Σεισμολογία | Επιστήμη των σεισμών και τα σημαντικά αποτελέσματά της

Θέμα Συζήτησης: Σεισμολογία

Τι είναι η σεισμολογία;

Σεισμολογία

Η σεισμολογία είναι η μελέτη των σεισμών, των καταστροφών του, των αιτίων και των προβλέψεων. Περαιτέρω οδηγεί σε λεπτομερή μελέτη όσον αφορά τη δομή της γης και την απεικόνιση. Καθώς είναι αδύνατο να κοιτάξουμε άμεσα τη γη. Έτσι χρησιμοποιείται έμμεση μέθοδος για να μάθουμε για τον πλανήτη Γη και τι συμβαίνει στο βάθος. Στη σεισμολογία, τα σεισμικά κύματα μεταφέρουν πλούτο πληροφοριών όταν φτάνει στην επιφάνεια της γης. Τα σεισμικά κύματα που είναι μηχανικά στη φύση εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέσο μέσω του οποίου ταξιδεύει. Έτσι, μπορούν να εξαχθούν φυσικές ιδιότητες του μέσου. Οι φυσικές ιδιότητες in-situ είναι εξαιρετικά σημαντικές, καθώς η θερμοκρασία και η πίεση επηρεάζουν σοβαρά αυτές τις έμμεσες μετρήσεις.

Ποιοι είναι οι σεισμολόγοι;

Σεισμολόγος

Εκείνοι που ερευνούν μελέτες σεισμολογίας που σχετίζονται με τους σεισμούς είναι «Σεισμολόγος". Μπορεί να συσχετιστεί με την πρόβλεψη σεισμού, την κατανόηση της δομής της γης χρησιμοποιώντας σεισμόγραμμα, την εύρεση της πηγής σεισμού (Epicenter και Hypocentre), την ανάπτυξη μοντέλων τεχνητής γης από τη φυσική των σεισμικών κυμάτων για να μιμηθεί την πραγματική γη όσο το δυνατόν περισσότερο. Περιλαμβάνει επίσης τη μελέτη παλαιότερων σεισμών για την κατανόηση του μηχανισμού σεισμών και για το σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης εάν επικείμενος άλλος σεισμός.

Σεισμόμετρο

Ένα όργανο χρησιμοποιείται για κινήσεις εδάφους, όπως προκαλούνται από σεισμούς, ηφαιστειακές εκρήξεις και εκρήξεις.

Γιατί συμβαίνει σεισμός;

Το λιθοσφαιρικό τμήμα της γης υπόκειται από το Asthenosphere. Η αστενόσφαιρα, σε γεωλογική κλίμακα, σέρνεται δηλαδή κινείται πολύ αργά παρά το ότι είναι συμπαγής (το εσωτερικό της Γης θεωρείται ελαστικό στερεό όπως φαίνεται από τα σεισμικά κύματα). Η λιθοσφαιρική πλάκα που κάθεται πάνω της κινείται σε αντάλλαγμα. Καθώς τα όρια της πλάκας είναι κλειδωμένα το ένα με το άλλο, η κινούμενη πλάκα τα αναγκάζει συνεχώς να κινούνται. Ένα στάδιο επιτυγχάνεται όταν η πλάκα υποβάλλεται σε κίνηση ξεπερνώντας την τριβή μεταξύ τους, απελευθερώνοντας την αποθηκευμένη πίεση. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται Σεισμός. Ως εκ τούτου, η ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή σεισμικών κυμάτων και καταγράφεται στα σεισμόμετρα.

Περιοχή με σεισμό: Πιστοποίηση εικόνας: Chadwick, H. D, Post-and-Grant-Avenue-Look, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Τι είναι τα σεισμικά κύματα;

Σεισμικά κύματα

Ο σεισμός ή οποιαδήποτε δόνηση που συμβαίνει μέσα στη γη δρα ως πηγή ενέργειας. Η ενέργεια ταξιδεύει σε ολόκληρη τη γη με τη μορφή κυμάτων. Αυτά τα μηχανικά κύματα ονομάζονται σεισμικά κύματα. Συμπεριφέρονται διαφορετικά σε διάφορα μέρη της γης και ως εκ τούτου θεωρείται η χαρακτηριστική ιδιότητα του μέσου μέσω του οποίου ταξιδεύει. Κάθε φορά που συμβαίνει σεισμός, εκπέμπει κύματα με περίοδο που κυμαίνεται από το ένα δέκατο του δευτερολέπτου έως αρκετά λεπτά. Μέσα σε αυτήν την περίοδο (ή συχνότητα) τα βράχια εύρους συμπεριφέρονται σαν ελαστικά στερεά. Καθώς τα ελαστικά στερεά επιτρέπουν ποικιλία κυμάτων, καθιστώντας έτσι την κίνηση του εδάφους αρκετά περίπλοκη μετά την εκδήλωση.

