Параметры землетрясения, определяемые по сейсмическим данным

Теория.

Землетрясения и сейсмические волны

Землетрясения - это колебания поверхности и недр Земли, вызванные кратковременной разгрузкой упругих напряжений в литосфере, т.е. в верхней, наиболее жёсткой оболочке Земли.

Очаг землетрясения - область разгрузки напряжений, из которой излучаются сейсмические волны. Очаги землетрясений локализуются в литосфере. В подстилающей её астеносфере напряжения реализуются через пластические деформации. Размеры очагов землетрясений - десятки-сотни километров. В них происходят необратимые разрушения пород. За пределами очага деформации носят упругий характер сейсмических волн.

Сейсмические волны - распространяющиеся в недрах Земли знакопеременные деформации. В соответствии с двумя видами деформаций существует два вида волн: продольные волны (Р-волны) - это волны сжатия-растяжения, колебание которых осуществляется вдоль линии их распространения. Поперечные волны (S-волны) - волны сдвига; колебание волн сдвига происходит в плоскости, перпендикулярной линии распространения волны. Скорости сейсмических волн определяются упругими модулями и плотностью:

v_p = ; v_s = , (4.1)

где k - модуль объёмной упругости; m - модуль упругости формы; s - плотность.

Из выражений для скоростей можно заключить, что, во-первых, скорость продольных волн больше скорости поперечных (v_p@1,73 v_s) и, во-вторых, в жидких и газообразных средах (m=0) поперечные волны отсутствуют.

Параметры землетрясения, определяемые по сейсмическим данным

Запись сейсмических колебаний осуществляется сейсмостанциями, расположенными на поверхности Земли (рис.4.1). Первыми от землетрясения на сейсмостанцию приходят продольные волны, затем поперечные и поверхностные.

Последним соответствуют максимальные колебания почвы и именно они вызывают разрушения на поверхности Земли.

По сейсмическим данным определяют пространственные координаты, энергию и механизмы землетрясения.

а) Пространственные координаты землетрясения

К таковым относятся глубина гипоцентра (h) и эпицентральное расстояние (D) - расстояние от эпицентра до сейсмостанции. Глубина гипоцентра и эпицентральное расстояние определяются из выражения:

(t_s - t_p)^. , (4.2)

где t_s и t_p - время прихода поперечной и продольной волн.

Поскольку неизвестных два, то для определения D и h необходимы наблюдения минимум на двух станциях.

По глубине очага различают землетрясения:

неглубокие, h £ 70 км, в том числе приповерхностные (<10 км) (70 км - средняя мощность литосферы);

промежуточные, h = 70¸300 км;

глубокие, h > 300 км (до 700 км).

б)Энергия землетрясения

Числовой энергетической характеристикой землетрясения является магнитуда М:

, (4.3)

где а - амплитуда смещения почвы по сейсмической волне с периодом Т; F - эмпирическая функция, приводящая все измерения к стандартным условиям (по h, D и свойствам грунта).

Сильнейшие землетрясения имеют магнитуды больше 8. Упругая энергия таких землетрясений однозначно связана с магнитудой:

lgЕ » 4+1,6^.М. (4.4)

Например, землетрясение в Сан-Франциско (1960) имело магнитуду 8,3, что соответствует энергии 10¹⁷ Дж (больше, чем энергия водородной бомбы в 5 Мт).

в) Механизм очага землетрясения

Под механизмом очага землетрясения понимают характер перемещения литосферных плит в зависимости от направления действия сил, вызывающих

землетрясение. Изучение механизма очага землетрясения оказалось возможным после исследования прихода волн от ядерных взрывов. Ядерный взрыв сначала вызывает волну сжатия, потом происходит захлопывание полости и формируется волна растяжения.

Приходит ли волна сжатия или волна растяжения, судят по характеру первого вступления сейсмической волны (направлению первого колебания почвы). Если первое смещение почвы произошло от очага (вверх, как это показано на рис. 4.1,б), то пришла волна сжатия, если - к очагу, то - волна растяжения. По пространственному расположению точек прихода волн сжатия и растяжения можно определить механизм очага землетрясения, т.е. в каком направлении перемещались плиты в очаге и какие силы, сжатия или растяжения, вызвали эти перемещения.

В условиях сил растяжения (сброс) над очагом формируется волна растяжения, а по периферии - сжатия (рис 4.2, а), а в условиях сил сжатия (взброс, надвиг, поддвиг) наблюдается обратная картина (рис. 4.2, б).

Задание

1. По разнице прихода продольной и поперечной сейсмической волн (таблица 1, по вариантам) оценить приближенно эпицентральное расстояние, если скорости распространения волн равны: V_p=3,5 км/с, V_s=V_p/ . В уравнении 4.2 глубиной эпицентра в сравнении с эпицентральным расстоянием – пренебречь.

2. Вычислением суммарной энергии сейсмических волн сравните по сейсмической активности два района в пределах тихоокеанского кольца (табл. 2, рис. 1).

Использовать уравнение для среднего арифметического и значения магнитуд, равные серединам интервалов (7,35; 6,5 и т.д.)

Как различаются районы по глубинам расположения очагов землетрясений?

Какого рода силы (растягивающие или сжимающие) привели к возникновению землетрясений в сравниваемых районах (используйте дополнительно данные рис. 4.4).

На значительном удалении от очагов землетрясений первой на сейсмостанцию приходила волна сжатия или растяжения?

1. Из сравнения данных рисунков 1, 4.3 и 4.4 ответить на вопросы:

1) Где с тектонической точки зрения находятся зоны распространения очагов землетрясений (максимальной их плотности)?

2) Как изменяется глубина очагов землетрясений в зонах сжатия (например, в районах островных дуг, на западном побережье Южной Америки) в направлении от океана вглубь континента? Как это можно объяснить с позиции тектоники литосферных плит?

3) Как различаются по глубине и по энергии (магнитуде) землетрясения, приуроченные к областям растяжения и областям сжатия? Рассмотрите это на примере Тихоокеанского кольца.