dyn/cm2 [W SI (0,03-9)'10 10 N/m 2 ], dla skał krystalicznych (3-16)'10 11 dyn/cm 2 [w SI-(3-16)'10 10 N/m 2 ]; Współczynnik Poissona n dla skał osadowych wynosi 0,18-0,50, dla skał krystalicznych 0,19-0,38; moduł ścinania m jest w przybliżeniu o połowę mniejszy od modułu Younga.

Podłużne i poprzeczne fale sejsmiczne. Mechanizm powstawania elastycznych fal sejsmicznych można schematycznie przedstawić w poniższej postaci. Niszczenie skał następuje bezpośrednio w pobliżu źródła wzbudzenia; obszar ten nazywany jest obszarem awarii. Kolejny obszar ośrodka, w którym naprężenia są jeszcze dość duże, a powodowane przez nie przemieszczenia cząstek prowadzą do zaburzenia struktury ośrodka (zagęszczenia ośrodka), nazywany jest obszarem odkształceń szczątkowych. W pewnej odległości od źródła naprężenia i odkształcenia w ośrodku stają się tak małe, że można mówić o obszarze odkształceń sprężystych. W nim, pokrywając z biegiem czasu coraz to nowe obszary środowiska, generalnie rozprzestrzeniają się fale sejsmiczne dwóch rodzajów - podłużnej i poprzecznej. Podłużna fala sejsmiczna rozchodzi się w postaci odkształceń rozciągających i ściskających, natomiast fala poprzeczna rozchodzi się w postaci odkształceń ścinających. Fale podłużne oznaczono literą P, fale poprzeczne literą S. Oznaczenia te nadano w sejsmologii, ponieważ w sejsmogramach trzęsień ziemi najpierw rejestrowano fale podłużne (łac. „prima”), a za nimi fale poprzeczne ( drugie - „secunda”).

Przemieszczenia w fali podłużnej zachodzą w kierunku jej propagacji, a w fali poprzecznej w płaszczyznach prostopadłych do kierunku propagacji fali. Powierzchnia oddzielająca obszar zakłócenia (w którym przemieszczenia nie wynoszą zero) od obszaru spoczynku (w którym przemieszczenia wynoszą zero) nazywana jest frontem fali.

Wektor przemieszczenia fali poprzecznej ma określoną orientację. Zjawisko to nazywane jest polaryzacją fali poprzecznej. Jeżeli wektor przemieszczenia nie zmienia swojej orientacji podczas propagacji fali poprzecznej, wówczas falę nazywa się spolaryzowaną płasko lub liniowo. Przykładem fal spolaryzowanych płasko są fale odbite poprzecznie. Wektor przemieszczenia fali spolaryzowanej płasko można rozłożyć na składowe poziome X i Y.

Odkształcenia ścinające, a co za tym idzie fale poprzeczne, nie występują w gazach i nielepkich cieczach; w takich ośrodkach rozchodzą się jedynie podłużne fale sejsmiczne.

Prędkości v p i v s propagacji fal podłużnych i poprzecznych wyrażane są poprzez parametry sprężystości ośrodka – moduł Younga MI, Współczynnik Poissona n i gęstość ośrodka s według następujących wzorów:

Stosunek prędkości fal poprzecznych i podłużnych v s / v str w zależności od składu litologicznego skał, głębokości ich występowania i innych czynników waha się od 0,10 do 0,67.

Fale sejsmiczne dzielą się na fale ściskające i fale ścinające.

1. Fale kompresyjne, czyli podłużne fale sejsmiczne, powodują drgania cząstek skały, przez które przechodzą zgodnie z kierunkiem propagacji fali, powodując naprzemienne występowanie obszarów kompresji i rozrzedzenia w skałach. Prędkość propagacji fal ściskających jest 1,7 razy większa niż prędkość fal poprzecznych, dlatego stacje sejsmiczne jako pierwsze je rejestrują. Fale kompresyjne nazywane są także falami pierwotnymi (falami P). Prędkość fali P jest równa prędkości dźwięku w odpowiedniej skale. Przy częstotliwościach fal P większych niż 15 Hz fale te mogą być odbierane przez ucho jako podziemne buczenie i dudnienie.
2. Fale poprzeczne, czyli poprzeczne fale sejsmiczne, powodują, że cząstki skały wibrują prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale ścinające nazywane są także falami wtórnymi (falami S).

