Original: http://eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html

Вступ

Коли ви дивитеся на сейсмограмі в ворушить ви бачите ознака того, що земля є, або був, вібрують за допомогою сейсмічних хвиль. Сейсмічні хвилі поширюються коливання, які переносять енергію від джерела тряски у всіх напрямках. Ви можете уявити цю концепцію, посилаючись на кругові хвилі, які розповсюджуються по поверхні ставка, коли камінь кинутий в воду. Землетрус являє собою більш складний процес, ніж кам’яний бризок в воду, і сейсмічні хвилі, які створюються під час землетрусу різноманітніші, ніж ті, на ставку.

Багато різних сейсмічних хвиль, але все в основному з чотирьох типів:

• Стиснення або P (для первинної)
• Поперечний або S (для вторинної)
• Лове
• Рейлі

Землетрус випромінює P і S хвилі у всіх напрямках і взаємодію P і S хвиль з поверхнею Землі і неглибоко структура виробляє поверхневі хвилі.

Недалеко від землетрусу розхитування велика і домінує поперечних хвиль і короткоперіодичних поверхневих хвиль. Ці хвилі, які роблять найбільший збиток нашим будівлям, шосе і т.д. Навіть у великих землетрусів інтенсивне струшуванні зазвичай триває всього кілька десятків секунд, але це може тривати протягом хвилин в найбільших землетрусів. На далеких відстанях амплітуда сейсмічних хвиль зменшується в міру енергія, що виділяється в результаті землетрусу поширюється по більшому обсягу Землі. Крім того, зі збільшенням відстані від землетрусу, хвилі відокремлені один від одного в часі і розійшлися, так як P, S, і поверхневі хвилі рухаються з різною швидкістю.

Сейсмічні хвилі можна виділити ряд властивостей, включаючи швидкість руху хвилі, напрям, що хвилі рухаються частинки, оскільки вони проходять мимо, де і коли вони не поширюються. Ми підемо через кожну хвилю типу індивідуально роз’яснювали відмінності.

Перші два типи хвиль, P і S, називаються хвилями тіла, тому що вони подорожують або поширюватися через тіло Землі. Останні два називаються поверхневими хвилями вони переміщаються уздовж поверхні Землі, і їх амплітуда зменшується з глибиною на Землю.

Час пробігу хвилі

Часу пробігу найкраще задумана ні з аналогією автомобільної поїздки. Якщо Ви повинні подорожувати 120 миль, і ви їдете 60 миль в годину, ви отримаєте до місця призначення протягом двох годин, якщо ви змушені їхати зі швидкістю 30 миль на годину, він буде вважати вас в два рази довше, щоб прибути в пункт призначення. Математична формула ми використовуємо в цьому завданні

час поїздки = (дистанція подорожі) / (швидкість їзди)

Щоб застосувати ці ідеї до вивчення землетрусів, думати про місце землетрусу в якості відправної точки для поїздки і сейсмометром як місце, де поїздка закінчується. Швидше хвилі будуть рухатися швидше, відстань і показати на сейсмограмі в першу чергу.

час подорожі = (дистанція від землетрусу до сейсмографа) / (швидкість сейсмічної хвилі)

Час в дорозі відносний час, то кількість хвилин, секунд і т.д., що хвиля знадобилося, щоб завершити свою подорож. Час прибуття настав час, коли ми записуємо приходу хвилі – це абсолютний час, як правило, посилаються на універсальний координований час (система 24-годинний час використовується в багатьох науках). Ось приклад, щоб проілюструвати різницю: якщо два землетруси сталися в тому ж місці, але рівно через 24 годин один від одного, час пробігу хвилі буде такою ж, але час прибуття буде відрізнятися на один день.