Ένας άλλος τρόπος αναπαράστασης της κίνησης εδάφους είναι από την άποψη των Κανονικών λειτουργιών. Μετά από ένα μεγάλο σεισμό, η γη χτυπά σαν «κουδούνι». Η περίοδος κουδουνίσματος είναι αναγνωρίσιμη όταν είναι μεγάλη, δηλαδή μεγαλύτερη από 40 δευτερόλεπτα περίπου. Η χαμηλότερη συχνότητα έχει μια περίοδο περίπου μιας ώρας.

Πώς αναπτύχθηκε η θεωρία της σεισμολογίας;

Κάθε φορά που συμβαίνει σεισμός εκπέμπει κύματα πολλαπλών συχνοτήτων. Το εύρος ενδιαφέροντος συχνοτήτων επιτρέπει στους βράχους να συμπεριφέρονται ελαστικά. Η διάδοση των ηχητικών κυμάτων σε ελαστικά μέσα είναι αποδεδειγμένη επιστήμη και είναι πέρα ​​από το πεδίο της παρούσας συζήτησης. Η σεισμολογία κληρονόμησε αυτήν την ιδέα. Για τον μαθηματικό φορμαλισμό, τα μέσα θεωρούνται ομοιογενή και ισοτροπικά, συνδυάζοντας έτσι τον όρο «απλά μέσα» στη σεισμολογία μερικές φορές.

Το κύμα που προέρχεται από την πηγή σχηματίζει σφαιρικό μέτωπο κύματος, υπό την προϋπόθεση ότι η πηγή διαταραχής είναι μια σημειακή πηγή (αρχή του Huygen). Ωστόσο, καθώς το κύμα ταξιδεύει σε σημαντική απόσταση, αποδεικνύεται ότι συμπεριφέρεται ως επίπεδο κύμα. Η προσέγγιση των επιπέδων των κυμάτων χρησιμοποιείται έτσι για περαιτέρω θεωρητικούς υπολογισμούς. Για απλότητα, θεωρώντας ότι μια διαδρομή ακτίνων είναι βολική και έχει πραγματοποιηθεί καλός αριθμός θεωρητικών υπολογισμών χρησιμοποιώντας τη θεωρία των ακτίνων.

Είναι η θεωρητική σεισμολογία αρκετή για να κατανοήσει τη γη;


Όχι. Η θεωρητική σεισμολογία απλώς μας βοηθά να απλοποιήσουμε τη διάδοση των κυμάτων μετατρέποντάς μας στη φυσική με καλά κινούμενους κανόνες. Ωστόσο, η παρατήρηση είναι πεμπτουσία. Καθώς η απλή προσέγγιση δεν μιμείται το εσωτερικό της γης. Τα σύνολα δεδομένων παρατήρησης λαμβάνονται από τα όργανα και στη συνέχεια ταιριάζουν με τα θεωρητικά σύνολα δεδομένων για τις παρόμοιες γεωλογικές συνθήκες. Οι εκτιμήσεις γίνονται στα θεωρητικά δεδομένα και στο υπόβαθρο της φυσικής, εκτός εάν ταιριάζει με τις παρατηρήσεις σε μεγάλο βαθμό. Αυτή η πράξη ελαχιστοποίησης του σφάλματος ονομάζεται βελτιστοποίηση. Αυτό το θέμα χρειάζεται περαιτέρω εξήγηση λεπτομερώς. Η απόκτηση της παραμέτρου του θεωρητικού μοντέλου από τα παρατηρούμενα δεδομένα ονομάζεται σεισμική αντιστροφή.

Πώς να αποκτήσετε σύνολα δεδομένων παρατήρησης;


Στη σεισμολογία, τοποθετούμε το σεισμόμετρο στο έδαφος. Είναι ένα πολύ ευαίσθητο όργανο που μετρά την χρονική εξάρτηση της μετατόπισης του εδάφους. Ωστόσο, δεν είναι τόσο άμεσο όσο φαίνεται. Η βασική αρχή έγκειται στην «αδράνεια». Η μάζα προσαρτάται στο ελατήριο κάθετα και στεγάζεται σε κλουβί σαν δομή που διατηρείται στο έδαφος. Λόγω της δόνησης, ξεκινά η διαφορική κίνηση μεταξύ της κρεμασμένης μάζας και του κλωβού.

Αυτό με τη σειρά του σημαίνει την κίνηση που μπορεί περαιτέρω να ερμηνευθεί ποσοτικά. Το όργανο που χρησιμοποιείται ονομάζεται σεισμόμετρο. Αυτές τις μέρες υπάρχουν ψηφιακά σεισμόμετρα. Τα καταγεγραμμένα δεδομένα ονομάζονται σεισμογράφημα. Ένα τυπικό σεισμόγραμμα καταγράφει δονήσεις σε τρεις κατευθύνσεις. Ανατολικό-δυτικό, βορρά-νότο και κάθετο συστατικό είναι οι κατευθύνσεις της δόνησης.

Σεισμολογία: Σεισμογράφημα
Πιστωτική εικόνα: ανώνυμη, Seismogram, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας

Τύποι σεισμικών κυμάτων

Τα σεισμικά κύματα χωρίζονται γενικά σε

  1. Κύματα σώματος
  2. Επιφανειακό κύμα.

Κύμα σώματος

Το κύμα του σώματος προκύπτει λόγω της δύναμης του σώματος, αυτό είναι ένα πεδίο δύναμης όγκου που δίνεται από \ int \ int \ int f dv, όπου f είναι δύναμη ανά μονάδα όγκου που ενεργεί σε άπειρο όγκο.

Τα κύματα του σώματος χωρίζονται περαιτέρω σε:

Κύρια κύματα / κύματα Ρ: Αυτά τα κύματα ταξιδεύουν με ελαστικές μετατοπίσεις στο μέσο. Ταξιδεύουν με συμπίεση και σπάνιες κινήσεις των σωματιδίων του ελαστικού μέσου προς την κατεύθυνση της διάδοσης κυμάτων. Αυτό το καθιστά διαμήκη στη φύση. Με αυτόν τον τρόπο τα σωματίδια του μέσου υφίστανται απλή αρμονική κίνηση και το σεισμικό κύμα μεταδίδεται ως ένα πολύπλοκο σύνολο κυμάτων. Αυτό βοηθά στην κατανόηση της συμπεριφοράς της σεισμολογίας στο κύμα καθώς μπορεί να ενταχθεί σε μαθηματικές διατυπώσεις.

Τα πρωτογενή κύματα είναι το ταχύτερο κύμα μέχρι στιγμής και φτάνουν πρώτα στην επιφάνεια της γης. Στο σεισμόγραμμα, η πρώτη άφιξη είναι το κύμα Ρ. Καθώς το σωματιδιακό μέσο δονείται στην ίδια κατεύθυνση με τη διάδοση των κυμάτων, τα κύματα Ρ ταυτοποιούνται κυρίως στο κατακόρυφο συστατικό του σεισμογράμματος. Η ταχύτητα του κύματος Ρ δίνεται από \ sqrt {\ frac {\ lambda + 2 \ mu} {\ rho}}. \ λ μμ είναι η ελαστική παράμετρος (ονομάζεται παράμετρος Lame) που ελέγχει την ταχύτητα. Ρο είναι η πυκνότητα.

Πιστωτική εικόνα: Christophe Dang Ngoc Chan (cdang), Onde ώθηση συμπίεσης 1d 30 petitCC BY-SA 3.0



Δευτερεύοντα κύματα / κύμα S: Από την ίδια την πηγή ενέργειας, παράγεται ένα άλλο είδος διαταραχής που μετατοπίζει το σωματίδιο στην κατεύθυνση κάθετη προς την κίνηση των κυμάτων. Αυτό τους καθιστά εγκάρσιους στη φύση. Η εγκάρσια κίνηση των σωματιδίων οδηγεί σε παραμόρφωση διάτμησης στο μέσο. Αυτά τα κύματα είναι ισοβολικά, σημαίνει ότι ο όγκος μιας δεδομένης μονάδας παραμένει αμετάβλητος κατά τη διάδοση των κυμάτων. Η ταχύτητα του διατμητικού κύματος δίνεται από \ sqrt {\ frac {\ mu} {\ rho}} . Η μόνη ελαστική παράμετρος που ελέγχει την ταχύτητα του διατμητικού κύματος είναι ο συντελεστής διάτμησης.