Istnieje trzeci rodzaj fal sprężystych - fale długie lub powierzchniowe (fale L). To oni powodują najwięcej zniszczeń.

Fale sejsmiczne dzielą się na hipocentralne (podłużne i poprzeczne) oraz powierzchniowe (fale Rayleigha i Love).

1.
2. Hipocentralne fale ścinające (fale S)
3. Fale Rayleigha i Love'a (fale R i fale L) to fale sejsmiczne rozchodzące się od epicentrum trzęsienia ziemi w grubości górnej warstwy skorupy ziemskiej. Przemieszczenie cząstek gleby w załamku R następuje w płaszczyźnie pionowej, a w załamku L – w płaszczyźnie poziomej prostopadłej do kierunku propagacji tych fal.

Całkowity wpływ powyższych czynników niszczących trzęsienie ziemi na powierzchnię ziemi charakteryzuje się intensywnością trzęsienia ziemi wyrażoną w punktach. W zależności od intensywności drgań powierzchni ziemi ustalono następującą klasyfikację trzęsień ziemi

4. Hipocentralne fale podłużne (fale P)- fale sejsmiczne rozchodzące się od źródła trzęsienia ziemi we wszystkich kierunkach z naprzemiennym tworzeniem się stref ściskania i rozciągania. W tym przypadku przemieszczenie cząstek gruntu następuje wzdłuż kierunku propagacji fali.
5. Hipocentralne fale ścinające (fale S)- fale sejsmiczne rozchodzące się od źródła trzęsienia ziemi we wszystkich kierunkach wraz z tworzeniem się stref ścinania. Przemieszczenie cząstek następuje prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.
6. Fale Rayleigha i Love’a (fale R i L)- fale sejsmiczne rozchodzące się od epicentrum trzęsienia ziemi w grubości górnej warstwy skorupy ziemskiej. Przemieszczenie cząstek gleby w załamku R następuje w płaszczyźnie pionowej, a w załamku L – w płaszczyźnie poziomej prostopadłej do kierunku propagacji tych fal.

Głównymi parametrami fal sejsmicznych są: prędkość propagacji, maksymalna amplituda drgań, okres drgań i czas działania fali.

Prędkość propagacji hipocentralnych fal podłużnych wynosi około 8 km/s, hipocentralnych fal poprzecznych około 5 km/s, a fal powierzchniowych 0,5 - 2 km/s.

Maksymalna amplituda oscylacji, okres oscylacji i czas trwania fal zależą od warunków gruntowych, lokalizacji źródła i siły trzęsienia ziemi.

Tabela 1

	Siła trzęsienia ziemi	krótki opis
	Nie czułem	Oznaczone jedynie przez instrumenty sejsmiczne.
	Bardzo słabe wstrząsy	Oznaczone przez instrumenty sejsmiczne. Odczuwają to tylko niektóre osoby znajdujące się w stanie całkowitego spokoju na wyższych piętrach budynków oraz bardzo wrażliwe zwierzęta domowe.
		Jest to odczuwalne tylko w niektórych budynkach, jak wstrząs wywołany ciężarówką.
	Umiarkowany	Rozpoznawany po lekkim grzechotaniu i wibracjach przedmiotów, naczyń i szyb okiennych, skrzypieniu drzwi i ścian. Wewnątrz budynku większość ludzi odczuwa drżenie.
	Całkiem silny	Na świeżym powietrzu odczuwa to wielu, w domach - każdy. Ogólne drżenie budynku, wibracje mebli. Wahadła zegara zatrzymują się. Pęknięcia szyb okiennych i tynku. Przebudzenie śpiących. Czują to ludzie na zewnątrz budynków, kołyszą się cienkie gałęzie drzew. Drzwi się trzaskają.
		Każdy to odczuwa. Wiele osób ze strachu wybiegło na ulicę. Zdjęcia spadają ze ścian. Odrywają się pojedyncze kawałki tynku.
	Bardzo silny	Uszkodzenia (pęknięcia) w ścianach kamiennych domów. Budynki antysejsmiczne, drewniane i wiklinowe pozostają nienaruszone.
	Destrukcyjny	Pęknięcia na stromych zboczach i mokrej glebie. Pomniki przesuwają się z miejsca lub przewracają. Domy są mocno zniszczone.
	Niszczycielski	Poważne uszkodzenia i zniszczenia kamiennych domów. Stare drewniane domy są krzywe.
	Destrukcyjny	Pęknięcia w glebie mają czasami szerokość do metra. Osuwiska i zawalenia się ze zboczy. Zniszczenie kamiennych budynków. Krzywizna szyn kolejowych.
	Katastrofa	Szerokie pęknięcia w powierzchniowych warstwach ziemi. Liczne osuwiska i zawalenia. Kamienne domy są prawie całkowicie zniszczone. Silne zginanie i wybrzuszenie szyn kolejowych.
	Poważna katastrofa	Zmiany w glebie osiągają ogromne rozmiary. Liczne pęknięcia, zapadnięcia, osuwiska. Pojawienie się wodospadów, tam na jeziorach, odchylenie przepływów rzek. Żadna konstrukcja nie jest w stanie tego wytrzymać.

