Sejsmologia

Animacja przedstawiająca tsunami wywołane trzęsieniem ziemi na Oceanie Indyjskim w 2004 roku
Część serii o
trzęsieniach ziemi
Earthquake - The Noun Project.svg
typy
Powoduje
Charakterystyka
Pomiar
Prognoza
Inne tematy

Sejsmologia ( / s aɪ z ˈ m ɒ l ə dʒ i , s aɪ s - / ; od starogreckiego σεισμός ( seismós ) oznaczającego „ trzęsienie ziemi ” i -λογία ( -logía ) oznaczające „badanie”) to naukowe badanie trzęsień ziemi (lub ogólnie trzęsienia ziemi ) i propagacji fal sprężystych przez Ziemię lub inne ciała planetarne . Obejmuje również badania skutków środowiskowych trzęsień ziemi , takich jak tsunami , a także różnych źródeł sejsmicznych, takich jak procesy wulkaniczne, tektoniczne, lodowcowe, rzeczne , oceaniczne, atmosferyczne i sztuczne, takie jak eksplozje. Pokrewną dziedziną, która wykorzystuje geologię do wnioskowania o przeszłych trzęsieniach ziemi, jest paleosejsmologia . Zapis Ziemi w funkcji czasu nazywa się sejsmogramem . Sejsmolog to naukowiec, który prowadzi badania w dziedzinie sejsmologii.

Historia

Naukowe zainteresowanie trzęsieniami ziemi sięga starożytności. Wczesne spekulacje na temat naturalnych przyczyn trzęsień ziemi zostały zawarte w pismach Talesa z Miletu (ok. 585 pne), Anaksymenesa z Miletu (ok. 550 pne), Arystotelesa (ok. 340 pne) i Zhang Henga (132 n.e.).

W 132 roku n.e. Zhang Heng z chińskiej dynastii Han zaprojektował pierwszy znany sejsmoskop .

W XVII wieku Athanasius Kircher argumentował, że trzęsienia ziemi były spowodowane ruchem ognia w systemie kanałów wewnątrz Ziemi. Martin Lister (1638-1712) i Nicolas Lemery (1645-1715) sugerowali, że trzęsienia ziemi były spowodowane wybuchami chemicznymi w ziemi.

Trzęsienie ziemi w Lizbonie w 1755 r. , które zbiegło się z ogólnym rozkwitem nauki w Europie , zapoczątkowało zintensyfikowane naukowe próby zrozumienia zachowania i przyczyny trzęsień ziemi. Najwcześniejsze odpowiedzi obejmują prace Johna Bevisa (1757) i Johna Michella (1761). Michell ustalił, że trzęsienia ziemi mają swoje źródło w Ziemi i były falami ruchu spowodowanymi „przesuwaniem się mas skalnych mil pod powierzchnię”.

W odpowiedzi na serię trzęsień ziemi w pobliżu Comrie w Szkocji w 1839 roku, w Wielkiej Brytanii utworzono komitet w celu opracowania lepszych metod wykrywania trzęsień ziemi. Wynikiem tego było wyprodukowanie jednego z pierwszych nowoczesnych sejsmometrów przez Jamesa Davida Forbesa , po raz pierwszy zaprezentowanego w raporcie Davida Milne-Home w 1842 r. Ten sejsmometr był odwróconym wahadłem, które rejestrowało pomiary aktywności sejsmicznej za pomocą ołówka umieszczonego na papierze nad wahadłem. Według raportów Milne'a dostarczone projekty nie okazały się skuteczne.

Od 1857 roku Robert Mallet położył podwaliny pod nowoczesną sejsmologię instrumentalną i przeprowadzał eksperymenty sejsmologiczne z użyciem materiałów wybuchowych. Jest również odpowiedzialny za ukucie słowa „sejsmologia”.

W 1897 roku obliczenia teoretyczne Emila Wiecherta doprowadziły go do wniosku, że wnętrze Ziemi składa się z płaszcza krzemianów otaczającego żelazne jądro.

W 1906 roku Richard Dixon Oldham zidentyfikował na sejsmogramach oddzielne nadejście fal P , fal S i fal powierzchniowych i znalazł pierwszy wyraźny dowód na to, że Ziemia ma centralne jądro.

W 1909 roku Andrija Mohorovičić , jeden z twórców nowoczesnej sejsmologii, odkrył i zdefiniował nieciągłość Mohorovičića . Zwykle określany jako „nieciągłość Moho” lub „ Moho ”, jest to granica między skorupą ziemską a płaszczem . Jest definiowana przez wyraźną zmianę prędkości fal sejsmologicznych, gdy przechodzą one przez zmieniające się gęstości skał.

W 1910 roku, po przestudiowaniu trzęsienia ziemi w San Francisco w kwietniu 1906 roku , Harry Fielding Reid przedstawił „ teorię elastycznego odbicia ”, która pozostaje podstawą współczesnych badań tektonicznych. Rozwój tej teorii zależał od znacznego postępu wcześniejszych niezależnych nurtów prac nad zachowaniem się materiałów sprężystych oraz w matematyce.

Prawdopodobnie pierwsze naukowe badanie wstrząsów wtórnych po niszczycielskim trzęsieniu ziemi miało miejsce po trzęsieniu ziemi w Xalapa w styczniu 1920 roku . 80-kilogramowy (180 funtów) sejsmograf Wiecherta został przywieziony koleją do meksykańskiego miasta Xalapa po trzęsieniu ziemi. Instrument został wdrożony w celu zarejestrowania wstrząsów wtórnych. Dane z sejsmografu ostatecznie ustaliłyby, że wstrząs główny powstał wzdłuż płytkiego uskoku skorupy ziemskiej.

W 1926 roku Harold Jeffreys jako pierwszy stwierdził, opierając się na swoich badaniach fal trzęsień ziemi, że pod płaszczem jądro Ziemi jest płynne.

W 1937 roku Inge Lehmann ustaliła, że ​​w płynnym jądrze zewnętrznym Ziemi znajduje się stały rdzeń wewnętrzny .

W latach sześćdziesiątych nauki o Ziemi rozwinęły się do tego stopnia, że ​​wszechstronna teoria przyczyn zdarzeń sejsmicznych i ruchów geodezyjnych połączyła się w dobrze ugruntowaną teorię tektoniki płyt . [ potrzebne źródło ]

Rodzaje fali sejsmicznej

Główny artykuł: Fala sejsmiczna
Three lines with frequent vertical excursions.
Zapisy sejsmogramu przedstawiające trzy składowe ruchu ziemi . Czerwona linia oznacza pierwsze nadejście fal P; zielona linia, późniejsze nadejście fal S.

Fale sejsmiczne to fale sprężyste rozchodzące się w materiałach stałych lub płynnych. Można je podzielić na fale ciała , które przechodzą przez wnętrze materiałów; fale powierzchniowe , które przemieszczają się wzdłuż powierzchni lub interfejsów między materiałami; i tryby normalne , forma fali stojącej.

Fale ciała

Istnieją dwa rodzaje fal ciała, fale ciśnienia lub fale pierwotne (fale P) oraz ścinanie lub fale wtórne ( fale S ). Fale P to fale podłużne , które obejmują kompresję i ekspansję w kierunku, w którym porusza się fala, i są zawsze pierwszymi falami, które pojawiają się na sejsmogramie, ponieważ są to najszybciej poruszające się fale w ciałach stałych. Fale S to fale poprzeczne które poruszają się prostopadle do kierunku propagacji. Fale S są wolniejsze niż fale P. Dlatego na sejsmogramie pojawiają się później niż fale P. Płyny nie mogą podtrzymywać poprzecznych fal elastycznych ze względu na ich niską wytrzymałość na ścinanie, więc fale S przemieszczają się tylko w ciałach stałych.

Fale powierzchniowe

Fale powierzchniowe są wynikiem oddziaływania fal P i S z powierzchnią Ziemi. Fale te są dyspersyjne , co oznacza, że ​​różne częstotliwości mają różne prędkości. Dwa główne typy fal powierzchniowych to fale Rayleigha , które mają zarówno ruchy ściskające, jak i ścinające, oraz fale Love , które są czysto ścinające. Fale Rayleigha powstają w wyniku interakcji fal P i fal S spolaryzowanych pionowo z powierzchnią i mogą istnieć w dowolnym ośrodku stałym. Fale miłości są tworzone przez poziomo spolaryzowane fale S oddziałujące z powierzchnią i mogą istnieć tylko wtedy, gdy następuje zmiana właściwości sprężystych wraz z głębokością w ośrodku stałym, co zawsze ma miejsce w zastosowaniach sejsmologicznych. Fale powierzchniowe poruszają się wolniej niż fale P i fale S, ponieważ są wynikiem przemieszczania się tych fal wzdłuż pośrednich ścieżek w celu interakcji z powierzchnią Ziemi. Ponieważ poruszają się po powierzchni Ziemi, ich energia zanika wolniej niż fal ciała (1/odległość 2 vs. 1/odległość 3 ), a zatem wstrząsy powodowane przez fale powierzchniowe są generalnie silniejsze niż fale ciała, a pierwotne fale powierzchniowe są często największymi sygnałami na sejsmogramach trzęsień ziemi . Fale powierzchniowe są silnie wzbudzane, gdy ich źródło znajduje się blisko powierzchni, jak w przypadku płytkiego trzęsienia ziemi lub eksplozji przy powierzchni, i są znacznie słabsze w przypadku głębokich źródeł trzęsienia ziemi.

Normalne tryby

Zobacz też: Swobodne oscylacje Ziemi

Zarówno fale ciała, jak i powierzchniowe są falami wędrującymi; jednak duże trzęsienia ziemi mogą również sprawić, że cała Ziemia „zadzwoni” jak rezonansowy dzwon. To dzwonienie jest mieszanką normalnych trybów z dyskretnymi częstotliwościami i okresami około godziny lub krótszymi. Ruch w trybie normalnym spowodowany bardzo dużym trzęsieniem ziemi można obserwować nawet przez miesiąc po zdarzeniu. Pierwsze obserwacje trybów normalnych przeprowadzono w latach 60. XX wieku, gdy pojawienie się instrumentów o wyższej wierności zbiegło się z dwoma największymi trzęsieniami ziemi XX wieku, trzęsieniem ziemi w Valdivii w 1960 r . I trzęsieniem ziemi na Alasce w 1964 r. . Od tego czasu normalne tryby Ziemi nałożyły na nas jedne z najsilniejszych ograniczeń na głęboką strukturę Ziemi.

Trzęsienia ziemi

Główne artykuły: Trzęsienie ziemi i Listy trzęsień ziemi

Jedna z pierwszych prób naukowych badań trzęsień ziemi nastąpiła po trzęsieniu ziemi w Lizbonie w 1755 roku. Inne znaczące trzęsienia ziemi, które zachęciły do ​​​​poważnych postępów w nauce sejsmologii, obejmują trzęsienie ziemi w 1857 roku w Basilicata , trzęsienie ziemi w San Francisco w 1906 roku , trzęsienie ziemi na Alasce w 1964 roku , trzęsienie ziemi w Sumatrze i Andamanie w 2004 roku oraz trzęsienie ziemi w Wielkiej Wschodniej Japonii w 2011 roku .

Kontrolowane źródła sejsmiczne

Zobacz też: Sejsmologia refleksyjna

Fale sejsmiczne wytwarzane przez eksplozje lub wibrujące kontrolowane źródła są jedną z podstawowych metod eksploracji podziemnej w geofizyce (oprócz wielu różnych metod elektromagnetycznych , takich jak polaryzacja indukowana i magnetotelluryka ). Sejsmologia z kontrolowanym źródłem została wykorzystana do mapowania kopuł solnych , antyklin i innych pułapek geologicznych w skałach roponośnych , uskokach , rodzajach skał i dawno zakopanych gigantycznych kraterach meteorytowych . Na przykład krater Chicxulub , który powstał w wyniku zderzenia, które było zamieszane w wyginięcie dinozaurów , został zlokalizowany w Ameryce Środkowej na podstawie analizy ejektów na granicy kredy i paleogenu , a następnie fizycznie udowodniono jego istnienie za pomocą map sejsmicznych z ropy eksploracja .

Wykrywanie fal sejsmicznych

Instalacja tymczasowej stacji sejsmicznej na wyżynach północnej Islandii.

Sejsmometry to czujniki, które wykrywają i rejestrują ruch Ziemi wynikający z fal sprężystych. Sejsmometry mogą być rozmieszczone na powierzchni Ziemi, w płytkich sklepieniach, w otworach wiertniczych lub pod wodą . Kompletny zestaw przyrządów rejestrujących sygnały sejsmiczne nazywa się sejsmografem . Sieci sejsmografów stale rejestrują ruchy ziemi na całym świecie, aby ułatwić monitorowanie i analizę globalnych trzęsień ziemi i innych źródeł aktywności sejsmicznej. Szybka lokalizacja trzęsień ziemi powoduje tsunami ostrzeżenia są możliwe, ponieważ fale sejsmiczne poruszają się znacznie szybciej niż fale tsunami. Sejsmometry rejestrują również sygnały ze źródeł innych niż trzęsienia ziemi, począwszy od eksplozji (nuklearnych i chemicznych), przez lokalny hałas powodowany przez wiatr lub działalność antropogeniczną, do nieustannych sygnałów generowanych na dnie oceanu i na wybrzeżach wywołanych przez fale oceaniczne (mikrosejsm globalny) , po zdarzenia kriosferyczne związane z dużymi górami lodowymi i lodowcami. Meteor nad oceanem uderza z energią dochodzącą do 4,2 × 10 13 J (odpowiednik tego uwolnionego przez eksplozję dziesięciu kiloton trotylu) zostały zarejestrowane przez sejsmografy, podobnie jak wiele wypadków przemysłowych, bomb i zdarzeń terrorystycznych (dziedzina badań określana jako sejsmologia sądowa ) . Główną długoterminową motywacją do globalnego monitorowania sejsmograficznego było wykrywanie i badanie prób jądrowych .

Mapowanie wnętrza Ziemi

Główny artykuł: wnętrze Ziemi
Diagram with concentric shells and curved paths
Prędkości i granice sejsmiczne we wnętrzu Ziemi pobrane przez fale sejsmiczne

Ponieważ fale sejsmiczne zwykle rozchodzą się wydajnie podczas interakcji z wewnętrzną strukturą Ziemi, zapewniają nieinwazyjne metody badania wnętrza planety o wysokiej rozdzielczości. Jednym z najwcześniejszych ważnych odkryć (zasugerowanych przez Richarda Dixona Oldhama w 1906 r. i definitywnie wykazanych przez Harolda Jeffreysa w 1926 r. ) ziemi jest płynna. Ponieważ fale S nie przechodzą przez ciecze, płynne jądro powoduje „cień” po stronie planety przeciwnej do trzęsienia ziemi, gdzie nie obserwuje się bezpośrednich fal S. Ponadto fale P przemieszczają się znacznie wolniej przez zewnętrzne jądro niż płaszcz.

Przetwarzając odczyty z wielu sejsmometrów za pomocą tomografii sejsmicznej , sejsmolodzy zmapowali płaszcz ziemi z rozdzielczością kilkuset kilometrów. Umożliwiło to naukowcom zidentyfikowanie komórek konwekcyjnych i innych cech na dużą skalę, takich jak duże prowincje o niskiej prędkości ścinania w pobliżu granicy między rdzeniem a płaszczem .

Sejsmologia i społeczeństwo

Przewidywanie trzęsienia ziemi

Główny artykuł: przewidywanie trzęsienia ziemi

Prognozowanie prawdopodobnego czasu, lokalizacji, wielkości i innych ważnych cech nadchodzącego zdarzenia sejsmicznego nazywa się przewidywaniem trzęsienia ziemi . Sejsmolodzy i inni podejmowali różne próby stworzenia skutecznych systemów do precyzyjnego przewidywania trzęsień ziemi, w tym metody VAN . Większość sejsmologów nie wierzy, że system dostarczania aktualnych ostrzeżeń o poszczególnych trzęsieniach ziemi został jeszcze opracowany, a wielu uważa, że ​​jest mało prawdopodobne, aby taki system dawał użyteczne ostrzeżenia o zbliżających się zdarzeniach sejsmicznych. Jednak bardziej ogólne prognozy rutynowo przewidują zagrożenie sejsmiczne . Takie prognozy szacują prawdopodobieństwo trzęsienia ziemi o określonej wielkości, które dotknie określoną lokalizację w określonym przedziale czasu i są rutynowo wykorzystywane w inżynierii sejsmicznej .

Publiczne kontrowersje wokół przewidywania trzęsienia ziemi wybuchły po tym, jak włoskie władze oskarżyły sześciu sejsmologów i jednego urzędnika państwowego o nieumyślne spowodowanie śmierci w związku z trzęsieniem ziemi o sile 6,3 w L'Aquila we Włoszech w dniu 5 kwietnia 2009 r . Akt oskarżenia spotkał się z szerokim odzewem [ przez kogo? ] jako akt oskarżenia za nieprzewidzenie trzęsienia ziemi i spotkał się z potępieniem ze strony Amerykańskiego Stowarzyszenia Postępu Nauki i Amerykańskiej Unii Geofizycznej . Akt oskarżenia twierdzi, że na specjalnym spotkaniu w L'Aquili na tydzień przed trzęsieniem ziemi naukowcy i urzędnicy byli bardziej zainteresowani spacyfikowaniem ludności niż dostarczeniem odpowiednich informacji o ryzyku trzęsienia ziemi i gotowości.

Sejsmologia inżynierska

Sejsmologia inżynierska to nauka i zastosowanie sejsmologii do celów inżynierskich. Na ogół odnosi się do gałęzi sejsmologii, która zajmuje się oceną zagrożenia sejsmicznego danego miejsca lub regionu na potrzeby inżynierii sejsmicznej. Jest to zatem łącznik między naukami o Ziemi a inżynierią lądową . Istnieją dwa główne elementy sejsmologii inżynierskiej. Po pierwsze, studiowanie historii trzęsień ziemi (np. historyczne i instrumentalne katalogi sejsmiczności) oraz tektoniki do oceny trzęsień ziemi, które mogą wystąpić w regionie oraz ich charakterystyki i częstotliwości występowania. Po drugie, badanie silnych ruchów gruntu generowanych przez trzęsienia ziemi w celu oceny spodziewanych wstrząsów wywołanych przyszłymi trzęsieniami ziemi o podobnej charakterystyce. Te silne ruchy ziemi mogą być albo obserwacjami z akcelerometrów lub sejsmometrów, albo symulowanymi przez komputery przy użyciu różnych technik, które są następnie często wykorzystywane do opracowywania równań przewidywania ruchu ziemi (lub modeli ruchu ziemi) [1] .

Narzędzia

Instrumenty sejsmologiczne mogą generować duże ilości danych. Systemy do przetwarzania takich danych obejmują:

Znani sejsmolodzy

Zobacz też: Kategoria: Sejsmolodzy

Zobacz też

Notatki

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Seismology&oldid=1142782918 ”