УДК 550.34

Особенности поверхностных и объёмных сейсмических волн

Красовский Денис Игоревич – аспирант по специальности “Механика деформируемого твердого тела” Московского государственного строительного университета.

Аннотация: В статье анализируются особенности поверхностных и объёмных сейсмических волн. Рассматриваются основы теории сейсмических волн, специфика, отличительные особенности и формулы скорости продольных и поперечных волн. Выявляются характерные черты волн Релея и Лява, которые позволяют судить об изменениях скорости объёмных волн. Рассматриваются особенности нахождения реальных скоростей сейсмических волн на участках земной коры, используемых для определения их структуры, что необходимо для конструирования сейсмических барьеров.

Ключевые слова: сейсмические волны, продольные волны, поперечные волны, волны Релея, волны Лява.

Сейсмология изучает внутреннюю структуру и процессы, происходящие в недрах Земли посредством анализа сейсмических волн, генерируемых землетрясениями [1]. Основные аспекты сейсмологии сопряжены с изучением физических принципов, которые лежат в основе работы сейсмографов – приборов, регистрирующих сейсмические события. Обнаружение и анализ сейсмических волн различной этиологии используются для создания сейсмических барьеров, предназначенных для защиты зданий и сооружений от землетрясений естественного и искусственного происхождения [2]. Высокая значимость конструирования объектов сейсмической защиты обуславливает актуальность исследования разновидностей сейсмических волн.

Целью работы является изучение особенностей поверхностных и объёмных сейсмических волн. Для её достижения были использованы аналитический, синтетический, индуктивный и дедуктивный методы обработки тематических исследований, научных публикаций и релевантных литературных источников.

Сейсмические волны представляют собой механические колебательные движения, которые инициируются взрывами или землетрясениями и распространяются на значительные расстояния от эпицентра через геологические среды в виде деформаций – изменений взаиморасположения материальных частиц среды [3]. В Земле существуют внутренние напряжения, которые, появляясь, вызывают непрерывные деформации. Небольшие напряжения приводят к упругой или пластической деформации, тогда как значительные или продолжительные напряжения – к образованию разрывов или разломов в определённой зоне. Вследствие этого происходит внезапное высвобождение напряжений, приводящее к формированию упругих волн, распространяющихся через Землю и вызывающих сотрясения на её поверхности.

Сейсмические волны излучаются из ограниченной области под земной поверхностью, которая называется фокусом или очагом землетрясения [4]. В зависимости от глубины расположения очаги делятся на мелкофокусные (десятки метров) и глубокофокусные (до 700 км; глубже 720 км вещество Земли переходит в другое агрегатное состояние). Сейсмические волны возникают в очаге землетрясения и распространяются по всем направлениям в результате упругих перемещений частиц среды.

Все волны подразделяют на объёмные и поверхностные. Объёмные волны возбуждаются внешними силами, которые действуют в ограниченной области среды, и постепенно распространяются в некотором объёме вещества. По характеру распространения объёмные волны делятся на продольные и поперечные [5]. Продольная волна соответствует изменениям дилатации и приводит к деформации только объёма тела. На сейсмограммах землетрясений такая волна обычно образует первое вступление, поэтому обозначается символом Р (primary). В области упругой среды, через которую проходит продольная волна, возникают чередующиеся зоны сжатия и растяжения, при этом частицы среды колеблются вокруг первоначального положения в направлении, которое соответствует направлению распространения волны. В зонах сжатия частицы сближаются, в зонах растяжения – удаляются друг от друга. С течением времени зоны сжатия и растяжения меняют свои положения, заменяя друг друга. Скоростью распространения продольной волны является скорость распространения зоны растяжения или сжатия в упругой среде [6]:

1

где ρ – плотность; К – модуль всестороннего сжатия (объёмный модуль упругости); µ – модуль сдвига, который определяется величиной напряжения, требуемого для изменения формы тела.

Поперечная волна изменяет только форму тела, сохраняя объём. Волны этого типа обычно фиксируются сейсмографами вторыми, поэтому обозначаются символом S (secondary). При распространении поперечных волн происходит скольжение элементарных объёмов упругой среды относительно друг друга, при этом частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечные волны распространяются со скоростью:

2

VP всегда больше VS. Продольные волны распространяются в любых телах, тогда как поперечные волны не могут распространяться в жидкостях и газах, которые не обладают жёсткостью (µ = 0).

Поверхностные волны возникают только при наличии какой-либо поверхности [7]. При удалении от поверхности их амплитуда резко уменьшается, и они распространяются медленнее объёмных. Выделяют два типа поверхностных волн: волны Релея (R) и Лява (L). В волнах Релея колебания частиц направлены только вертикально, в волнах Лява – только горизонтально [8]. Свойства волн Лява сложнее, чем волн Релея, однако их информативность относительно невелика, поэтому сведения, получаемые при их изучении, используются преимущественно в качестве вспомогательных.

VR не обладает дисперсией, определяется только упругими свойствами среды, то есть зависит от модуля сдвига и плотности породы, и обычно принимается равной 0,92VS. Поскольку возмущения не ограничиваются самой земной поверхностью, скорость волн невозможно определить по свойствам только поверхностных пород: требуется учитывать глубинные породы, хотя с глубиной влияние волн сокращается. Возмущение, которые вызвано длинными волнами, достигает больших глубин, чем возмущение от коротких волн, поэтому чем длиннее волна, тем сильнее зависимость скорости её распространения от свойств вещества. В районах, где VS изменяется с глубиной, скорость длинных поверхностных волн отличается от скорости коротких, и эта разница позволяет судить об изменениях VS.