Trudność ratowania ludzi podczas trzęsienia ziemi wynika z nagłości jego wystąpienia, trudności w rozmieszczeniu sił i prowadzeniu akcji poszukiwawczo-ratowniczych w strefie masowego rażenia; obecność dużej liczby ofiar wymagających pomocy w nagłych przypadkach; ograniczony czas przeżycia ludzi pod gruzami; trudne warunki pracy ratowników. Źródło trzęsienia ziemi ogólnie charakteryzuje się: zniszczeniem i przewróceniem budynków i budowli, pod gruzami których umierają ludzie; występowanie wybuchów i masowych pożarów będących następstwem awarii przemysłowych, zwarć w sieciach energetycznych oraz rozhermetyzowania zbiorników do przechowywania cieczy łatwopalnych; powstawanie możliwych ognisk skażenia substancjami chemicznymi toksycznymi; zniszczenie i zablokowanie obszarów zaludnionych w wyniku powstania licznych pęknięć, zawaleń i osuwisk; zalanie osiedli i całych regionów w wyniku powstawania wodospadów, tam na jeziorach i odchylenia koryt rzek.

Ministerstwo Edukacji i Nauki

Federacja Rosyjska

Krymski Uniwersytet Federalny im. V.I. Wernadski

Akademia Taurydów

Wydział Geografii

Katedra Geografii i Geomorfologii

AA PASYNKOW

GEOMORFOLOGIA SEJSMICZNA

(Instruktaż)

Symferopol – 2015

Pasynkow Anatolij Andriejewicz

(Instruktaż)

Symferopol: Krymski Uniwersytet Federalny

Nazwany na cześć VI Wernadskiego z Akademii Tauride. 2015. – 100 s.

Ten poradnik

Program wykładów ma na celu przygotowanie magistrów akademickich na kierunku „”, studentów geomorfologii wydziałów geograficznych, nauczycieli i specjalistów.

TREŚĆ

Temat nr.	rozdział	P.
		4

Temat 1. KONCEPCJA SEJSMOLOGII

Sejsmologia(od starożytnego greckiego σεισμός - drżenie (ziemi) i λόγος - słowo, mowa) - nauka o propagacji fal sejsmicznych w wnętrznościach Ziemi. Tylko za pomocą sejsmologii możliwe było stworzenie obrazu głębokiej struktury globu (skorupa, płaszcz, jądro zewnętrzne i wewnętrzne). Sejsmologia zajmuje się także trzęsieniami ziemi, ruchami platform, monitorowaniem rozwoju złóż rud itp.

Sejsmologia to nauka zajmująca się pomiarami i analizą wszelkich ruchów rejestrowanych przez sejsmografy na powierzchni stałej Ziemi. Jest to gałąź geofizyki zajmująca się badaniem trzęsień ziemi, ich przyczyn, skutków i środków ochrony sztucznych konstrukcji.