Швидкість сейсмічної хвилі

Сейсмічні хвилі рухаються швидко, порядку кілометрів в секунду (км/с). Точна швидкість, що сейсмічна хвиля проходить, залежить від кількох факторів, найбільш важливим є склад породи. Нам пощастило, що швидкість залежить від типу породи, оскільки вона дозволяє використовувати спостереження, записані на сейсмограмм, щоб вивести композицію або діапазон композицій планети. Але цей процес не завжди просто, так як іноді різні типи порід, мають однакову швидкість сейсмічних хвиль, а також інші фактори також впливають на швидкість, особливо від температури і тиску. Температура має тенденцію до зниження швидкості сейсмічних хвиль і тиск має тенденцію до збільшення швидкості. збільшення тиску з глибиною в Землі, так як вага каменів вище стає більше зі збільшенням глибини. Як правило, вплив тиску є більше, і в області однорідної композиції, швидкість зазвичай зростає із збільшенням глибини, незважаючи на те, що підвищення температури з глибиною робіт, щоб знизити швидкість хвилі.

Коли я описують різні типи сейсмічних хвиль нижче я процитую діапазони швидкості, щоб вказати діапазон значень ми спостерігаємо в звичайних земних породах. Але ви повинні мати на увазі, що питома швидкість по всій Землі буде залежати від складу, температури і тиску.

Хвилі стиснення або P-хвилі

P–хвилі перші хвилі, щоб прибути на повній записи струс грунту, тому що вони подорожують швидше (їх назва походить від цього факту – P це абревіатура для первинної, першої хвилі, щоб прибути). Вони, як правило, рухаються зі швидкістю від ~ 1 до ~ 14 км/сек. Чим повільніше значення відповідає P-хвилі, що розповсюджується в воді, тим вище число представляє швидкість Р-хвилі поблизу основи мантії Землі.

Швидкість хвилі залежить від пружних властивостей і щільності матеріалу. Якщо ми дозволимо k є об’ємний модуль пружності матеріалу, m дотичне-модуль, і r щільності, то Р-хвильова швидкість, яку ми представляємо на a, визначається за формулою:

Модуль пружності при є мірою того, наскільки легко чи труднощі він є деформує матеріал. Наприклад, об’ємний модуль пружності є мірою того, як матеріал змінює гучність при подачі тиску і є характеристикою матеріалу. Наприклад, поролон має більш низький модуль пружності, ніж насипний стали.

P-хвилі звукові хвилі, це просто, що в сейсмології ми зацікавлені в частотах, які нижче діапазону чоловіків слуху (швидкість звуку в повітрі становить близько 0,3 км/сек). Вібрація, викликана Р-хвиль є зміна обсягу, що чергуються з стиску до розширення в напрямку, що хвиля рухається. P-хвилі проходять через всі типи медіа – твердих, рідких або газу.

S-хвилі

Вторинні, або S хвилі, подорожувати повільніше, ніж Р-хвиль і також називаються “зсуву” хвилі, тому що вони не змінюють обсяг матеріалу, через які вони поширюються, вони стригти його. S-хвилі є поперечними хвилями, тому що вони вібрують землю в напрям “поперечної”, або перпендикулярно до напрямку, що хвиля рухається.

S-хвиля швидкості, назвемо його б, залежить від модуля зсуву і щільності

Незважаючи на те, що вони працюють повільніше, ніж Р-хвиль, S-хвилі рухаються швидко. Типові швидкості поширення S-хвиль становить близько від 1 до 8 км/сек. Нижнє значення відповідає швидкості хвиль в пухкої, неконсолідованим осаду, тим вище значення поблизу основи мантії Землі.

Важливою відмінною характеристикою S-хвилі є її нездатність поширюватися через рідину або газ, так як рідини і гази не можуть передавати напруги зсуву і S-хвилі є хвилі, які при зсуві матеріалу.

Загалом, землетруси генерують великі зсувні хвилі, ніж поздовжніх хвиль, і велика частина пошкоджень поблизу землетрусу є результатом сильного трясіння викликане зсувних хвиль.

Використання Р- та S-хвиль для пошуку землетрусів

Ми можемо використовувати той факт, що P і S хвилі рухаються з різною швидкістю для виявлення землетрусів. Нехай сейсмометр є досить далеко від землетрусу, що хвилі рухаються приблизно по горизонталі, яка становить близько 50 до 500 км для неглибоких землетрусів. Коли землетрус відбувається P і S хвилі рухаються назовні від області розлому, що зруйнували і Р-хвилі приходимо до сейсмометром першим, за яким слід S-хвилі. Після того, як S-хвиля прибуває ми можемо виміряти інтервал часу між початком Р-хвилі і початок S-хвилі струшування.

