Сейсмические волны. Типы сейсмических волн. Поверхностные сейсмические волны Продольная сейсмическая волна распространяется по направлению

>>Физика: Сейсмические волны

Сейсмическими волнами называют волны, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений или каких-либо мощных взрывов. Так как Земля в основном твердая, то в ней одновременно могут возникать два вида волн - продольные и поперечные. Скорость этих волн неодинакова: продольные волны распространяются быстрее поперечных. Например, на глубине 500 км скорость поперечных сейсмических волн ≈ 5 км/с, а скорость продольных волн ≈ 10 км/с.

Регистрацию и запись колебаний земной поверхности, вызванных сейсмическими волнами, осуществляют с помощью приборов, называемых сейсмографами . Основной частью сейсмографа является маятник , начинающий колебаться при каждом появлении сейсмических волн. В простейших конструкциях прибора маятник соединяют с пишущим устройством, вычерчивающим график колебаний на специальной ленте.

Распространяясь от очага землетрясения, первыми на регистрирующую (сейсмическую) станцию приходят продольные волны, спустя некоторое время - поперечные. Зная скорость распространения волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние R до эпицентра землетрясения. Чтобы узнать, где именно он находится, используют данные, полученные на нескольких сейсмических станциях. Допустим, что расстояние от эпицентра землетрясения до станции S 1 равно R 1 , до станции S 2 - R 2 , а до станции S 3 - R 3 . Тогда, начертив на карте вокруг станций окружности соответствующих радиусов и найдя точку их пересечения, мы узнаем, где именно находится источник сейсмических волн (точка А на рисунке 46).

Ежегодно на земном шаре регистрируют сотни тысяч землетрясений. Подавляющее большинство из них относится к слабым, однако время от времени наблюдаются и такие, которые нарушают целостность грунта, разрушают здания и ведут к человеческим жертвам.

Интенсивность землетрясений характеризуют с помощью 12-балльной шкалы (табл. 4).

Например, Ашхабадское землетрясение в 1948 г. оценивается в 9-10 баллов, а Ташкентское 1966 г.- в 8 баллов. Во время подобных катастроф гибнет огромное число людей. При Спитакском землетрясении в Армении (1988 г.) погибло несколько десятков тысяч человек, а во время Тайшаньского землетрясения в Китае (1976 г.) число человеческих жертв достигло нескольких сотен тысяч!

Противостоять разрушительным последствиям сильных землетрясений можно лишь путем строительстсейсмостойких зданий. Однако подобное строительство является достаточно дорогим и, кроме того, не всегда известно, где именно следует строить подобные дома. Предсказание землетрясений - сложнейшая задача. Решением этой проблемы занимаются специальные национальные службы и научно-исследовательские институты.

Исследование распространения сейсмических волн внутри Земли позволяет изучать глубинное строение нашей планеты. Простейшая схема подобных исследований состоит в следующем. В каком-либо месте внутрь грунта помещают заряд, после чего производят подземный взрыв. Распространяясь во все стороны от места взрыва, сейсмические волны достигают различных слоев внутри Земли. На границе каждого из них возникают отраженные волны. Эти волны возвращаются к поверхности Земли, где регистрируются на специальных сейсморазведочных станциях. Таким образом, например, было установлено, что недра Земли можно разделить на три основные области: земную кору, мантию и ядро . Измерения показали, что на глубине около 2800 км (на границе между мантией и ядром) скорость продольных волн скачком уменьшается с 13,6 до 8,1 км/с, а скорость поперечных волн - с 7,3 км/с до нуля. Непропускание ядром поперечных волн означает, что внешняя область ядра является не твердой, а жидкой.

Наряду с изучением строения земного шара сейсмическая разведка позволяет обнаруживать места, благоприятные для скопления нефти и газа.
Сейсмические исследования проводятся не только на Земле, но и на других небесных телах. Так, например, в 1969 г. американские астронавты разместили сейсмические станции на Луне . Ежегодно эти станции регистрировали от 600 до 3000 слабых лунотрясений. А в 1976 г. космическим аппаратом "Викинг" (США) сейсмограф был установлен на Марсе. Однако из-за сильных помех достоверных данных о сейсмичности Марса получить не удалось.