Głównym nośnikiem informacji są fale sejsmiczne, których interpretacja zapisu umożliwia badanie wraz z trzęsieniami ziemi struktury Ziemi, a także identyfikację złóż minerałów i rejestrowanie wybuchów (np. nuklearnych).

Głównym zadaniem sejsmologii jest badanie wewnętrznej struktury Ziemi. Dlatego bardzo ważne jest, aby wiedzieć, jak odchylenia od jednorodności wpływają na propagację fal sejsmicznych. Zasadniczo wszystkie bezpośrednie dane na temat wewnętrznej struktury Ziemi uzyskuje się z obserwacji propagacji fal sprężystych wzbudzanych przez trzęsienia ziemi.

Pod sejsmiczność implikuje geograficzne rozmieszczenie trzęsień ziemi, ich związek ze strukturą powierzchni ziemi i rozkład wielkości (lub energii).

Trzęsienia ziemi- wstrząsy i wibracje powierzchni Ziemi spowodowane przyczynami naturalnymi (głównie procesami tektonicznymi) lub procesami sztucznymi (wybuchy, zasypywanie zbiorników, zapadanie się podziemnych wyrobisk w wyrobiskach górniczych). Małe wstrząsy mogą również powodować podnoszenie się lawy podczas erupcji wulkanów.

Każdego roku na Ziemi zdarza się około miliona trzęsień ziemi, ale większość z nich jest tak mała, że pozostaje niezauważona. Naprawdę silne trzęsienia ziemi, mogące spowodować rozległe zniszczenia, zdarzają się na planecie mniej więcej raz na dwa tygodnie. Na szczęście większość z nich występuje na dnie oceanów i dlatego nie towarzyszą im katastrofalne skutki (o ile trzęsienie ziemi pod oceanem nie nastąpi bez tsunami).

Trzęsienia ziemi są najbardziej znane ze zniszczeń, jakie mogą powodować. Zniszczenia budynków i budowli spowodowane są drganiami gleby lub gigantycznymi falami pływowymi (tsunami), które powstają podczas przemieszczeń sejsmicznych na dnie morskim.

Przyczyny trzęsień ziemi.

Przyczyną trzęsienia ziemi jest gwałtowne przemieszczenie fragmentu skorupy ziemskiej jako całości w momencie plastycznego (kruchego) odkształcenia skał sprężyście naprężonych u źródła trzęsienia ziemi. Większość źródeł trzęsień ziemi występuje w pobliżu powierzchni Ziemi (ryc. 1). Samo przemieszczenie następuje pod działaniem sił sprężystych podczas procesu wyładowania - zmniejszając odkształcenia sprężyste w objętości całego przekroju płyty i przesuwając się do położenia równowagi. Trzęsienie ziemi to gwałtowne (w skali geologicznej) przejście energii potencjalnej zgromadzonej w odkształconych sprężyście (ściskanych, ścinanych lub rozciąganych) skałach wnętrza Ziemi w energię drgań tych skał (fale sejsmiczne), w energię zmian struktura skał u źródła trzęsienia ziemi. To przejście następuje, gdy przekroczona zostanie wytrzymałość na rozciąganie skał u źródła trzęsienia ziemi.

Ryż. 1 Współczesne epicentra trzęsień ziemi i wulkanów na Ziemi.

Wytrzymałość na rozciąganie skał w skorupie ziemskiej zostaje przekroczona w wyniku wzrostu sumy sił działających na nią:

Siły tarcia lepkiego przepływów konwekcyjnych płaszcza po skorupie ziemskiej;

Siła Archimedesa działająca na lekką skorupę z cięższego płaszcza z tworzywa sztucznego;

Pływy księżycowo-słoneczne;

Zmieniające się ciśnienie atmosferyczne.