Час Р-хвилі подорожі

дистанція від землетрусу / (швидкість P-хвилі)

Час S-хвилі подорожі

дистанція від землетрусу / (швидкість S-хвилі)

Різниця в часі приходу хвиль

дистанція від землетрусу / (швидкість S-хвилі) – дистанція від землетрусу / (швидкість P-хвилі)

що дорівнює

дистанція від землетрусу * ( 1/ (швидкість S-хвилі) – 1 / (швидкість P-хвилі) )

Ми можемо виміряти цю різницю від сейсмограми, і якщо ми також знаємо, що швидкість хвилі подорожі, ми могли б обчислити відстань шляхом прирівнювання виміряної різниці часу і вираз. Для діапазону відстаней від 50 до 500 км, S-хвилі рухаються близько 3,45 км/с, а Р-хвиль близько 8 км/сек. У дужках вказано тоді дорівнює приблизно (1/3,45–1/8) або близько 1/8. Таким чином, просте правило для землетрусів у цьому діапазоні відстаней відстань у вісім разів перевищує час прибуття S-хвилі менше, час приходу Р-хвилі.

Це означає, що ми можемо оцінити відстань землетрусу становить від сейсмометром. Землетрус може бути в будь-якому напрямку, але вони повинні бути оцінені відстані. Геометрично це означає, що землетрус повинно бути розташоване на окружності навколо сейсмометр, а радіус кола дорівнює приблизно у вісім разів різниця спостерігалася хвиля часу пробігу (в кілометрах).

Якщо у нас є два інших сейсмометрів, які записані той же землетрус, ми могли б зробити подібне вимір і побудувати коло можливих місць розташування для кожного сейсмометром. Так як місце розташування землетрусу, оскільки вона повинна лежати на кожного кола з центром на сейсмометром, якщо ми наносимо три або декілька кіл на карті ми могли б знайти, що три кола перетинаються в одному місці – епіцентру землетрусу.

На практиці ми використовуємо більш точні оцінки швидкості, ніж наше просте правило і вирішити цю проблему, використовуючи алгебру замість геометрії. Ми також може включати в себе глибину землетрусу і час, що розрив землетрусу ініційований (так званий “час походження”) в проблему.

Хвилі Лове

Хвилі Лове є поперечними хвилями, які вібрують на землю в горизонтальному напрямку, перпендикулярному напрямку, що хвилі подорожують. Вони утворюються при взаємодії поперечних хвиль з поверхнею Землі і дрібної структурою і диспергирующих хвиль. Швидкість, при якій дисперсійна хвиля проходить в залежності від періоду хвилі. Загалом, землетруси породжують хвилі Лява в діапазоні періодів від 1000 до частки секунди, і кожен період рухається з іншою швидкістю, але типовий діапазон швидкостей становить від 2 до 6 км/сек.

Іншою важливою характеристикою Лява є те, що амплітуда коливань грунту, викликане хвилею Лява з глибиною зменшується – вони поверхневі хвилі. Як і швидкість швидкість амплітуди зменшуються з глибиною, також залежить від періоду.

Хвилі Рейлі

Релея хвилі є найповільнішим з усіх типів сейсмічних хвиль і в деякому сенсі найбільш складним. Як і Лява вони дисперсійний тому особливо швидкість, з якою вони переміщаються в залежності від періоду хвилі і приповерхностной геологічної структури, і вони також зменшуються по амплітуді з глибиною. Типові швидкості для хвиль Релея складає близько від 1 до 5 км/с.

Поширення сейсмічних хвиль

Хвилі на сейсмографі

Як і слід було очікувати, різниця в швидкості хвилі робить глибокий вплив на характер сейсмограмм. Так як час хвилі подорожі дорівнює відстані хвиля подорожував, поділена на середній швидкості хвиля рухалася під час транзиту, ми очікуємо, що найшвидші хвилі приходять в сейсмометром в першу чергу. Таким чином, якщо ми подивимося на сейсмограми, ми очікуємо побачити першу хвилю, щоб прибути, щоб бути P-хвиля (швидкий), то S-хвилю, і, нарешті, Лове і Релея (найповільніший) хвилі. Хоча ми знехтували відмінності в шляху переміщення (які відповідають розбіжностям в відстані переміщення) і велика кількість хвиль, які відображаються в межах Землі, загальний характер, як ми описали.