1. Какие волны называют сейсмическими? 2. Скорость каких волн в твердых телах больше - продольных или поперечных? 3. Каким образом можно определить местонахождение эпицентра землетрясения? 4. Какие методы изучения Земли позволяют установить ее внутреннее строение? 5. Из чего следует, что внешнее ядро Земли является жидким?

С.В. Громов, Н.А. Родина, Физика 8 класс

Отослано читателями из интернет-сайтов

Задание и ответы с физики по классам, скачать тесты ответы, планирование уроков физики 8 класс, онлайн уроки физика 8 класс, домашние задание и работа

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Сейсмические волны - волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация или удар. Сейсмические волны изучаются в сейсмологии и разведочной геофизике . Для записи колебаний, вызываемых сейсмическими волнами, применяются автономные сейсморегистраторы или приёмники , подключённые к сейсмостанциям. Скорость распространения волн зависит от плотности и упругости среды. Скорость имеет тенденцию к росту по мере углубления, в земной коре она составляет 2-8 км/с, а при углублении до мантии - 13 км/с. В сейсмологии изучение сейсмических волн представляет самостоятельный фундаментальный интерес, а в сейсморазведке волны от искусственных источников направляются на интересующие геологические границы для их прослеживания.

Типы сейсмических волн

Есть два главных типа: объёмные волны и поверхностные волны. Кроме описанных ниже есть и другие, менее значимые типы волн, которые вряд ли можно встретить на Земле, но они имеют важное значение в астросейсмологии .

Объёмные волны

Объёмные волны проходят через недра Земли. Путь волн преломляется различной плотностью и жёсткостью подземных пород.

P-волны

P-волны (первичные волны) - продольные, или компрессионные волны. Обычно их скорость в два раза быстрее S-волн, проходить они могут через любые материалы. В воздухе они принимают форму звуковых волн, и, соответственно, их скорость становится равной скорости звука. Стандартная скорость P-волн - 330 м/с в воздухе, 1 450 м/с в воде и 5 000 м/с в граните.

S-волны

S-волны (вторичные волны) - поперечные волны. Они показывают, что земля смещается перпендикулярно к направлению распространения. В случае горизонтально поляризованных S-волн земля движется то в одну сторону, то в другую попеременно. Волны этого типа могут действовать только в твёрдых телах.

Поверхностные волны

Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн. Они бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява .

P- и S-волны в мантии и ядре

Когда происходит землетрясение, сейсмографы вблизи эпицентра записывают S- и P-волны. Но на больших расстояниях обнаружить высокие частоты первой S-волны невозможно. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, на основании этого явления Ричард Диксон Олдхэм выдвинул предположение, что Земля имеет жидкое внешнее ядро. По этому виду исследования в дальнейшем было выдвинуто предположение, что у Луны твёрдое ядро, но недавние геофизические исследования показывают, что оно ещё расплавлено.

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

В случае локальных или близлежащих землетрясений разница прибытия P- и S- волн может использоваться для обнаружения дистанции от события. В случае глобальных землетрясений четыре или более наблюдательных станций, синхронизированных по времени, записывают время прибытия P-волн. На основе этих данных можно вычислить эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объём данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км - это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить её на 8. Но на телесейсмических [неизвестный термин ] дистанциях этот способ не подходит, потому что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость .

Амплитуда сейсмической волны

Напишите отзыв о статье "Сейсмическая волна"

Примечания

Ссылки

• eqseis.geosc.psu.edu/~cammon/HTML/Classes/IntroQuakes/Notes/waves_and_interior.html

Е. Ф. Саваренский, Междуведомственный совет по сейсмологии и сейсмостойкому строительству. Наука, 1983 - Всего страниц: 223

Отрывок, характеризующий Сейсмическая волна

Увидав успокоение своего tres gracieux souverain, Мишо тоже успокоился, но на прямой существенный вопрос государя, требовавший и прямого ответа, он не успел еще приготовить ответа.
– Sire, me permettrez vous de vous parler franchement en loyal militaire? [Государь, позволите ли вы мне говорить откровенно, как подобает настоящему воину?] – сказал он, чтобы выиграть время.
– Colonel, je l"exige toujours, – сказал государь. – Ne me cachez rien, je veux savoir absolument ce qu"il en est. [Полковник, я всегда этого требую… Не скрывайте ничего, я непременно хочу знать всю истину.]
– Sire! – сказал Мишо с тонкой, чуть заметной улыбкой на губах, успев приготовить свой ответ в форме легкого и почтительного jeu de mots [игры слов]. – Sire! j"ai laisse toute l"armee depuis les chefs jusqu"au dernier soldat, sans exception, dans une crainte epouvantable, effrayante… [Государь! Я оставил всю армию, начиная с начальников и до последнего солдата, без исключения, в великом, отчаянном страхе…]
– Comment ca? – строго нахмурившись, перебил государь. – Mes Russes se laisseront ils abattre par le malheur… Jamais!.. [Как так? Мои русские могут ли пасть духом перед неудачей… Никогда!..]
Этого только и ждал Мишо для вставления своей игры слов.
– Sire, – сказал он с почтительной игривостью выражения, – ils craignent seulement que Votre Majeste par bonte de c?ur ne se laisse persuader de faire la paix. Ils brulent de combattre, – говорил уполномоченный русского народа, – et de prouver a Votre Majeste par le sacrifice de leur vie, combien ils lui sont devoues… [Государь, они боятся только того, чтобы ваше величество по доброте души своей не решились заключить мир. Они горят нетерпением снова драться и доказать вашему величеству жертвой своей жизни, насколько они вам преданы…]
– Ah! – успокоенно и с ласковым блеском глаз сказал государь, ударяя по плечу Мишо. – Vous me tranquillisez, colonel. [А! Вы меня успокоиваете, полковник.]
Государь, опустив голову, молчал несколько времени.
– Eh bien, retournez a l"armee, [Ну, так возвращайтесь к армии.] – сказал он, выпрямляясь во весь рост и с ласковым и величественным жестом обращаясь к Мишо, – et dites a nos braves, dites a tous mes bons sujets partout ou vous passerez, que quand je n"aurais plus aucun soldat, je me mettrai moi meme, a la tete de ma chere noblesse, de mes bons paysans et j"userai ainsi jusqu"a la derniere ressource de mon empire. Il m"en offre encore plus que mes ennemis ne pensent, – говорил государь, все более и более воодушевляясь. – Mais si jamais il fut ecrit dans les decrets de la divine providence, – сказал он, подняв свои прекрасные, кроткие и блестящие чувством глаза к небу, – que ma dinastie dut cesser de rogner sur le trone de mes ancetres, alors, apres avoir epuise tous les moyens qui sont en mon pouvoir, je me laisserai croitre la barbe jusqu"ici (государь показал рукой на половину груди), et j"irai manger des pommes de terre avec le dernier de mes paysans plutot, que de signer la honte de ma patrie et de ma chere nation, dont je sais apprecier les sacrifices!.. [Скажите храбрецам нашим, скажите всем моим подданным, везде, где вы проедете, что, когда у меня не будет больше ни одного солдата, я сам стану во главе моих любезных дворян и добрых мужиков и истощу таким образом последние средства моего государства. Они больше, нежели думают мои враги… Но если бы предназначено было божественным провидением, чтобы династия наша перестала царствовать на престоле моих предков, тогда, истощив все средства, которые в моих руках, я отпущу бороду до сих пор и скорее пойду есть один картофель с последним из моих крестьян, нежели решусь подписать позор моей родины и моего дорогого народа, жертвы которого я умею ценить!..] Сказав эти слова взволнованным голосом, государь вдруг повернулся, как бы желая скрыть от Мишо выступившие ему на глаза слезы, и прошел в глубь своего кабинета. Постояв там несколько мгновений, он большими шагами вернулся к Мишо и сильным жестом сжал его руку пониже локтя. Прекрасное, кроткое лицо государя раскраснелось, и глаза горели блеском решимости и гнева.
– Colonel Michaud, n"oubliez pas ce que je vous dis ici; peut etre qu"un jour nous nous le rappellerons avec plaisir… Napoleon ou moi, – сказал государь, дотрогиваясь до груди. – Nous ne pouvons plus regner ensemble. J"ai appris a le connaitre, il ne me trompera plus… [Полковник Мишо, не забудьте, что я вам сказал здесь; может быть, мы когда нибудь вспомним об этом с удовольствием… Наполеон или я… Мы больше не можем царствовать вместе. Я узнал его теперь, и он меня больше не обманет…] – И государь, нахмурившись, замолчал. Услышав эти слова, увидав выражение твердой решимости в глазах государя, Мишо – quoique etranger, mais Russe de c?ur et d"ame – почувствовал себя в эту торжественную минуту – entousiasme par tout ce qu"il venait d"entendre [хотя иностранец, но русский в глубине души… восхищенным всем тем, что он услышал] (как он говорил впоследствии), и он в следующих выражениях изобразил как свои чувства, так и чувства русского народа, которого он считал себя уполномоченным.
– Sire! – сказал он. – Votre Majeste signe dans ce moment la gloire de la nation et le salut de l"Europe! [Государь! Ваше величество подписывает в эту минуту славу народа и спасение Европы!]
Государь наклонением головы отпустил Мишо.