W momencie trzęsienia ziemi energia potencjalna odkształcenia sprężystego w źródle trzęsienia ziemi szybko (niemal natychmiast) maleje do minimalnej energii resztkowej (prawie do zera). A w pobliżu źródła, z powodu przemieszczenia całej płyty podczas trzęsienia ziemi, odkształcenia sprężyste nieco wzrastają. Dlatego powtarzające się trzęsienia ziemi – wstrząsy wtórne – często występują w pobliżu głównego trzęsienia ziemi. W ten sam sposób małe „wstępne” trzęsienia ziemi – wstrząsy wstępne – mogą wywołać duże w pobliżu początkowego małego trzęsienia ziemi. Duże trzęsienie ziemi (z dużym przemieszczeniem płyt) może powodować kolejne trzęsienia ziemi indukowane nawet na odległych krawędziach płyt.

Trzęsienia ziemi o głębokim ognisku, których źródła znajdują się na głębokości do 700 km od powierzchni, występują na zbieżnych granicach płyt litosferycznych i są związane z subdukcją.

Fale sejsmiczne i ich pomiary

Przesuwaniu się skał wzdłuż uskoku początkowo zapobiega tarcie. W rezultacie energia powodująca ruch kumuluje się w postaci naprężeń sprężystych w skałach. Kiedy naprężenie osiągnie punkt krytyczny przekraczający siłę tarcia, następuje gwałtowne pęknięcie skał wraz z ich wzajemnym przemieszczeniem; zgromadzona energia po uwolnieniu powoduje drgania falowe powierzchni ziemi – trzęsienia ziemi. Trzęsienia ziemi mogą również wystąpić, gdy skały są ściskane w fałdy, gdy wielkość naprężenia sprężystego przekracza wytrzymałość skał na rozciąganie, co powoduje ich rozszczepienie, tworząc uskok.

Fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi rozchodzą się we wszystkich kierunkach od źródła niczym fale dźwiękowe. Punkt, w którym rozpoczyna się ruch skał, nazywa się ognisko, palenisko lub hipocentrum, a punkt na powierzchni ziemi nad źródłem to epicentrum trzęsienia ziemi . Fale uderzeniowe rozchodzą się od źródła we wszystkich kierunkach, a w miarę oddalania się od niego ich intensywność maleje. Prędkość fal sejsmicznych może osiągnąć 8 km/s.

Rodzaje fal sejsmicznych.

Fale sejsmiczne dzielą się na fale ściskające i fale ścinające.

Fale kompresyjne, czyli podłużne fale sejsmiczne, powodują drgania cząstek skały, przez które przechodzą zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali, powodując naprzemienne występowanie obszarów kompresji i rozrzedzenia w skałach. Prędkość propagacji fal ściskających jest 1,7 razy większa niż prędkość fal poprzecznych, dlatego stacje sejsmiczne jako pierwsze je rejestrują. Fale kompresyjne nazywane są także falami pierwotnymi (Załamki P). Prędkość fali P jest równa prędkości dźwięku w odpowiedniej skale. Przy częstotliwościach fal P większych niż 15 Hz fale te mogą być odbierane przez ucho jako podziemne buczenie i dudnienie.

Fale poprzeczne, czyli poprzeczne fale sejsmiczne, powodują oscylacje cząstek skały prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Fale ścinające nazywane są także falami wtórnymi (Fale S).

Istnieje trzeci rodzaj fal sprężystych - fale długie lub powierzchniowe (fale L). To oni powodują najwięcej zniszczeń.

Sejsmograf

Instrumentalne obserwacje pojawiły się po raz pierwszy w Chinach, gdzie w 132 roku Chang Hen wynalazł sejsmoskop, będący umiejętnie wykonanym naczyniem. Na zewnętrznej stronie naczynia, z umieszczonym wewnątrz wahadłem, wyryto w okręgu głowy smoków trzymających w pyskach kulki. Kiedy wahadło odchyliło się od trzęsienia ziemi, jedna lub więcej kul wpadło do otwartych pysków żab umieszczonych u podstawy naczyń, aby żaby mogły je połknąć (ryc. 2).

Ryż. 2. Sejsmoskop autorstwa Chang Hyuna.

Nowoczesny sejsmograf to zestaw przyrządów rejestrujących drgania gruntu podczas trzęsienia ziemi i przetwarzających je na sygnał elektryczny, zarejestrowany na sejsmogramach w formie analogowej i cyfrowej. Jednakże, podobnie jak poprzednio, głównym czułym elementem jest wahadło z obciążeniem (rys. 3).

Ryż. 3 Sejsmograf.

Serwis sejsmiczny

Stałe obserwacje trzęsień ziemi prowadzone są przez służbę sejsmiczną. Nowoczesna globalna sieć obejmuje St. 2000 stacjonarnych stacji sejsmicznych, których dane na bieżąco publikowane są w biuletynach i katalogach sejsmologicznych. Oprócz stacji stacjonarnych wykorzystywane są sejsmografy ekspedycyjne, w tym instalowane na dnie oceanu. Sejsmografy ekspedycyjne wysłano także na Księżyc (gdzie 5 sejsmografów rocznie rejestruje do 3000 trzęsień Księżyca), a także na Marsa i Wenus.

Rodzaje trzęsień ziemi

Architektoniczny

Trzęsienia tektoniczne powstają w wyniku nagłego uwolnienia naprężeń, np. podczas ruchu wzdłuż uskoku w skorupie ziemskiej (badania ostatnich lat pokazują, że głębokie trzęsienia ziemi mogą być także spowodowane przejściami fazowymi w płaszczu Ziemi zachodzącymi w określonych temperaturach i ciśnienia). przemieszczenie poziome – 6 m. Maksymalna zarejestrowana wartość przemieszczeń sejsmogenicznych wzdłuż uskoku wynosi 15 m.

Ryż. 4. Mechanizm trzęsienia ziemi tektonicznego

Ryc.5 Konsekwencje trzęsień ziemi tektonicznych

Czasem na powierzchnię wychodzą głębokie wady. Podczas katastrofalnego trzęsienia ziemi w San Francisco 18 kwietnia 1906 roku łączna długość pęknięć powierzchni w strefie uskoku San Andreas wyniosła ponad 430 km.

Rys. 6 Usterka San Andreas

Wulkaniczny

Wulkaniczne trzęsienia ziemi to rodzaj trzęsienia ziemi, podczas którego trzęsienie ziemi następuje w wyniku wysokiego napięcia w głębinach wulkanu. Przyczyną takich trzęsień ziemi jest lawa, gaz wulkaniczny. Trzęsienia ziemi tego typu są słabe, ale trwają długo, wiele razy - tygodnie i miesiące. Jednak trzęsienie ziemi nie stanowi zagrożenia dla ludzi tego typu.

Ryż. 5. Wulkanizm

Technogeniczny

Niedawno pojawiła się informacja, że trzęsienia ziemi mogą być spowodowane działalnością człowieka. Na przykład w obszarach powodziowych podczas budowy dużych zbiorników wzrasta aktywność tektoniczna - wzrasta częstotliwość trzęsień ziemi i ich wielkość. Dzieje się tak dlatego, że masa wody zgromadzonej w zbiornikach swoim ciężarem zwiększa ciśnienie w skałach, a przenikająca woda zmniejsza wytrzymałość skał na rozciąganie. Podobne zjawiska mają miejsce przy wywozie dużych ilości skał z kopalń, kamieniołomów oraz podczas budowy dużych miast z materiałów importowanych.

Ryż. Konsekwencje uderzenia spowodowanego przez człowieka (trzęsienia ziemi spowodowane przez człowieka)

Osuwisko

Trzęsienia ziemi mogą być również spowodowane osuwiskami ziemi i dużymi osuwiskami. Takie trzęsienia ziemi nazywane są osuwiskami, mają charakter lokalny i mają niewielką siłę.

Ryż. Konsekwencje trzęsienia ziemi osuwiska

Fala sejsmiczna

Fale ciała i fale powierzchniowe

Fale sejsmiczne- fale energii rozchodzące się przez ziemię lub inne ciała sprężyste w wyniku procesu wytwarzającego energię akustyczną o niskiej częstotliwości (trzęsienie ziemi, eksplozja itp.). Fale sejsmiczne są badane przez sejsmologów i geofizyków. Bada się je za pomocą sejsmografu, geofonu, hydrofonu lub akcelerometru.

Szybkość rozchodzenia się fali zależy od gęstości i sprężystości ośrodka. Prędkość ma tendencję do zwiększania się wraz z głębokością, w skorupie ziemskiej wynosi 2-8 km/s, a przy zagłębianiu się w płaszcz wynosi 13 km/s.