Той факт, що хвилі рухаються зі швидкістю, яка залежить від властивостей матеріалу (модулів пружності і щільності) дозволяє використовувати сейсмічні хвилі спостережень досліджувати внутрішню будову планети. Ми можемо дивитися на час подорожі, або часу поїздки і амплітуд хвиль вивести існування особливостей у межах планети, і це є активною областю сейсмологічних досліджень. Щоб зрозуміти, як ми “бачимо” на Землю за допомогою вібрації, ми повинні вивчити, як хвилі взаємодіють з породами, які складають Землю.

Існує кілька типів взаємодії хвиль і геологічної будови (тобто породи), як правило, спостерігаються на сейсмограмах

• Переломлення
• Відображення
• Розсіювання
• Дифракція
• Ослаблення

Ми розглянемо два найпростіших виду рефракції взаємодії і відображення.

Переломлення

Як хвиля проходить через Землю, шлях він приймає залежить від швидкості. Можливо, ви пам’ятаєте з середньої школи принцип, званий закон Снеллиуса, який є математичний вираз, який дозволяє нам визначити шлях хвиля приймає, як він передається від одного шару породи в іншу. Зміна напрямку залежить від співвідношення хвильових швидкостей двох різних порід.

Переломлення має важливий вплив на хвилі, які проходять через Землю. Загалом, сейсмічна швидкість в Землі зростає зі збільшенням глибини (є деякі важливі винятки з цього тренда) і переломлення хвиль призводить до того шляху йдуть хвилі тіла кривої вгору.

Відображення

Друга хвиля взаємодії з варіаціями типу порід є відображенням. Я впевнений, що ви знайомі з відбитими звуковими хвилями; ми називаємо їх відгомони. І ваше відображення в дзеркалі або калюжі води складається з відбитих світлових хвиль. У сейсмології відображень використовуються для розвідки нафти і досліджувати внутрішню структуру Землі. У деяких випадках відображень від кордону між мантії і кори може викликати сильний струс, яке викликає пошкодження близько 100 км від землетрусу (ми називаємо цю межу на “Мохо” в честь Мохоровічіч, вченого, який відкрив його).

Сейсмічний відображення відбувається, коли хвиля вдаряється на зміни типу породи (який зазвичай супроводжується зміною швидкості сейсмічних хвиль). Частина енергії, яку переносять падаючої хвилі передається через матеріал (це заломлена хвиля описаний вище) і частина відбивається назад в живильне середовище, що містить падаючу хвилю.

Амплітуда відображення сильно залежить від кута, що частота хвилі становить з кордоном і на відміну від властивостей матеріалу через кордон. Для деяких кутів вся енергія може бути повернута в середу, що містить падаючу хвилю.

Фактичне взаємодія між сейсмічної хвилею і контрасту у властивостях порід є більш складним, так як P хвиля, падаюча генерує проходить і відбитому P- і S-хвиль і так п’ять хвиль беруть участь. Точно так же, коли S-хвиля взаємодіє з кордоном у властивостях порід, він теж генерує відображені і заломлені P- і S-хвиль.

Дисперсія

Я згадав вище, що поверхневі хвилі дисперсійні – це означає, що різні періоди подорожей на різних швидкостях. Ефекти дисперсії стають більш помітними зі збільшенням відстані, тому що більше відстані поїздки поширює енергію з (вона розсіює енергію). Як правило, тривалі періоди приходять спочатку, тому що вони чутливі до швидкостей глибше в Землі, і більш глибокі ділянки, як правило, швидкі

Р-хвилі в Землі

Математика за поширення хвиль елегантна і відносно просто, з огляду на той факт, що подібні математичні інструменти корисні для вивчення світла, звуку і сейсмічні хвилі. Ми можемо вирішити ці рівняння або відповідне наближення до них, щоб обчислити траєкторії, що сейсмічні хвилі слідують в Землі. На наведеній нижче схемі показаний приклад шляху Р-хвилі, які генеруються в результаті землетрусу поблизу поверхні Землі буде слідувати.

