Sejsmologia - Seismology
Część serii na |
Trzęsienia ziemi |
---|
Sejsmologia ( / s aɪ oo m ɒ l ə dʒ I , s aɪ s - / ; od starożytnego greckiego σεισμός ( seismós ) oznacza " trzęsienie ziemi " i -λογία ( -logía ) Znaczenie "studium") jest naukowe badanie trzęsienia ziemi oraz rozchodzenie się fal sprężystych przez Ziemię lub przez inne ciała podobne do planet. Dziedzina 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 wywnioskowania informacji dotyczących przeszłych trzęsień ziemi, jest paleosejsmologia . Zapis ruchu Ziemi w funkcji czasu nazywany jest sejsmogramem . Sejsmolog to naukowiec, który prowadzi badania w sejsmologii.
Historia
Zainteresowanie naukowe 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 pne ).
W 132 roku ne Zhang Heng z chińskiej dynastii Han zaprojektował pierwszy znany sejsmoskop .
W XVII wieku Athanasius Kircher twierdził, 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 na ziemi.
Lizbona trzęsienie ziemi z 1755 roku , co zbiegło się z ogólnym rozkwitu nauki w Europie, położony w ruchu nasiliły prób naukowych, aby zrozumieć zachowania i związku przyczynowego trzęsień ziemi. Najwcześniejsze odpowiedzi obejmują prace Johna Bevisa (1757) i Johna Michella (1761). Michell ustalił, że trzęsienia ziemi mają swój początek wewnątrz Ziemi i są falami ruchu spowodowanymi „przesuwaniem się mas skalnych na mile pod powierzchnią”.
Od 1857 r. Robert Mallet położył podwaliny pod sejsmologię instrumentalną i przeprowadzał eksperymenty sejsmologiczne z użyciem materiałów wybuchowych. Jest także odpowiedzialny za ukucie słowa „sejsmologia”.
W 1897 roku teoretyczne obliczenia Emila Wiecherta doprowadziły go do wniosku, że wnętrze Ziemi składa się z płaszcza z krzemianów, otaczającego rdzeń z żelaza.
W 1906 r. Richard Dixon Oldham zidentyfikował na sejsmogramach oddzielne przybycie 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 . Zazwyczaj określane jako „nieciągłości Moho” lub „Moho”, to jest granica między Ziemi „s skorupie i płaszczu . Definiuje ją wyraźna zmiana prędkości fal sejsmologicznych podczas przechodzenia przez zmieniającą się gęstość skał.
W 1910 roku, po zbadaniu trzęsienia ziemi w San Francisco z kwietnia 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 materiałów sprężystych iw matematyce.
W 1926 roku Harold Jeffreys jako pierwszy stwierdził, na podstawie swoich badań fal trzęsień ziemi, że poniżej płaszcza jądro Ziemi jest płynne.
W 1937 Inge Lehmann ustaliła, że w ciekłym zewnętrznym jądrze Ziemi znajduje się stałe jądro wewnętrzne .
W latach sześćdziesiątych nauka o Ziemi rozwinęła się do punktu, w którym wszechstronna teoria przyczyn zdarzeń sejsmicznych i ruchów geodezyjnych połączyła się w obecnie dobrze ugruntowaną teorię tektoniki płyt .
Rodzaje fali sejsmicznej
Fale sejsmiczne to fale sprężyste, które rozchodzą się w materiałach stałych lub płynnych. Można je podzielić na fale ciała, które wędrują przez wnętrze materiałów; fale powierzchniowe przemieszczające 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 fale poprzeczne lub wtórne (fale S ). Fale P to fale podłużne, które obejmują kompresję i rozszerzanie w kierunku ruchu fali i zawsze są pierwszymi falami pojawiającymi się na sejsmogramie, ponieważ są to najszybciej poruszające się fale w ciałach stałych. S fale są falami powierzchniowymi które poruszają się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się. Fale S są wolniejsze niż fale P. Dlatego pojawiają się później niż fale P na sejsmogramie. Płyny nie mogą wspierać poprzecznych fal sprężystych 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 miłości , które są czysto ścinające. Fale Rayleigha powstają w wyniku oddziaływania fal P i fal S o polaryzacji pionowej z powierzchnią i mogą występować w dowolnym ośrodku stałym. Fale miłości są tworzone przez poziomo spolaryzowane fale S oddziałujące z powierzchnią i mogą istnieć tylko wtedy, gdy nastąpi zmiana właściwości sprężystych wraz z głębokością w stałym ośrodku, 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 po pośrednich ścieżkach w celu interakcji z powierzchnią Ziemi. Ponieważ poruszają się one po powierzchni Ziemi, ich energia zanika wolniej niż fale ciała (1/odległość 2 vs. 1/odległość 3 ), a zatem drżenie wywołane przez fale powierzchniowe jest na ogół silniejsze niż fale ciała, a Pierwotne fale powierzchniowe są więc 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 przypowierzchniowej, i są znacznie słabsze w przypadku głębokich źródeł trzęsień ziemi.
Tryby normalne
Fale zarówno ciała, jak i powierzchni są falami biegnącymi; jednak duże trzęsienia ziemi mogą również sprawić, że cała Ziemia „zadzwoni” jak dźwięczny dzwon. Dzwonienie to jest mieszanką normalnych trybów o dyskretnych częstotliwościach i okresach trwających około godziny lub krócej. Ruch w trybie normalnym spowodowany bardzo dużym trzęsieniem ziemi można obserwować nawet przez miesiąc po zdarzeniu. Pierwsze obserwacje trybów normalnych poczyniono w latach 60. XX wieku, kiedy pojawienie się instrumentów o wyższej wierności zbiegło się z dwoma największymi trzęsieniami ziemi XX wieku: trzęsieniem ziemi w Valdivia z 1960 r. i trzęsieniem ziemi na Alasce z 1964 r . Od tego czasu normalne tryby Ziemi dały nam jedne z najsilniejszych ograniczeń w głębokiej strukturze Ziemi.
Trzęsienia ziemi
Jedna z pierwszych prób naukowych badań trzęsień ziemi nastąpiła po trzęsieniu ziemi w Lizbonie w 1755 roku. Inne znaczące trzęsienia ziemi, które przyczyniły się do znacznych postępów w nauce sejsmologicznej, to trzęsienie ziemi w 1857 r. , w San Francisco w 1906 r., trzęsienie ziemi na Alasce w 1964 r., trzęsienie ziemi na Sumatrze i Andamanie w 2004 r. oraz wielkie trzęsienie ziemi we wschodniej Japonii w 2011 r .
Kontrolowane źródła sejsmiczne
Fale sejsmiczne wytwarzane przez eksplozje lub źródła kontrolowane wibracją są jedną z podstawowych metod eksploracji podziemnej w geofizyce (obok wielu różnych metod elektromagnetycznych , takich jak polaryzacja indukowana i magnetotellurics ). Kontrolowanym źródłem seismology została wykorzystana do mapowania słupów solnych , antyklinami geologicznych i innych pułapek w naftowych olejowe skał , wady , rodzaje skał i długo zakopanych olbrzymich meteorytów kraterów . Na przykład, Krater Chicxulub , który został spowodowany przez wpływ, jaki został zamieszany w wyginięciem z dinozaurami , została zlokalizowana w Ameryce Środkowej, analizując ejecta na granicy kredy i paleogenu , a następnie fizycznie okazały się istnieć za pomocą map sejsmicznych z oliwek eksploracja .
Wykrywanie fal sejsmicznych
Sejsmometry to czujniki wykrywające i rejestrujące ruch Ziemi wynikający z fal sprężystych. Sejsmometry mogą być rozmieszczane na powierzchni Ziemi, w płytkich sklepieniach, w otworach wiertniczych lub pod wodą . Kompletny zestaw instrumentów, który rejestruje sygnały sejsmiczne, nazywany jest 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 umożliwia ostrzeżenia o tsunami , ponieważ fale sejsmiczne przemieszczają się znacznie szybciej niż fale tsunami. Sejsmometry rejestrują również sygnały ze źródeł innych niż trzęsienia ziemi, począwszy od eksplozji (jądrowych i chemicznych), poprzez lokalny hałas wywołany wiatrem lub działalnością antropogeniczną, aż po nieustanne sygnały generowane na dnie oceanu i wybrzeżach wywołane przez fale oceaniczne (globalny mikrosejsm ), po zjawiska kriosferyczne związane z dużymi górami lodowymi i lodowcami. Sejsmografy zarejestrowały ponadoceaniczne uderzenia meteorytów o energiach do 4,2 × 10 13 J (równoważne energii wyzwolonej przez eksplozję dziesięciu kiloton trotylu), podobnie jak szereg wypadków przemysłowych, bomb i zdarzeń terrorystycznych (pole badań określanych mianem sejsmologii sądowej ). Główną długoterminową motywacją globalnego monitoringu sejsmograficznego było wykrywanie i badanie testów jądrowych .
Mapowanie wnętrza Ziemi
Ponieważ fale sejsmiczne zwykle rozchodzą się skutecznie, gdy oddziałują z wewnętrzną strukturą Ziemi, zapewniają one wysokiej rozdzielczości nieinwazyjne metody badania wnętrza planety. Jednym z najwcześniejszych ważnych odkryć (zasugerowanym przez Richarda Dixona Oldhama w 1906 i ostatecznie wykazanym przez Harolda Jeffreysa w 1926) było to, że zewnętrzne jądro Ziemi jest płynne. 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 rdzeń zewnętrzny 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 wielkoskalowych obiektów, takich jak duże prowincje o niskiej prędkości ścinania w pobliżu granicy rdzeń-płaszcz .
Sejsmologia i społeczeństwo
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 zapewniający na czas ostrzeżenia o poszczególnych trzęsieniach ziemi został jeszcze opracowany, a wielu uważa, że taki system prawdopodobnie nie będzie dawał użytecznego ostrzeżenia o nadchodzących zdarzeniach sejsmicznych. Jednak bardziej ogólne prognozy rutynowo przewidują zagrożenie sejsmiczne . Takie prognozy szacują prawdopodobieństwo wystąpienia trzęsienia ziemi o określonej wielkości wpływającego na określoną lokalizację w określonym przedziale czasu i są rutynowo wykorzystywane w inżynierii trzęsień ziemi .
Publiczne kontrowersje wokół przewidywania trzęsienia ziemi wybuchły po tym, jak włoskie władze oskarżyły sześciu sejsmologów i jednego urzędnika państwowego o zabójstwo w związku z trzęsieniem ziemi o sile 6,3 w L'Aquila we Włoszech 5 kwietnia 2009 roku . Akt oskarżenia był powszechnie postrzegany jako akt oskarżenia o nieprzewidzenie trzęsienia ziemi i został potępiony przez Amerykańskie Stowarzyszenie Postępu Naukowego i Amerykańską Unię Geofizyczną . Akt oskarżenia twierdzi, że na specjalnym spotkaniu w L'Aquili tydzień przed trzęsieniem ziemi naukowcy i urzędnicy byli bardziej zainteresowani uspokojeniem ludności niż dostarczeniem odpowiednich informacji na temat zagrożenia i gotowości na trzęsienie ziemi.
Sejsmologia inżynierska
Sejsmologia inżynierska to nauka i zastosowanie sejsmologii do celów inżynierskich. Jest to ogólnie stosowane w gałęzi sejsmologii, która zajmuje się oceną zagrożenia sejsmicznego terenu lub regionu dla celów inżynierii trzęsień ziemi. Jest to zatem łącznik między naukami o Ziemi a inżynierią lądową . Istnieją dwa główne elementy sejsmologii inżynierskiej. Po pierwsze, badanie historii trzęsień ziemi (np. historyczne i instrumentalne katalogi sejsmiczności) i tektoniki w celu oceny trzęsień ziemi, które mogą wystąpić w regionie oraz ich charakterystyki i częstotliwości występowania. Po drugie, badanie silnych ruchów gruntu wywołanych przez trzęsienia ziemi, aby ocenić oczekiwane wstrząsy spowodowane przyszłymi trzęsieniami ziemi o podobnej charakterystyce. Te silne ruchy gruntu mogą być obserwacjami z akcelerometrów lub sejsmometrów lub symulowanymi komputerowo przy użyciu różnych technik, które są następnie często wykorzystywane do opracowania równań przewidywania ruchu gruntu (lub modeli ruchu gruntu) [1] .
Narzędzia
Instrumenty sejsmologiczne mogą generować duże ilości danych. Systemy przetwarzania takich danych obejmują:
- CUSP (przetwarzanie sejsmiczne Caltech-USGS)
- Oprogramowanie sejsmiczne RadExPro
- SeisComP3
Znani sejsmolodzy
- Aki, keiti
- Ambraseys, Nicholas
- Anderson, Don L.
- Piorun, Bruce
- Claerbout, Jon
- Dziewoński, Adam Marian
- Ewing, Maurice
- Galitzine, Boris Borisovich
- Gamburcew, Grigorij A.
- Gutenberg, Beno
- Hough, Susan
- Jeffreys, Harold
- Jones, Lucy
- Kanamori, Hiroo
- Keilis-Borok, Vladimir
- Knopoff, Leon
- Lehmann, Inge
- Macelwane, James
- Mallet, Robert
- Mercalli, Giuseppe
- Milne, John
- Mohorovičić, Andrija
- Oldham, Richard Dixon
- Omori, Fusakichi
- Sebastião de Melo, markiz Pombal
- Prasa, Frank
- Richards, Paul G.
- Richter, Karol Franciszek
- Sekiya, Seikei
- Sieh, Kerry
- Paul G. Srebrny
- Stein, Ross
- Tucker, Brian
- Vidale, John
- Wen, Lianxing
- Winthrop, John
- Zhang Heng
Zobacz też
- Astrosejsmologia – badanie oscylacji gwiazd (trzęsienia gwiazd)
- Krioseizm
- Geologia inżynierska – Zastosowanie geologii w praktyce inżynierskiej
- Drżenie harmoniczne
- heliosejsmologia
- Konsorcjum IRIS
- Mapa izosejsmiczna
- Liniowa inwersja sejsmiczna – Interpretacja danych sejsmicznych za pomocą modelu liniowego
- Sejsmologia księżycowa – badanie ruchów Księżyca na ziemi
- Trzęsienie Marsa
- Trzęsienie (zjawisko naturalne) – ogólnie drżenie powierzchni ciał międzygwiazdowych
- Interferometria sejsmiczna
- Obciążenia sejsmiczne
- Migracja sejsmiczna
- Hałas sejsmiczny
- Analiza sejsmiczna wydajności
- Seismite – Osad/struktura wstrząsana sejsmicznie
- Sejsmo-elektromagnetyka
- Sejsmotektonika
Uwagi
Bibliografia
- Allaby, Ailsa; Allaby, Michael, wyd. (2003). Oxford Dictionary of Earth Sciences (druga red.). Wydawnictwo Uniwersytetu Oksfordzkiego .
- Ben-Menahem, Ari (1995), „Zwięzła historia sejsmologii głównego nurtu: początki, dziedzictwo i perspektywy” (PDF) , Biuletyn Amerykańskiego Towarzystwa Sejsmologicznego , 85 (4): 1202-1225
- Kąpiel, M. (1979). Wprowadzenie do sejsmologii (druga, poprawione wyd.). Bazylea: Birkhäuser Bazylea. Numer ISBN 9783034852838.
- Davison, Karol (2014). Założyciele sejsmologii . Numer ISBN 9781107691490.
- Ewing, WM; Jardetzky, WS; Prasa, F. (1957). Elastyczne fale w mediach warstwowych . McGraw-Hill Book Company .
- Gubbins, David (1990). Sejsmologia i tektonika płyt . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . Numer ISBN 978-0-521-37141-4.
- Hall, Stephen S. (2011). „Naukowcy na rozprawie: wina?” . Natura . 477 (7364): 264-269. Kod Bibcode : 2011Natur.477..264H . doi : 10.1038/477264a . PMID 21921895 . S2CID 205067216 .
- Kanamori, Hiroo (2003). Przewidywanie trzęsień ziemi: przegląd (PDF) . International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology. 81B . Międzynarodowe Stowarzyszenie Sejsmologii i Fizyki Wnętrza Ziemi. s. 1205-1216. Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 24.10.2013.
- Lay, Thorne, wyd. (2009). Sejsmologiczne Wielkie Wyzwania w Zrozumieniu Systemów Dynamicznych Ziemi (PDF) . Raport do Narodowej Fundacji Nauki, konsorcjum IRIS.
- Schulte, Piotr; Laia Alegret; Ignacio Arenillas; José A. Arz; Penny J. Barton; Paul R. Bown; Timothy J. Bralower; Gail L. Christeson; Filipa Claeysa; Charles S. Cockell; Garetha S. Collinsa; Aleksander Deutsch; Tamara J. Goldin; Kazuhisa Goto; José M. Grajales-Nishimura; Richard AF żałoba; Sean PS Gulick; Kirka R. Johnsona; Wolfganga Kiesslinga; Christiana Koeberla; David A. Kring; Kennetha G. MacLeoda; Takafumi Matsui; Sójka Melosha; Alessandro Montanari; Joanna V. Morgan; Clive R. Neal; Douglas J. Nichols; Richarda D. Norrisa; Elisabetta Pierazzo; Grega Ravizzy; Mario Rebolledo-Vieyra; Wilk Uwe Reimold; Erica Robina; Tobiasza Salge; Roberta P. Speijera; Arthur R. Sweet; Jaime Urrutia-Fucugauchi; Vivi Vajda; Michaela T. Whalena; Pi S. Willumsen (5 marca 2010). „Uderzenie asteroidy Chicxulub i masowe wymieranie na granicy kredy i paleogenu” . Nauka . 327 (5970): 1214-1218. Kod Bibcode : 2010Sci...327.1214S . doi : 10.1126/science.1177265 . ISSN 1095-9203 . PMID 20203042 . S2CID 2659741 . Źródło 5 marca 2010 .
- Kombajn, Peter M. (2009). Wprowadzenie do sejsmologii (druga red.). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . Numer ISBN 978-0-521-70842-5.
- Stein, Set; Wysesja, Michael (2002). Wprowadzenie do sejsmologii, trzęsień ziemi i budowy Ziemi . Wileya-Blackwella . Numer ISBN 978-0-86542-078-6.
- Wen, Lianxing; Helmberger, Donald V. (1998). „Strefy ultra-niskiej prędkości w pobliżu granicy rdzeń-płaszcz z szerokopasmowych prekursorów PKP” (PDF) . Nauka . 279 (5357): 1701-1703. Kod Bib : 1998Sci...279.1701W . doi : 10.1126/science.279.5357.1701 . PMID 9497284 .
Zewnętrzne linki
- Europejsko-Śródziemnomorskie Centrum Sejsmologiczne , strona informacyjna o trzęsieniach ziemi w czasie rzeczywistym.
- Amerykańskie Towarzystwo Sejsmologiczne .
- Inkorporowane instytucje badawcze dla sejsmologii .
- Program zagrożeń trzęsieniem ziemi USGS .
- Krótka historia sejsmologii do 1910 (UCSB ERI)