Trzęsienia ziemi powodują powstawanie różnego rodzaju fal sejsmicznych o różnej prędkości. Falę rejestruje się na szeregu stacji sejsmologicznych i na podstawie różnicy czasu naukowcy obliczają epicentrum. W geofizyce załamanie lub odbicie fal sejsmicznych wykorzystuje się do badania głębin Ziemi, fale sztuczne wykorzystuje się do badania struktur podziemnych.

Rodzaje fal sejsmicznych

Istnieją dwa główne typy: fale ciała i fale powierzchniowe. Oprócz opisanych poniżej istnieją inne, mniej znaczące rodzaje fal, których prawdopodobnie nie można znaleźć na Ziemi, ale są one ważne w asterosejsmologii.

Fale ciała

Przechodzą przez wnętrzności Ziemi. Ścieżka fal jest załamywana przez różną gęstość i twardość podziemnych skał.

Fale P

Fale P (fale pierwotne) są falami podłużnymi lub falami kompresyjnymi. Zazwyczaj ich prędkość jest dwukrotnie większa niż fal S i mogą przechodzić przez dowolny materiał. W powietrzu przybierają postać fal dźwiękowych i odpowiednio ich prędkość staje się równa prędkości dźwięku. Standardowa prędkość fal P wynosi 330 m/s w powietrzu, 1450 m/s w wodzie i 5000 m/s w granicie.

Fale S

Fale S (fale wtórne) są falami poprzecznymi. Pokazują, że ziemia porusza się prostopadle do kierunku propagacji. W przypadku fal S spolaryzowanych poziomo, Ziemia porusza się naprzemiennie w jednym kierunku, a następnie w drugim. Fale tego typu mogą działać tylko w ciałach stałych.

Fale powierzchniowe

Fale powierzchniowe są nieco podobne do fal wodnych, ale w przeciwieństwie do nich przemieszczają się po powierzchni ziemi. Ich normalna prędkość jest znacznie mniejsza niż prędkość fal ciała. Ze względu na niską częstotliwość, czas trwania i dużą amplitudę są one najbardziej niszczycielskie ze wszystkich rodzajów fal sejsmicznych. Są dwojakiego rodzaju: fale Rayleigha i fale Miłości.

Fale P i S w płaszczu i rdzeniu

Kiedy dochodzi do trzęsienia ziemi, sejsmografy w pobliżu epicentrum rejestrują fale S i P. Jednak na dużych odległościach nie da się wykryć wysokich częstotliwości pierwszej fali S. Ponieważ fale poprzeczne nie mogą przechodzić przez ciecze, na podstawie tego zjawiska Richard Dickson Oldham postawił hipotezę, że Ziemia ma płynne jądro zewnętrzne. Tego typu badania sugerowały później, że Księżyc ma stałe jądro, ale ostatnie badania geodezyjne wykazały, że jest on nadal stopiony.

Wykorzystanie fal P i S do lokalizacji trzęsienia ziemi

W przypadku lokalnych lub pobliskich trzęsień ziemi różnicę w przybyciu fal P i S można wykorzystać do określenia odległości od zdarzenia. W przypadku globalnych trzęsień ziemi cztery lub więcej zsynchronizowanych czasowo stacji obserwacyjnych rejestruje czasy nadejścia fal P. Na podstawie tych danych można obliczyć epicentrum w dowolnym miejscu na planecie. Do określenia hipocentrum wykorzystuje się większą ilość danych (dziesiątki lub setki zapisów przybycia fali P ze stacji sejsmicznych).

Najłatwiejszym sposobem ustalenia lokalizacji trzęsienia ziemi w promieniu 200 km jest obliczenie różnicy w przybyciu fal P i S w sekundach i pomnożenie jej przez 8. Jednak w przypadku odległości telesejsmicznych metoda ta nie jest odpowiednia, ponieważ istnieje duże prawdopodobieństwo, że fale sejsmiczne zagłębiły się w płaszcz Ziemi i załamały się, zmieniając ich prędkość.

Spinki do mankietów

To jest projekt artykułu dot