Сейсмические волны распространяются в ограниченной среде, вследствие чего вблизи границ среды волны разных типов перестают быть независимыми [9]. Волны Релея свободно распространяются вдоль поверхности, которая разделяет твёрдое тело и воздух. В простом случае они содержат продольную и поперечную компоненты, которые сдвинуты по фазе на π/2, вследствие чего частицы среды описывают эллипсы в сагиттальной плоскости, проходящей через нормаль к поверхности и направление распространения волны. Амплитуды продольных и поперечных смещений волны Релея затухают в глубине тела быстро и по экспоненциальному закону, вследствие чего энергия их поля значимо отличается от нуля только в приповерхностном слое. При распространении волны Рэлея в пористом полупространстве на его свободной границе появляется дополнительное затухание, которое обусловлено движением жидкости относительно деформируемого твёрдого скелета [10].

Установить реальную скорость сейсмических волн на различных участках земной коры можно при помощи данных произошедших землетрясений: координат гипоцентров, сведений сейсмодатчиков и времени прохождения сейсмических волн от фокусов землетрясений до сейсмодатчиков [11]. Найденные скорости используются в методиках сейсморазведки для определения структуры исследуемого участка земли, что необходимо в том числе для конструирования сейсмических барьеров. В сейсмологии разработан ряд методов, позволяющих вычислять средние скорости волн по отдельным направлениям земной коры. Однако для точного определения координат очага землетрясения важно учитывать, что сейсмические волны, распространяясь, проходят через различные породы, при этом их скорость и векторы распространения в различных средах значительно отличаются.

Для анализа длинноволнового спектра поверхностных волн может применяться метод аппроксимации источника точечным двойным диполем [12]. Такой источник задаётся глубиной, сейсмическим моментом и фокальным механизмом, определяемым углами падения, простирания и подвижки либо ортогональными единичными векторами (осями растяжения и сжатия). Поскольку реальные скорости поверхностных волн в земной коре не известны с достаточной точностью, для определения параметров источника используются амплитудные спектры поверхностных волн. Однако фокальный механизм не определяется амплитудными спектрами однозначно, поэтому для получения единственного решения используются данные дополнительных наблюдений, в частности – знаки первых вступлений продольных волн. Поверхностные волны Релея и Лява выделяются на записях при помощи программ спектрально-временного анализа и плавающей фильтрации.

Таким образом, анализ объёмных и поверхностных сейсмических волн позволяет отслеживать и интерпретировать сейсмическую активность, прогнозировать и минимизировать последствия землетрясений, изучать оползни, извержения вулканов и цунами. Создание более точных и чувствительных сейсмографов, анализ данных инструментальных сейсмологических наблюдений и разработка математических моделей для описания сейсмической активности позволяют эффективнее создавать сейсмические барьеры для обеспечения безопасности населения, живущего в подверженных землетрясениям и другим стихийным бедствиям районах.

Список литературы

  1. Зарбалиева Н.О.К., Коновалов Г.Г. Теоретические аспекты эволюции инструментальных наблюдений в сейсмографии // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. – 2023. – № 2-1 (77). – С. 12-15. – DOI: 10.24412/2500-1000-2023-2-1-12-15.
  2. Морозов Н.Ф., Братов В.А., Кузнецов С.В. Сейсмические барьеры для защиты от поверхностных и головных волн: множественные рассеиватели и метаматериалы // Известия РАН. Механика твёрдого тела. – 2021. – № 6. – С. 33-44. – DOI: 10.31857/S057232992106009X.
  3. Руководство по обработке локальных и региональных землетрясений западной части Евразийской Арктики / А.Н. Морозов, Н.В. Ваганова. – Архангельск: ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН, 2022. – 65 с.
  4. Короновский Н.В. Геология: учеб. пособие для вузов / Н.В. Короновский. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Изд-во Юрайт, 2023. – 194 с.
  5. Степанов А.В. Полевой этап получения сейсмических данных: учеб.-метод. пособие к курсам повышения квалификации «Петрофизика и геофизика в нефтяной геологии». – Казань: Казанский университет, 2013. – 35 с.
  6. Короновский Н.В. Общая геология: учебник / Н.В. Короновский. – 3-е изд. – М.: КДУ, 2012. – 552 с.
  7. Браун Д., Массет А. Недоступная Земля. – М.: МИР, 1984. – 262 с.
  8. Геофизика: курс лекций / сост. Ю.И. Холодков. – Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2019. – 289 с.
  9. Касьянов А.О. Приборы и методы функциональной микроэлектроники: учеб. пособие / А.О. Касьянов; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2018. – 99 с.
  10. Лебедев А.В. Анализ поверхностных волн в упругой среде с пористым насыщенным слоем // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. – 2019. – Т. 62, № 6. – С. 469-489.
  11. Шахтарин Б.И. Определение структуры земной коры по изменению скоростей сейсмических волн по данным произошедших землетрясений / Б.И. Шахтарин, Т.Г. Асланов, Х.Д. Магомедов, Х.Ю. Тагиров // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. – 2020. – № 47 (4). – С. 101-111. – DOI: 10.21822/2073-6185-2020-47-4-101-111.
  12. Фомочкина А.С., Букчин Б.Г. Сравнительный анализ Аляскинских землетрясений 2018 г. по записям поверхностных волн // Российский сейсмологический журнал. – 2020. – Т. 2, № 1. – C. 76-84. – DOI: 10.35540/2686-7907.2020.1.07.

Интересная статья? Поделись ей с другими: