Распространение сейсмических волн

Упругое возмущение в Земле распространяется в виде объемных P- и S-волн через внутреннюю часть и в виде волн Рэлея и Лява вдоль поверхности, преломляясь и отражаясь на границах, определяемых скоростной структурой.

Definition

Распространение сейсмических волн — это передача упругой энергии через Землю, регулируемая волновым уравнением, в результате чего образуются объемные волны, распространяющиеся через внутреннюю часть, и поверхностные волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности, каждая из которых преломляется, отражается и затухает в соответствии с модулями упругости и плотностью среды.

Scope

Эта тема охватывает уравнение упругодинамических волн и типы волн, которые оно описывает: продольные P-волны, поперечные S-волны, а также дисперсионные поверхностные волны Рэлея и Лява. Рассматриваются отражение, преломление и преобразование мод на границах раздела, закон Снеллиуса и лучевая теория, формирование сейсмических фаз и годографов, затухание и геометрическое расхождение, а также дисперсия поверхностных волн. Основное внимание уделяется тому, как упругие свойства среды контролируют скорость, путь и амплитуду сейсмической энергии.

Core questions

• Чем отличаются P-, S-, Рэлея и Лява волны по скорости, движению и пути?
• Как возникают отражение, преломление и преобразование моды на скоростных границах раздела?
• Почему поверхностные волны дисперсионны, и что дисперсия раскрывает о структуре?
• Как затухание и геометрическое расхождение уменьшают амплитуду волны с расстоянием?

Key concepts

• Продольные (P) и поперечные (S) объемные волны
• Поверхностные волны Рэлея и Лява и их дисперсия
• Закон Снеллиуса, лучевые пути и годографы
• Отражение, преломление и преобразование моды на границах раздела
• Сейсмическое затухание (Q) и геометрическое расхождение

Key theories

Уравнение упругих волн и лучевая теория

Линейная упругодинамика дает волновое уравнение, решения которого разделяются на объемные P- и S-волны; в высокочастотном пределе их энергия следует лучам, подчиняющимся закону Снеллиуса, что позволяет предсказывать времена прихода по скоростной модели.

Дисперсия поверхностных волн

Поскольку волны Рэлея и Лява зондируют глубину в зависимости от частоты, компоненты с более длинным периодом распространяются быстрее, создавая характерную дисперсию, инверсия которой ограничивает профиль сейсмической скорости по глубине.

Mechanisms

Напряжение, приложенное к упругому твердому телу, вызывает объемные и сдвиговые деформации, которые распространяются как P- и S-волны соответственно; на границе, где изменяется импеданс, энергия разделяется на отраженные и прошедшие, возможно, с преобразованием моды, волны, в то время как свободная поверхность и слоистость удерживают энергию в направленных поверхностных волнах, чьи фазовые и групповые скорости зависят от периода.

Clinical relevance

Понимание распространения волн необходимо для определения местоположения землетрясений, прогнозирования того, как будет меняться сотрясение в регионе, и проектирования сейсмических исследований, используемых для картирования недр в целях изучения водных ресурсов, энергетики и инженерных изысканий.

History

Рэлей предсказал поверхностные волны на упругом полупространстве в 1885 году, а Ляв объяснил горизонтально поляризованные поверхностные волны в 1911 году; инструментарий XX века и количественная основа, кодифицированная Аки и Ричардсом, превратили распространение волн в точный инструмент как для изучения источников, так и для изучения структуры.

Key figures

• Lord Rayleigh
• Augustus Edward Hough Love
• Keiiti Aki

Seminal works

• akirichards2002
• shearer2009
• steinwysession2003

Frequently asked questions

Почему P-волны всегда приходят раньше S-волн?

P-волны являются продольными и распространяются быстрее, чем поперечные S-волны в том же материале, поэтому они достигают сейсмометра первыми; увеличивающийся разрыв между приходами P- и S-волн с расстоянием используется для оценки того, как далеко произошло землетрясение.

Почему поверхностные волны обычно являются наиболее разрушительными?

Поверхностные волны ограничены вблизи поверхности, поэтому их энергия распространяется в двух измерениях, а не в трех, и затухает медленнее с расстоянием; в сочетании с их длинными периодами это часто делает их приходами с наибольшей амплитудой на поверхности земли.