Sự lan truyền sóng địa chấn

Một nhiễu loạn đàn hồi trong lòng Trái Đất lan truyền dưới dạng sóng khối P và S qua phần bên trong và dưới dạng sóng Rayleigh và Love dọc theo bề mặt, khúc xạ và phản xạ tại các ranh giới được xác định bởi cấu trúc vận tốc.

Definition

Sự lan truyền sóng địa chấn là sự truyền năng lượng đàn hồi qua Trái Đất được điều chỉnh bởi phương trình sóng, tạo ra sóng khối truyền qua phần bên trong và sóng bề mặt truyền dọc theo bề mặt tự do, mỗi sóng được khúc xạ, phản xạ và suy giảm theo các mô đun đàn hồi và mật độ của môi trường.

Scope

Chủ đề này bao gồm phương trình sóng đàn hồi động lực học và các loại sóng mà nó hỗ trợ: sóng nén P, sóng cắt S, và sóng bề mặt Rayleigh và Love phân tán. Nó đề cập đến sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi chế độ tại các giao diện, định luật Snell và lý thuyết tia, sự hình thành các pha địa chấn và đường cong thời gian truyền, sự suy giảm và sự lan truyền hình học, và sự phân tán sóng bề mặt. Trọng tâm là cách các tính chất đàn hồi của môi trường kiểm soát tốc độ, đường đi và biên độ của năng lượng địa chấn.

Core questions

• Điều gì phân biệt sóng P, S, Rayleigh và Love về tốc độ, chuyển động và đường đi?
• Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi chế độ phát sinh như thế nào tại các giao diện vận tốc?
• Tại sao sóng bề mặt lại phân tán, và sự phân tán tiết lộ điều gì về cấu trúc?
• Sự suy giảm và sự lan truyền hình học làm giảm biên độ sóng theo khoảng cách như thế nào?

Key concepts

• Sóng khối nén (P) và cắt (S)
• Sóng bề mặt Rayleigh và Love và sự phân tán của chúng
• Định luật Snell, đường đi tia và đường cong thời gian truyền
• Phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi chế độ tại các giao diện
• Suy giảm địa chấn (Q) và sự lan truyền hình học

Key theories

Phương trình sóng đàn hồi và lý thuyết tia

Động lực học đàn hồi tuyến tính tạo ra một phương trình sóng mà các nghiệm của nó phân tách thành sóng khối P và S; trong giới hạn tần số cao, năng lượng của chúng đi theo các tia tuân theo định luật Snell, cho phép dự đoán thời gian truyền từ một mô hình vận tốc.

Sự phân tán sóng bề mặt

Bởi vì sóng Rayleigh và Love lấy mẫu độ sâu theo hàm số của tần số, các thành phần chu kỳ dài hơn truyền nhanh hơn, tạo ra sự phân tán đặc trưng mà sự đảo ngược của nó giới hạn hồ sơ độ sâu của vận tốc địa chấn.

Mechanisms

Ứng suất tác dụng lên một vật rắn đàn hồi tạo ra các biến dạng thể tích và cắt lần lượt lan truyền dưới dạng sóng P và S; tại một ranh giới nơi trở kháng thay đổi, năng lượng phân chia thành sóng phản xạ và truyền qua, có thể chuyển đổi chế độ, trong khi bề mặt tự do và sự phân lớp giữ năng lượng thành sóng bề mặt dẫn hướng có vận tốc pha và nhóm phụ thuộc vào chu kỳ.

Clinical relevance

Hiểu biết về sự lan truyền sóng là điều cần thiết để xác định vị trí động đất, dự đoán sự biến đổi của rung lắc trong một khu vực, và thiết kế các khảo sát địa chấn được sử dụng để hình ảnh dưới bề mặt cho các nghiên cứu về nước, năng lượng và kỹ thuật.

History

Rayleigh đã dự đoán sóng bề mặt trên một nửa không gian đàn hồi vào năm 1885 và Love đã giải thích sóng bề mặt phân cực ngang vào năm 1911; các thiết bị đo đạc thế kỷ XX và khuôn khổ định lượng được Aki và Richards hệ thống hóa đã biến sự lan truyền sóng thành một công cụ chính xác cho cả nghiên cứu nguồn và cấu trúc.

Key figures

• Lord Rayleigh
• Augustus Edward Hough Love
• Keiiti Aki

Seminal works

• akirichards2002
• shearer2009
• steinwysession2003

Frequently asked questions

Tại sao sóng P luôn đến trước sóng S?

Sóng P là sóng nén và truyền nhanh hơn sóng cắt S trong cùng một vật liệu, vì vậy chúng đến địa chấn kế trước; khoảng cách ngày càng tăng giữa các sóng P và S đến theo khoảng cách được sử dụng để ước tính khoảng cách xảy ra động đất.

Tại sao sóng bề mặt thường gây thiệt hại nhiều nhất?

Sóng bề mặt bị giới hạn gần bề mặt, vì vậy năng lượng của chúng lan truyền trong hai chiều thay vì ba chiều và suy giảm chậm hơn theo khoảng cách; kết hợp với chu kỳ dài của chúng, điều này thường làm cho chúng trở thành những sóng có biên độ lớn nhất đến mặt đất.