Сейсмическая волна — это упругое возмущение, распространяющееся в земной коре или других средах в результате внезапного выделения энергии.
Сейсмическая волна возникает, когда энергия от источника передается через горные породы. При этом частицы вещества не перемещаются вместе с волной на большие расстояния, а колеблются около своего исходного положения.
Скорость и характер распространения волн зависят от:
- плотности горных пород
- упругости среды
- температуры
- давления
- структуры земных слоев
- наличия трещин и пустот
На границах между разными породами волны могут отражаться, преломляться, замедляться или менять направление движения.
Основные виды сейсмических волн
Сейсмические волны делятся на две большие группы:
- объемные волны — проходят через внутренние слои Земли
- поверхностные волны — распространяются вдоль поверхности планеты
К объемным волнам относятся первичные и вторичные волны. К поверхностным — волны Лява и Рэлея.
Первичные волны
Первичные волны называют также продольными. Они движутся быстрее остальных сейсмических волн и первыми регистрируются сейсмографами.
При прохождении первичной волны частицы породы колеблются вперед и назад в том же направлении, в котором распространяется волна. В земной среде последовательно возникают участки сжатия и разрежения.
Основные особенности первичных волн:
- они имеют самую высокую скорость
- проходят через твердые, жидкие и газообразные среды
- распространяются через земную кору, мантию и ядро
- первыми достигают сейсмологических станций
- обычно вызывают меньше разрушений, чем поверхностные волны
Первичные волны могут проходить через жидкость. Ученые исследуют внутренние слои Земли и получают данные о ее строении.
Вторичные волны
Вторичные волны называют также поперечными. Они распространяются медленнее первичных и регистрируются сейсмографами вторыми.
Частицы среды при прохождении вторичной волны колеблются перпендикулярно направлению ее движения. Колебания могут происходить вверх и вниз или из стороны в сторону.
Особенности вторичных волн:
- они медленнее первичных
- распространяются только в твердых телах
- создают сдвиговые колебания пород
- могут сильно раскачивать здания
- не проходят через жидкости
Поверхностные сейсмические волны
Поверхностные волны распространяются вдоль поверхности Земли. Они возникают после прохождения объемных волн и обычно движутся медленнее.
Несмотря на относительно небольшую скорость, поверхностные волны часто становятся наиболее разрушительными. Их энергия сосредоточена в верхних слоях грунта, где расположены города, здания, дороги, мосты.
Волны Лява
Волны Лява вызывают горизонтальное движение поверхности из стороны в сторону, перпендикулярно направлению распространения.
Такие колебания создают сильные боковые нагрузки на здания. При недостаточной прочности конструкции они могут привести к появлению трещин, деформации стен и разрушению
Волны Рэлея
Волны Рэлея вызывают сложное движение частиц, похожее на движение воды в морской волне. Поверхность грунта перемещается одновременно вверх-вниз и вперед-назад.
Земля при этом совершает эллиптические колебания. Волны Рэлея могут воздействовать на здания в течение длительного времени и переносить значительное количество энергии.
Как сейсмические волны связаны с землетрясением
Землетрясение обычно начинается с резкого смещения горных пород вдоль разлома. В земной коре постепенно накапливается напряжение. Когда оно превышает прочность пород и силу трения, происходит внезапный сдвиг.
Точка внутри Земли, где начинается разрушение или смещение пород, называется очагом землетрясения. Точка на поверхности непосредственно над ним называется эпицентром.
От очага энергия распространяется во всех направлениях в форме сейсмических волн. Сначала приходят быстрые первичные волны, затем вторичные, а после них — поверхностные колебания.
Как регистрируют сейсмические волны
Для наблюдения за движением земной поверхности используют сейсмографы и сейсмометры. Эти приборы фиксируют:
- время прихода волн
- амплитуду колебаний
- частоту
- продолжительность сигнала
- направление распространения
- разницу во времени между первичными и вторичными волнами
По задержке между первичными и вторичными волнами специалисты могут определить расстояние от станции до эпицентра. Для точного определения местоположения очага используют данные нескольких сейсмологических станций
Магнитуда и интенсивность землетрясения
Магнитуда показывает, сколько энергии высвободилось в очаге землетрясения. Это характеристика самого события, поэтому одно землетрясение имеет одну магнитуду.
Интенсивность показывает, насколько сильно землетрясение проявилось в определенном месте. Она зависит от расстояния до эпицентра, глубины очага, типа грунта и качества построек.
Проще говоря:
- магнитуда показывает энергию землетрясения
- интенсивность показывает силу воздействия на конкретной территории
Почему сейсмические волны важны для науки
Изучение внутреннего строения Земли
Сейсмические волны проходят через планету по-разному. Анализ их скорости, отражений и преломлений помогает определить границы между земной корой, мантией и ядром.
Если волна резко меняет скорость или направление, это указывает на изменение состава и физических свойств пород.
Определение эпицентра
Сравнивая время прихода первичных и вторичных волн на разных станциях, ученые определяют расстояние до эпицентра. Затем данные нескольких станций используют для расчета его точного положения.
Сейсморазведка
Искусственно созданные сейсмические волны применяются при поиске полезных ископаемых, исследовании нефтегазоносных структур и изучении подземных слоев.
Волны отражаются от границ между породами, а приборы регистрируют возвращенные сигналы. На их основе специалисты создают модели геологического строения территории.
Системы раннего предупреждения
Поскольку первичные волны приходят раньше вторичных и поверхностных колебаний, сейсмические станции могут зафиксировать начало землетрясения и отправить предупреждение в районы, куда наиболее разрушительные волны еще не дошли.
Что влияет на разрушительность волн
Сила разрушений зависит не только от магнитуды землетрясения. Важную роль играют:
- глубина очага
- расстояние до эпицентра
- длительность колебаний
- тип грунта
- высота и конструкция зданий
- качество строительных материалов
- направление движения волн
- наличие склонов, насыпей, рыхлых отложений
Мягкие грунты способны усиливать колебания. Поэтому два города, расположенные на одинаковом расстоянии от эпицентра, могут пострадать по-разному
Можно ли предсказать сейсмические волны
Точно определить дату, время и место будущего землетрясения современная наука пока не может. Однако специалисты умеют:
- отслеживать сейсмическую активность
- выявлять активные разломы
- оценивать сейсмический риск
- создавать карты опасных зон
- моделировать распространение волн
- разрабатывать системы раннего предупреждения
Сейсмология не позволяет заранее назвать точный момент землетрясения, но помогает снизить его последствия и повысить безопасность зданий и инфраструктуры.
Часто задаваемые вопросы
Какая сейсмическая волна приходит первой?
Первой регистрируется первичная волна. Она распространяется быстрее вторичных и поверхностных волн.
Какие волны наиболее опасны?
Наибольшие разрушения часто вызывают поверхностные волны — волны Лява и Рэлея. Они проходят вблизи поверхности, где расположены здания и инженерные сооружения.
Почему вторичные волны не проходят через жидкость?
Вторичные волны создают сдвиговые деформации. Жидкость не сохраняет форму и не может передавать такой тип напряжения, поэтому поперечные колебания в ней не распространяются.
Можно ли услышать сейсмическую волну?
Большинство сейсмических волн имеют частоты ниже диапазона человеческого слуха. Однако во время сильного землетрясения человек может слышать гул, скрежет и низкочастотные звуки, сопровождающие движение грунта и разрушение объектов.