Πιστωτική εικόνα: Christophe Dang Ngoc Chan (cdang), Onde cisaillement impulsion 1d 30 petitCC BY-SA 3.0


Η άνω εικόνα αντιπροσωπεύει το κύμα S όπου η κίνηση των σωματιδίων είναι κάθετη προς τη διάδοση των κυμάτων, ενώ η κάτω εικόνα είναι το κύμα Ρ όπου η κίνηση των σωματιδίων είναι εμπρός και πίσω στην κατεύθυνση της διάδοσης των κυμάτων. Μία σημαντική διαφορά μεταξύ του κύματος Ρ και του S είναι ότι το κύμα Ρ μπορεί να ταξιδέψει σε όλα τα μέσα όπως στερεό, υγρό και αέριο, ενώ το κύμα διάτμησης δεν μπορεί να ταξιδέψει σε ρευστό. Έτσι, στον εξωτερικό πυρήνα της γης, το κύμα S φαίνεται να είναι πουθενά. Υπάρχει μόνο P κύμα.

Επιφανειακά κύματα:


Τα επιφανειακά κύματα είναι η εκδήλωση των κυμάτων του σώματος. Είναι σαν κυματισμοί στο υδάτινο σώμα που σχηματίζονται όταν ρίχνονται πέτρες. Η προέλευσή τους θεωρείται ότι προέρχεται από την επιφανειακή δύναμη που αντιπροσωπεύεται από όπου f είναι η δύναμη που δρα ανά μονάδα επιφάνειας.

Τύποι επιφανειακών κυμάτων:

Τα επιφανειακά κύματα χωρίζονται περαιτέρω σε:

Κύμα Rayleigh:

Προκύπτει από την υπέρθεση του κύματος Ρ με το κατακόρυφο συστατικό του κύματος S, δηλαδή το κύμα SV. Καθώς τα P και SV είναι πολωμένα σε κάθετη κατεύθυνση το ένα με το άλλο. Η υπέρθεσή τους οδηγεί σε ελλειπτική πόλωση του κύματος Rayleigh.

Κύμα Rayleigh σε ομοιόμορφο μισό διάστημα: Σε ομοιόμορφο μισό διάστημα Τα κύματα Rayleigh δεν έχουν διασπορά στη φύση. Ωστόσο, στην πραγματικότητα το ίδιο το μέσο δεν είναι ομοιόμορφο με αποτέλεσμα τη διασπορά του κύματος Rayleigh.

Πιστωτική εικόνα: Μεταφορτωτές: WoudloperStarmenclockΚύμα Rayleigh, επισημαίνεται ως δημόσιος τομέας, περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με Wikimedia Commons

Τι είναι η διασπορά;

Η διασπορά αναφέρεται στην εξάρτηση συχνότητας της ταχύτητας. Αυτό σημαίνει ότι τα κύματα με διαφορετικές συχνότητες ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες. Καθώς τα σεισμικά κύματα που προέρχονται από την πηγή περιέχουν όλα τα στοιχεία συχνότητας που κυμαίνονται από 0.001 Hz έως 100 Hz.

Αυτό είναι ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων που μεταφέρει πληθώρα πληροφοριών σχετικά με τη δομή από την επιφάνεια έως το κέντρο της γης. Καθώς η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη χρονική περίοδο. Μέρος του κύματος με χαμηλή συχνότητα θα έχει υψηλή περίοδο και ως εκ τούτου μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης και αντίστροφα. Επίσης, το κύμα με υψηλότερη χρονική περίοδο θα είναι ευαίσθητο στη δομή του ίδιου μεγέθους. Ως εκ τούτου, εάν μας ενδιαφέρει να απεικονίσουμε τη μεγαλύτερη δομή μέσα στη γη, θα πρέπει να επιλέξουμε κυματομορφή με υψηλότερη περίοδο. Για λεπτή στρώση απεικονίζονται κύματα με χαμηλότερη περίοδο (υψηλότερη συχνότητα).