В то время как Россия была до половины завоевана, и жители Москвы бежали в дальние губернии, и ополченье за ополченьем поднималось на защиту отечества, невольно представляется нам, не жившим в то время, что все русские люди от мала до велика были заняты только тем, чтобы жертвовать собою, спасать отечество или плакать над его погибелью. Рассказы, описания того времени все без исключения говорят только о самопожертвовании, любви к отечеству, отчаянье, горе и геройстве русских. В действительности же это так не было. Нам кажется это так только потому, что мы видим из прошедшего один общий исторический интерес того времени и не видим всех тех личных, человеческих интересов, которые были у людей того времени. А между тем в действительности те личные интересы настоящего до такой степени значительнее общих интересов, что из за них никогда не чувствуется (вовсе не заметен даже) интерес общий. Большая часть людей того времени не обращали никакого внимания на общий ход дел, а руководились только личными интересами настоящего. И эти то люди были самыми полезными деятелями того времени.

Полостях, горных ударов и др.) или искусственных (взрывов, вибраторов, пневматических, газодинамических, электроискровых, гидравлических) источников. Частотный диапазон сейсмических волн от 0,0001 Гц до 100 Гц. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой, на значительных расстояниях от источников их интенсивность уменьшается вследствие затухания. Для регистрации сейсмических волн используются сейсмографы .

Различают две группы сейсмических волн – объёмные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Причем через жидкий, расплавленный материал ядра проходят только волны, называемые продольными, они вызывают сжатие и растяжение среды, через которую проходят, как и привычные нам звуковые волны в воздухе. Их движение напоминает перемещение червяка, сжимающегося и растягивающегося вдоль продольной оси.
Волны другого вида - поперечные - через расплав не проходят, а затухают на границе земного ядра. В этих волнах происходит колебание частиц горных пород перпендикулярно направлениям распространения волн. Такие колебания можно сравнить с движением змеи, извивающейся по поверхности поперек направления движения. Поперечные волны, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверз-вниз все находящееся на земле, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твёрдой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной, на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее «разгуляться», что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов .

В однородной изотропной идеально-упругой твёрдой среде вдали от границ раздела, в т.ч. вдали от поверхности Земли, могут распространяться сейсмические волн только двух типов: продольные (Р) и поперечные (S). Продольные сейсмические волны переносят изменения объёма (сжатия и растяжения) в среде. Движения частиц в них совершаются параллельно направлению распространения волны, а деформации представляют собой суперпозицию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. Поперечные сейсмические волн не образуют в среде объёмных изменений, движения частиц в них происходят перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. Скорость продольных Vp и поперечных Vs волн определяется формулами:

Vp= (k + 4/3m)/r, Vs= m/r,
где к - модуль всестороннего сжатия,
m - модуль сдвига,
r - плотность.
Скорость продольных волн примерно в 3 раз больше скорости поперечных волн. Волны Р и S распространяются из источника по объёму Земли (объёмные волны). Их амплитуда для однородной и изотропной среды убывает обратно пропорционально расстоянию от источника.
На границах раздела и других неоднородностях в Земле наблюдаются явления отражения, преломления и обмена типов сейсмических волн. Вблизи границ возникают и распространяются поверхностные волны Рэлея и Лява. Первые являются суперпозицией неоднородных продольных и поперечных сейсмических волн, вторые - только поперечных. Волны, Рэлея возникают в присутствии одной границы раздела (поверхности Земли), Лява - двух и более. В Земле скорость поверхностных волн меньше скорости поперечных волн и зависит от частоты. Амплитуда волн Рэлея и Лява убывает приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до источника.

Очень важны свойства разных групп и типов сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага (гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра землетрясения по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важны различия в скоростях отдельных групп и типов волн. Поверхностные волны распространяются медленнее объемных и, следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями. Очевидцы нередко «слышат» землетрясение в буквальном смысле слова. Продольные волны сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц) они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением.

15.08.2016

Вблизи поверхности Земли выделяются такие колебания грунта, которые проявляются только в верхних поверхностных слоях и быстро затухают в нижних глубоких слоях. Эти колебания, как уже отметили, называются поверхностными волнами. Рассмотрим частный случай распространения сейсмических волн в двухсредном пространстве, когда одна из сред поверхность Земли, а вторая атмосфера Земли (рис. 1.40). Так как плотность воздуха значительно меньше по сравнению с плотностью коры Земли, то ее можно считать равной нулю. Поэтому на линии z=0 не возникнут напряжения, т.е.

при z = 0 τzz = 0, τxz = 0 и τyz = 0

В этом случае все преломленные волны будут равны нулю. От падающей продольной P волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны. Аналогично от падающей SV волны будем иметь отраженные продольные P0 и отраженные поперечные S0 волны, а от падающей SH волны - только поперечную S0 волну.

На основании уравнений (1.78)-(1.84) соответственно будем иметь:
1. В случае падающей продольной волны P

которое подтверждает тот известный факт, что от падающей под прямым углом вертикальной продольной волны поперечные волны не отражаются, а амплитуды отраженной продольной волны равняются амплитуде падающей волны с обратным знаком. Иными словами, сжатие (разряжение) меняется на разряжение (сжатие).
2. В случае падающей поперечной волны SV

т.е. при вертикальном падении поперечной волны SV продольные волны не возникают, а амплитуды поперечных колебаний частиц поверхности Земли удваиваются.
3. В случае падающей поперечной волны SH со смещением вдоль оси у все упрощается:

Независимо от угла падения β, амплитуды колебаний на поверхности Земли удваиваются.
Волны Релея. Из предыдущих изложений вытекает, что распространение возмущений в изотропной однородной среде представляет собой суперпозицию двух волн со скоростями vp и vs. Если начальное возмущение ограничено в конечной области внутри тела, величины vp и vs являются единственно возможными скоростями распространения волн в бесконечной среде. Когда существуют свободные границы, возможны и другие скорости распространения. При этом появляются так называемые «поверхностные волны», по которым движение частиц происходит лишь в верхнем тонком слое Земли.

В конце XIX века известный физик Релей обнаружил специальные волны, распространяющиеся на поверхности полупространства (по поверхности Земли). Источниками этих волн являются объемные сейсмические волны P и SV, выходящие на поверхность Земли и отраженные от нее. Boлны Релея - это результат суперпозиции падающих и отраженных от поверхности Земли волн P и SV, распространяющихся с единой скоростью vL. Так как перемещения точек среды по волнам P и SV имеют взаимоперпендикулярные направления и по глубине Земли уменьшаются по экспоненту, то при распространении их суммы с единой скоростью vL траектория движения частиц должна быть эллиптической (рис. 1.41). Таким образом, задача сводится к выбору таких колебательных характеристик, уменьшающихся по глубине волн P и SV, чтобы их скорости по линии z=0 (на поверхности Земли) были одинаковыми.
Такая постановка задачи связана с рядом математических операций и физических предпосылок, на которых мы не останавливаемся. Заинтерисованным читателям рекомендуем обратиться к работе Е.Ф. Саваренского. В итоге компоненты горизонтальной и вертикальной волны Рэлея представляется в виде:

где ω - частота колебания, vL - скорость распространения волн Релея, А и В - некоторые постоянные, а через r и s обозначены:

Отметим только, принимая vp = √3vs, получается, что скорость распространения ноли Рэлея

а отношение вертикальных и горизонтальных полуосей эллиптической траектории движения частиц на поверхности Земли равно 1,46. Как видно из рис. 1.41, амплитуда с глубиной уменьшаются, причем это снижение особенно значительно по мере увеличения частоты колебания частиц. Это означает, что на скальных грунтах поверхностные волны Релея будут проникать на меньшую глубину Земли, чем на рыхлых грунтах. При этом скорость движения vL не зависит от частот колебания частиц ω. Отметим также, что поверхностные волны Рэлея при встрече с отдельными неровностями (горы, впадины) могут в свою очередь порождать поперечные и продольные объемные сейсмические волны.
Сам Рэлей заметил, что эти волны должны играть важную роль при землетрясениях, так как, распространяясь только в двух направлениях, они должны с удалением от источника приобретать все большее значение, чем обычные волны P и S. Иными словами, волны Релея с расстоянием меньше затухают и проходят большое расстояние. Записи сейсмограмм землетрясений подтвердили предположения Релея.
Краткие исторические сведения о сейсмических волнах . В заключение отметим, что теория возникновения и распространения сейсмических волн имеет длительную историю. Она прежде всего связана с развитием общей теорией упругости. После открытия закона Гука, вывода общего уравнения равновесия и колебаний Навье, экспериментов Френеля (показывающих, что свет состоит из поперечно-поляризованных волн), исследований Коши (о шести независимых компонентах напряжений и деформаций) Пуассон обнаружил два типа волн, которые мы знаем теперь как P и S волны, и на основе принятой им частной модели установил, что скорость P волн в раз больше скорости S-волн. До этих исследований считалось, что в безграничной сплошной среде могут распространяться только продольные волны. В 1906 году уже было хорошо известно о существовании волн сжатия и сдвига в твердом теле. Первая теоретическая сейсмограмма, рассчитанная Лэмбом в 1904 году от точечного импульсного источника, показала, что она состоит из трех последовательных импульсов, соответствующих Р, S и релеевской волнам и значительно проще зарегистрированных реальных сейсмограмм, которые имеют гораздо большую продолжительность. Как отмечено выше, амплитуды волн Рэлея с расстоянием уменьшаются медленнее. Они обладают свойством дисперсии, когда полны с разными частотами распространяются о разной скоростью. И по, по мнению ряда сейсмологов, является одной из причин длительности колебаний на сейсмограммах. Джеффрис (1931 г.) считал причину длительных колебаний на поверхности Земли в том, что они вызваны отраженниями первоначального импульса внутри приповерхностных слоев. Другими словами, в основе этого явления лежат рассеяния воли на неоднородностях среды на пути к поверхности Земли. В 1960 году благодаря исследованиям Х. Беньоффа, М. Юинга, Ф. Пресса и другими были получены качественные записи длиннопериодных сейсмических волн, которые показали, что для таких волн приповерхностные мелкомасштабные неоднородности не играют существенной роли и Земля ведет себя как эквивалентное однородное тело, т.е. к таким волнам приемлема простая модель Лемба.
Из краткого анализа следует, что свойство источника возбуждения сейсмических волн и физико-механические и геометрические характеристики среды их распространения оказывают существенное влияние на формирования реальных сейсмограмм, зарегистрируемых сейсмографами на поверхности Земли во время землетрясений.

Землетрясения - это подземные толчки и колебания земной поверхности.

Большей части России разрушительные землетрясения не угрожают - они происходят, главным образом, в горных районах, где земная кора более подвижна и неустойчива, так как горные хребты являются молодыми формированиями, поэтому в таких районах придается важное значение антисейсмическому строительству.

Разрушения зданий и сооружений вызываются как колебаниями почвы, так

Возникающие колебания распространяются в Земле, и, через основания, передаются на сооружения. Разрушительны и гигантские приливные волны (цунами), возникающие при сейсмических смещениях на морском дне. Опасны также и последствия землетрясений – паника, пожары, нарушение транспортного сообщения.

Ежегодно на Земле происходит до ста тысяч землетрясений, фиксируемых приборами; из них люди ощущают около десяти тысяч, причем примерно сто землетрясений приводят к большим землетрясениям, и, в среднем, одно землетрясение в год носит катастрофический характер.

Примером их возможной разрушительной силы может являться землетрясение, произошедшее в Японии 1 сентября 1923 г. Землетрясение охватило площадь около 56 тыс. км². В течение нескольких секунд были практически полностью уничтожены Токио, Йокогама, Йокосука и ещё 8 менее крупных городов. В Токио только пожаром было уничтожено свыше 300 тысяч зданий (из миллиона), в Йокогаме подземными толчками было разрушено 11 тысяч зданий и ещё 59 тысяч сгорело. Ещё 11 городов пострадали менее серьёзно. Из 675 мостов 360 было уничтожено огнём. Токио лишился всех каменных зданий, устоял только отель «Империал», возведенный за год до этого знаменитым Фрэнком Ллойдом Райтом. Этот отель был первым в Японии сейсмоустойчивым каменным зданием. Официальное число погибших — 174 тысячи, ещё 542 тысячи числятся пропавшими без вести, свыше миллиона остались без крова. Общее число пострадавших составило около 4 миллионов. Материальный ущерб, понесённый Японией от землетрясения Канто, оценивается в 4,5 миллиарда долларов, что составляло на тот момент два годовых бюджета страны.

Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы: «нормальные» — 33 — 70 км, «промежуточные» — до 300 км, «глубокофокусные» — свыше 300 км.

К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.

ПРИЧИНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Одной из причин землетрясений является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения.

Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.

При землетрясении в результате перемещения частиц горных пород возникают упругие волны, называемые сейсмическими. Они распространяются в поверхностных слоях Земли с огромной скоростью: продольные – от 5 до 8 км\сек, поперечные – от 3 до 5 км/сек.

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли — землетрясения.

Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн — длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Сила землетрясения, испытываемая сооружением, зависит от удаления и глубины очага, от геологии местности и гидрогеологии участка застройки.

ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЯ

Последствия землетрясений зависят от пространственной жесткости, размеров, формы и веса зданий, а также от количества и характера толчков. Наиболее опасны для зданий горизонтальные составляющие колебаний почвы, поскольку при землетрясении здания работают как вертикальный брус или пластина, консольно заделанные в грунт. Возникающие в районе эпицентра вертикальные сейсмические нагрузки более опасны для горизонтальных конструкций – перекрытий, карнизов и т.п.

Степень разрушения зданий и сооружений в одном сейсмическом районе может быть неодинаковой вследствие разных конструктивных типов сооружений, различного качества строительных материалов (к примеру, п ри одной и той же интенсивности землетрясения одни здания могут подвергнуться большим повреждениям, чем другие, если у них плохое сцепление камня с раствором) , специфики производства работ и характера оснований, (например, на слабых основаниях разрушения всегда больше, чем на прочных).

ОЦЕНКА И ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ И ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд (например, шкала Рихтера) и различные шкалы интенсивности.

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw). Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии.

Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в Европе — европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Японского метеорологического агентства (Shindo), в США и России — модифицированная шкала Меркалли (MM):

1 балл (незаметное) — отмечается только специальными приборами

2 балла (очень слабое) — ощущается только очень чуткими домашними животными и некоторыми людьми в верхних этажах зданий

3 балла (слабое) — ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика

4 балла (умеренное) — землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;

5 баллов (довольно сильное) — качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;

6 баллов (сильное) — легкое повреждение зданий: тонкие трещины в штукатурке, трещины в печах и т. п.;

7 баллов (очень сильное) — значительное повреждение зданий; трещины в штукатурке и отламывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах, повреждение дымовых труб; трещины в сырых грунтах;

8 баллов (разрушительное) — разрушения в зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Оползни и трещины шириной до нескольких сантиметров на склонах гор;

9 баллов (опустошительное) — обвалы в некоторых зданиях, обрушение стен, перегородок, кровли. Обвалы, осыпи и оползни в горах. Скорость продвижения трещин может достигать 2 см/с;

10 баллов (уничтожающее) — обвалы во многих зданиях; в остальных — серьёзные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озёра;

11 баллов (катастрофа) — многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Общее разрушение зданий;

12 баллов (сильная катастрофа) — изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.

Землетрясения силой в 6 баллов и менее не вызывают опасных повреждений, а землетрясения силой в 10 баллов и более настолько разрушительны, что противодействовать им обычными способами повышения сейсмостойкости не представляется возможным, а потому в районах, где вероятны такие землетрясения, строительство обычно не ведется. Следовательно, здания могут быть защищены от землетрясений силой 7-9 баллов. В районах с сейсмичностью в 9 баллов возведение сооружений первой категории сопровождается дополнительными антисейсмическими мероприятиями.

Не без использования материалов книги М. Бойко "Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий" и wikipedia.org