Зверніть увагу на викривлення променів в мантії, складності у верхній мантії, а також сильний вплив ядра на фронтами. Зменшення швидкості з нижньої мантії на зовнішнє ядро відкидає “тінь” на Р-хвиль, що простягається приблизно від 100 ° до 140 ° на відстані. Інші хвилі, такі як поверхневі хвилі і хвилі тіла, відбитий від поверхні, відбивається в “тіньовий” області, але P-хвиля “вимирає” близько 100 °. Так як зовнішнє ядро є рідиною, і S-хвилі, не можуть проходити через рідину, то “S-хвиля тіньової зони” ще більше, що тягнеться від приблизно 100 ° до 180 °.

Внутрішня структура Землі

Ми вже обговорили основні елементи в інтер’єрі Землі, ядро, мантію і кору. Вивчаючи характеристики поширення (часів пробігу, амплітуд відображення, дисперсійних характеристик і т.д.) сейсмічних хвиль протягом останніх 90 років ми багато дізналися про детальний характер інтер’єру Землі. Великий прогрес був досягнутий швидко, тому що здебільшого інтер’єру Землі відносно проста, розділеного на сферу (внутрішнє ядро), оточений приблизно однорідними оболонками заліза і каменів. Моделі, які припускають, що Земля зовсім симетричні може бути використана для прогнозування часи Р-хвиль, які з точністю до декількох секунд для поїздки весь шлях по всій планеті подорожі.

На наведеній нижче схемі показаний графік Р- і S-хвиль, швидкості і щільності в залежності від глибини в Землю. Верхня частина Землі знаходиться на глибині 0 км, центр планети перебуває в 6371 км.

Кілька важливих характеристик структури Землі показані на графіку. Насамперед зазначимо, що в декількох великих регіонах, таких як в нижній мантії, зовнішнього ядра і внутрішнього ядра, швидкість плавно збільшується з глибиною. Збільшення є результатом впливу тиску на швидкості сейсмічних хвиль. Хоча температура також зростає з глибиною, підвищення тиску в результаті ваги порід вище, має більший вплив і швидкість плавно зростає в цих областях однорідного складу.

Дрібна частина мантії відрізняється; вона містить кілька важливих усталених і щодо різкі зміни швидкості. Насправді, ми часто ділять мантію на дві області, верхні і нижні, грунтуючись на рівні швидкості гетерогенності. Область від близько 400 до 1000 км глибини називається перехідною зони і сильно впливає на хвилі тіла, які “поворот” на цій глибині і прибути близько 20 ° -30 ° далеких від неглибокої землетрусу. У цьому діапазоні глибин мінерали, які складають силікатні породи мантії трансформуються зростаючим тиском. Атоми в цих породах перебудовуються в компактні структури, які є стабільними при високому тиску і результатом перегрупування є збільшення щільності та модуля пружності, виробляючи загальне збільшення швидкості хвилі.

Графіт в “вести” олівців і алмазів є більш поширеним прикладом атомів реорганізують себе в різних умовах – вони обидва складаються з вуглецю. Різне розташування і зв’язку атомів вуглецю в двох матеріалів виробляє абсолютно різні властивості. Алмази формуються під величезним тиском; всі природні алмази утворюються на глибинах близько 150-200 км, і були доставлені на поверхню в результаті вулканічної активності. При високому тиску атоми вуглецю стиснуті в тугий механізм, який робить їх одним з найбільш твердих матеріалів. На противагу цьому, пристрій низького тиску вуглецю в графіті створює слизький, м’який характер “свинцю”, який ми використовуємо для олівців.

Дві найбільші контрасти у властивостях матеріалу в системі Землі знаходяться поблизу поверхні і межі ядра і мантії. Обидва є композиційними кордону і кордону ядро-мантія більший контраст. Інші різкі контрасти спостерігаються, внутрішній сердечником зовнішнього ядра межа є відносно різким, і швидкості зростають від рідини до твердого речовини.

Моделі неоднорідності Землі

Модель PREM є корисним довідковим матеріалом для розуміння основних особливостей Землі. Більш недавні зусилля були зосереджені на оцінці латеральні варіації швидкості хвилі всередині оболонок, які складають базову модель. Ці підходи часто засновані на сейсмічної томографії, яка є способом намічаючи зміни в структурі за допомогою спостережень з великого числа сейсмограмм. Основна ідея полягає в тому, щоб використовувати спостерігаються з затримкою (або рано) час прибуття (із затримкою по відношенню до еталонної моделі), щоб знайти області щодо швидкої і відносно повільної швидкості сейсмічних хвиль.

Ідея ілюструється в мультику зліва. Хвилі представлені стрілками і подорожують зліва направо. Ті, які проходять через повільний області сповільнюються, і, отже, буде записаний пізніше на сейсмограму.

Ті ж ідеї використовуються в медичній візуалізації CAT сканування людських тіл, але спостерігається величина в комп’ютерній томографії не на часі в дорозі, але кількість поглинання рентгенівського випромінювання. Ультразвукове дослідження є ідентичним P-хвильової томографії, це просто, що в сейсмології у нас немає вибору, де знаходяться джерела хвиль розташовані – ми просто експлуатують землетрусу.

Протягом двох десятиліть томографія була застосована до вивчення Землі на багатьох рівнях, від дивлячись на малих ділянках земної кори, які можуть містити нафту, формуванню зображень всієї планети. У глобальному масштабі, ми могли б очікувати, що дрібні частини мантії буде корелювати з основними структурними особливостями ми можемо спостерігати на поверхні – кордону плит.

У тих регіонах, де матеріал піднімається з мантії, воно повинно бути тепліше, а швидкість повинна бути нижче, в регіонах, старі і холодні, такі як під багато зі старих частин континентів, ми очікували б побачити більш швидкі регіони (за умови, що температура є єдиною відмінністю). Фактичні варіації впливають як температури і складу варіацій, але вони добре узгоджуються з ідеями тектоніки плит, зокрема, в розбіжних кордонів або океанічних хребтів, що поширюються.

Карта варіацій швидкості сейсмічних поперечних хвиль по відношенню до значення в PREM на глибині 100 км. Теплі кольори (червоний, помаранчевий і жовтий) показують регіони з повільніше, ніж нормальної швидкості, темніші ділянки швидше, ніж зазвичай. Зверніть увагу на кореляцію з межами плит і поверхневого потоку тепла. (Модель S12 WM13, з У.-Дж. Су, Р. Л. Вудворда і А. М. Джівонскі, Ступінь-12 Модель зсуву швидкості гетерогенності в тогу, журнал геофізичних досліджень, том 99 (4) 4945-4980, 1994).

Швидкості глибше в Землі також бути відображені. Наступна карта показує варіації на глибині 2880 км, в мантії трохи вище межі ядра і мантії. Колірна гамма та ж, але зверніть увагу, як нижній мантії варіації швидкості більш пригніченим, ніж в більш гетерогенної верхньої мантії. Крім того, зверніть увагу, що кореляція з поверхневими тектоніки пішла, як і слід було очікувати для складної системи конвективного таких як мантії Землі.

Карта варіацій швидкості сейсмічних поперечних хвиль по відношенню до значення в PREM на глибині 2880 км, трохи вище межі ядра мантії. Теплі кольори (червоний, помаранчевий і жовтий) показують регіони з повільніше, ніж нормальної швидкості, темніші ділянки швидше, ніж зазвичай. Зверніть увагу на кореляцію з межами плит і поверхневого потоку тепла. (Модель S12 WM13, з У.-Дж. Су, Р. Л. Вудворда і А. М. Джівонскі, Ступінь-12 Модель зсуву швидкості гетерогенності в тогу, журнал геофізичних досліджень, том 99 (4) 4945-4980, 1994).

Ці зміни насправді дуже мало, порядку декількох відсотків, тому основна ідея Землі є сферично розшаровуються планета цілком обгрунтовані. У корі, варіації більше і може досягати десятків відсотків. Кірка матеріал, що отримується з мантії за останні 4,5 мільярда років, і він містить велику різноманітність структур, які часто бувають очевидними, коли ви вивчаєте скелі, що виступають на поверхні.

---

Підготовлено: Чарльзом Дж. Аммоном