В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 5
Текст из файла (страница 5)
4. Так, продольная волна, испущенная из очага в сторону от земнойповерхности, обозначается буквой P, а к земной p. После первого отражения отземной поверхности она может остаться продольной волной (обозначается PP)или перейти в поперечную волну (обозначается PS). Аналогичный смысл имеют волны S, SS и SP и т.д. Символ c употребляется для указания на отражениеволны от границы земного ядра. Так получаются фазы PcP, ScS, ScP и др. БукваK используется для обозначения отрезка пути волны (P-типа) во внешнем жидком ядре. Так, фаза PKS соответствует волне, которая стартовала как P-волна,18ScS(очаг)ps spPPsPSSKSsPcPPPSKPSPSKKSВнутр.ядроSSsPSЖидкое внешнееядроSKKPТвердаяоболочкаPKJKPSKPPKPPPPPPSPKIKPSSSsPcPSKKPРис. 4.
Обозначения лучей (фаз) в недрах Землипрошла во внешнее земное ядро снова как P-волна, а затем преломилась из ядрав мантию, перейдя при этом в волну S-типа и, уже не изменяясь, вышла наземную поверхность.Буквой i обозначают отражение волны вверх от границы внутреннего ядра,а буквы I и J обозначают участки пути волн P и S в твердом внутреннем ядреЗемли.
Так возникают фазы PKiKP, PKIKP, PKJKP. Годографы Джеффриса длянекоторых фаз показаны на рис. 5.На сейсмограммах выявлены сотни различных фаз, которые используютсяпри современных построениях моделей Земли. О чем говорят годографы рядапростейших фаз, показанные на рис. 5? Пусть сейсмограф расположен на эпицентральном расстоянии Δ = 60∘ . Первой он зарегистрирует прямую P-волну,затем волну PcP (P-волна, отраженная от земного ядра), далее на сейсмограммепоявится волна PP (продольная волна, один раз отразившаяся от поверхностиЗемли), за волной PP будет записана первая поперечная волна PcS (обменнаяволна, возникающая при отражении прямой P-волны от ядра Земли), наконец19Время, минуты40SS30PP20ScSPPcS10 PcPSP04080120Δ, градусы160Рис. 5.
Времена пробега как функции эпицентрального расстоянии (годографы) дляочага землетрясения, расположенного на земной поверхностиприходит прямая S-волна. Так как скорости P- и S-волн связаны приближенным соотношением vP = 1.7vS , то время пробега S-волн TP легко оценить по TP ,именно TS ∼ 1.1TP . Затем последовательно вступают поперечные волны ScS иSS, отраженные от ядра и поверхности Земли. На эпицентральных расстоянияхΔ > 80∘ прямые и отраженные волны P и PcP (S и ScS) становятся близкимии постепенно накладываются одна на другую. На эпицентральных расстоянияхΔ ≳ 103∘ пропадают прямые S- и P-волны. Это зона «тени» от земного ядра.Для продольных P-волн зона тени и механизм ее образования хорошо видны нарис.
1. Правда, в зоне тени наблюдается слабая дифрагированная вдоль границыземного ядра P-волна. Это «незаконная» волна, так как само явление дифракции связано с нарушением законов геометрической оптики, когда при огибаниипрепятствий сейсмические волны перестают распространяться вдоль лучей ипроявляется волновая природа сейсмических колебаний. Зона тени для прямыхP-волн протягивается до Δ ∼ 142∘ , когда впервые появляются волны PKP2, прошедшие через внешнее жидкое ядро.
Наконец, последний годограф, показанный20на рис. 5, — это фаза PKIKP — продольная волна, появляющаяся в зоне тениP-волн на эпицентральном расстоянии Δ ∼ 110∘ . Эта фаза обязана своим существованием твердому внутреннему ядру, сильные преломляющие свойствакоторого и «завернули» луч PKIKP в зону тени. Обнаружение этой «неожиданной» фазы на сейсмограммах в зоне тени привело в 1936 г. датского сейсмологамисс Леман к открытию внутреннего ядра Земли.До сих пор мы все свое внимание сосредоточили на объемных сейсмическихволнах, а о поверхностных волнах только упомянули. Поверхностные волнышироко используются для исследования наружных слоев Земли (коры, верхнеймантии).
Поверхностные волны, так же как и объемные, бывают двух типов:они получили название волн Рэлея и волн Лява. Эти волны были теоретическиизучены Рэлеем в 1885 г. и Лявом в 1911 г. На сейсмограммах все сейсмическиеволны были обнаружены в самом конце прошлого века, причем записи поверхностных сейсмических волн Лява оставались непонятными до опубликованиятеоретической работы Лява в 1911 г. В рэлеевской волне смещение частиц почвылежит в вертикальной плоскости, а сами частицы описывают эллипс, двигаясьпротив часовой стрелки. Движение частиц в волне происходит так, что они какбы накатываются на источник волны (рис.
6). В отличие от волн Рэлея, в волнахЛява смещение частиц происходит в горизонтальной плоскости перпендикулярно к направлению распространения волн. В поверхностных волнах величинасмещения максимальна на поверхности и быстро (экспоненциально) убывает сростом глубины. В связи с этим с помощью поверхностных волн можно эффективно изучать (зондировать) Землю до глубин, равных примерно одной трети ихдлины волны. Длины поверхностных волн, возбуждаемых при землетрясениях,лежат в интервале от десятков до многих сотен километров. Поэтому методомповерхностных волн можно исследовать наружные слои Земли толщиной в сотни километров.
Поверхностные волны от особо сильных землетрясений стольинтенсивны, что они по нескольку раз обегают вокруг земного шара. Такие интенсивные волны позволяют получать много информации о недрах планеты поизмерениям на небольшом числе приборов. Следовательно, они очень удобныпри сейсмических зондированиях на Луне и планетах. С помощью поверхностных волн получено много интересных результатов. Они позволили довольнодетально изучить расположение слоя пониженных скоростей в верхней мантииЗемли, строение земной коры континентального и океанического типов и ряддругих региональных деталей наружных слоев Земли.Наряду с объемными волнами при построении современных моделей Землииспользуются поверхностные волны и наблюдаемые значения периодов собственных колебаний Земли (см. гл.
3). Если скорости объемных волн практи2π(T — период), то скорости поверхностчески не зависят от частоты ω =T21ВертикальВертикальxxГоризонтальВолна РэлеяВолна ЛяваРис. 6. Смещения в поверхностных волнах Рэлея и Лява, x — направление распространения волнных волн, которые распространяются вдоль земной поверхности, обнаруживают заметную дисперсию. Это свойство поверхностных волн и используютдля изучения строения наружных слоев Земли. Поверхностные волны характеризуются двумя типами скоростей: фазовыми C и групповыми U , каждуюиз которых можно измерить экспериментально. Фазовая скорость определяетсякак скорость распространения монохроматической гармоники поверхностнойволны. При землетрясениях и взрывах большей частью возникают не монохроматические волны, а импульсы, представляющие собой группы волн — волновые пакеты.
Скорость переноса энергии таким волновым пакетом и называется групповой скоростью. При отсутствии дисперсии фазовая скорость не отличается от групповой, обе скорости просто равны. Зависимости фазовых C j (T ) игрупповых U j (T ) скоростей от периода поверхностной волны T называют дисперсионными кривыми. Индекс j указывает номер ветви (или, как часто говорят,моды) функций C j (T ) и U j (T ) поверхностной волны ( j = 1 — первая, или основная, мода, j = 2 — вторая мода и т.д.). В поверхностных волнах, принадлежащихк первой моде, смещение как функция глубины не имеет узлов, для второй модысмещение как функция глубины имеет один узел (т.е.
обращается в нуль и далеес ростом глубины меняет знак) и т.д. Изучение наружных слоев Земли основанона сравнении рассчитанных теоретически дисперсионных кривых для некоторых пробных моделей изучаемого региона Земли с полученными из наблюденийкривыми C j (T ) и U j (T ). В качестве примера на рис. 7 показаны дисперсионные кривые для континентального региона (Канадский щит). Мы видим, скольсильна дисперсия скоростей волн Лява и Рэлея, и это как раз и делает методповерхностных волн мощным средством изучения наружных слоев Земли.224.6RIILIRIIСкорость, км/с4.2LIIRILI3.8RI3.43.0020Период, с4060Рис. 7.
Дисперсионные кривые для континентального региона (Канадский щит)Мелкими точками и штрихами обозначены групповые скорости волн Рэлея и Лява, крупнымиточками и штрихами — соответствующие фазовые скорости. RI , LI относятся к первой моде волнРэлея и Лява, — ко второй моде волн Рэлея и Лява и т.д. Мощность коры до границы М — 35 кмСейсмология является важнейшим разделом геофизики. В сейсмологии всерезультаты получаются путем анализа записей сейсмических волн — сейсмограмм (рис.
8). Интересно дать ответ на следующий вопрос: почему записьсигнала на земной сейсмограмме (рис. 8,а) имеет протяженность порядка минут и десятка минут, а на лунной сейсмограмме (рис. 8,б) — несколько часов, хотя само событие — землетрясение, взрыв, удар отработанной ступениракеты-носителя о лунную поверхность — длится всего секунды или даже долисекунды? Интересно, что длина записи на лунной сейсмограмме вначале былавстречена как сенсация. Сейчас этот вопрос прояснился, и параллельно большаяясность достигнута в понимании земных сейсмограмм, хотя выяснение каждоговопроса шло своим путем.Если ударить в колокол, то все пространство вокруг наполнится звуком.По существу то же самое происходит и в Земле после землетрясения или искусственного взрыва; недра Земли заполняются «земным звуком» — сейсмическимиволнами.
Однако эта аналогия является не полной. После удара колокола звукот него расходится в виде продольных сферических волн, так как в воздухе (также как и в жидкости) поперечные волны звуковых частот не существуют. Волнаот колокола уходит в «бесконечность», и этим, собственно, дело и кончается.В случае возбуждения сейсмических волн ситуация более сложная. Прежде всего внешняя половина Земли твердая, и в ней при «ударе» возбуждаются как про23Рис. 8. Земная (а) и лунная (б) сейсмограммы, а — земная сейсмограмма, записанная на эпицентральном расстоянии Δ = 34∘ (3740 км), стрелками показаны вступленияпрямых P- и S-волн и начало записи поверхностных волн (L), после которых записываются рассеянные волны (кода); соответствующие времена пробега равны: TP = 6 мин40 с, TS ≈ 12 мин, TL ≈ 15 мин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