Κύμα αγάπης:

Είναι η υπέρθεση της οριζόντιας συνιστώσας των διατμητικών κυμάτων, δηλαδή SH. Προκύπτει υπό την κατάσταση όταν το κύμα διάτμησης κολλάει σε ένα στρώμα του οποίου η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από την ελεύθερη επιφάνεια (άνω επιφάνεια) και μικρότερη από εκείνη του ημι-άπειρου μισού χώρου. Σε αυτήν την περίπτωση, τα υπέρθετα κύματα SH που ανακλώθηκαν σε υπερκρίσιμη γωνία παρεμβαίνουν εποικοδομητικά για να σχηματίσουν κύματα αγάπης. Τα κύματα αγάπης ταξιδεύουν οριζόντια. Είναι πιο καταστροφικά.

Πιστοποίηση εικόνας: NicoguaroΚύμα αγάπηςCC-BY 4.0

Τι είναι η εξασθένηση των σεισμικών κυμάτων;


Ενώ η μετάδοση μέσα στη γη το σεισμικό κύμα εξασθενεί με διάφορους τρόπους.

Γεωμετρική διάδοση:


Καθώς το κύμα διαδίδεται μακριά από την πηγή η ενέργεια εξαπλώνεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια, έτσι ώστε η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας να συνεχίζει να μειώνεται. Είναι καθολικό με όλα τα είδη κυμάτων.

Το κύμα σώματος και το επιφανειακό κύμα εξασθενεί εξίσου;

Όχι, στη γεωμετρική εξάπλωση το κύμα σώματος εξασθενεί όσο τα επιφανειακά κύματα εξασθενούν ως.

2. Ανελαστική εξασθένηση:

Στην πραγματικότητα η γη δεν είναι απόλυτα ελαστική για τη διάδοση σεισμικών κυμάτων. Το ανελαστικό συστατικό οδηγεί στην απορρόφηση των σεισμικών κυμάτων σε κάποιο βαθμό, αυτό καλείται ως ανελαστική εξασθένηση.

Διασπαρτική φύση των σεισμικών κυμάτων:

Τα κύματα του σώματος δεν είναι διασπειρόμενα στη φύση. Ενώ τα επιφανειακά κύματα είναι διασπορά υπό συγκεκριμένη κατάσταση. Το κύμα Rayleigh όταν διέρχεται από ένα ομοιογενές μέσο δεν είναι διασπαρμένο. Ενώ τα κύματα αγάπης είναι εγγενώς διασπαρτικά. Η διασπορά των επιφανειακών κυμάτων παίζει βασικό ρόλο στην κατανόηση της γήινης δομής. Τα κύματα με υψηλότερη περίοδο (χαμηλότερη συχνότητα) ταξιδεύουν γρηγορότερα και ταξιδεύουν βαθύτερα μέσα στη γη και αντίστροφα. Αυτό ισχύει για την κανονική διασπορά. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις συμβαίνει το αντίθετο. Σε αυτό το κύμα με μικρότερη περίοδο ταξιδεύει γρηγορότερα και φτάνει στον αισθητήρα πριν από μεγάλα κύματα περιόδου.

Για περισσότερα άρθρα Κάνε κλικ εδώ

Σχετικά με τον Pratyush Anand

Συνδεθείτε στον πρώην συντάκτη μας: LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/pratyush-anand-560033105/)

1 σκέψη με θέμα «Σεισμολογία | Επιστήμη των σεισμών και τα σημαντικά της αποτελέσματα»

  1. Είναι πολύ χρήσιμο άρθρο, αλλά έχω μερικές ερωτήσεις ως εξής:
    1. Παρά το κύμα P και το κύμα S προέρχονται από την ίδια την πηγή τότε γιατί ονόμασαν διαφορετικά ως κύμα P και S;
    2. Αναφέρατε στην τελευταία παράγραφο ότι τα κύματα χαμηλής συχνότητας «ΔΙΑΔΟΣΗ» (υψηλότερα περιοδικά) ταξιδεύουν γρηγορότερα και βαθύτερα. Πως ?

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks