Землетрясения способом графических построений

 

Цель работы: 1) ознакомиться с теоретическими основами сейсмологии, терминами и физическими величинами, изучаемыми этой наукой; 2) определить местоположение эпицентра землетрясения способом графических построений.

Материалы и принадлежности: линейка, циркуль, микрокалькулятор.

Пояснения к работе

Под землетрясением понимают внезапное и резкое сотрясение участка земной коры, проявляющееся на поверхности Земли в виде толчков различной силы и обязанное своим происхождением геологическим факторам, действующим на некоторой глубине от земной поверхности.

Землетрясение является результатом скачкообразного освобождения энергии в некотором пространстве внутри Земли. В этом скачке разряжается напряжение, постепенное или резкое нарастание которого превысило сопротивление окружающей среды, что приводит к возникновению остаточной деформации в очаге, где произошла разрядка накопившегося напряжения. Скачкообразно освободившаяся энергия распространяется за пределы деформированного участка в виде упругих волн.

Пространство внутри Земли, в пределах которого происходит освобождение энергии и деформация, называется очагом землетрясения, а центр – гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром землетрясения. Расстояние от гипоцентра до эпицентра представляет собой глубину очага землетрясения. На рисунке 5.1 линия АЕ – эпицентральное расстояние, обозначаемое Δ; А F – расстояние до очага, обозначаемое R. Разность Δ и R незначительна для неглубоких толчков, а для глубоких расстояние между точками Е и В соответственно возрастает по мере увеличения R.

Рис. 5.1. Очаг и эпицентр землетрясения

 

Изучением землетрясений занимается специальная наука – сейсмология. Она изучает все сейсмические явления, относящиеся к землетрясениям. К ним относятся возникновение и распространение в земной коре упругих волн, передающих первоначальный толчок (взрыв, удар) при землетрясении, а также различные деформации, образующиеся внутри земной коры и на ее поверхности вследствие прохождения этих волн.

В зависимости от интенсивности сейсмические явления подразделяются на: микросейсмические – устанавливаемые только при помощи специальных приборов, макросейсмические – воспринимаемые органами чувств человека и мегасейсмические – сопровождающиеся разрушением искусственных сооружений и остаточными деформациями в земной коре и на ее поверхности.

Наибольшее значение при изучении землетрясений имеют два вида волн. Это так называемые первичные (продольные) Р- волны и вторичные (поперечные) S -волны, обозначаемые по порядку их прихода.

Продольная или Р -волна – это волна типа звуковой, имеющая максимальную скорость. При ее прохождении каждая частица породы перемещается вперед и назад вдоль направления движения волны. Таким образом, среда испытывает ряд сжатий и разряжений (рис. 5.2).

При прохождении поперечной, или S -волны, частицы перемещаются перпендикулярно к направлению, в котором она распространяется.

Скорость распространения этих волн неодинакова. Р -волны проходят около 8 км/с, а S -волны – лишь около 4,5 км/с. Это означает, что Р -волна приходит первой, а S -волна запаздывает. Чем дальше находится наблюдатель от очага землетрясения, тем больше будет интервал времени между приходами этих волн. Если распознать их на записи и измерить временной интервал между их приходами, легко установить расстояние до очага. Чем дальше произошло землетрясение, тем глубже проникнут волны в толщу земли и быстрее распространятся.

 

Рис. 5.2. Продольные и поперечные волны.

Если ударить по левому концу стрежня, изображенного слева вверху, нанести резкий удар, то вдоль него пройдет волна сжатия. Частицы перемещаются вперед и назад в направлении распространения волны, поэтому волна называется продольной. Удар сверху вниз, как показано справа, порождает поперечную волну, похожую на колебания веревки, которую раскачивают за один конец.

Первыми достигают земной поверхности продольные волны в эпицентре землетрясения, где их воздействие направлено снизу вверх по вертикали и сила удара максимальна. На поверхности эти волны возбуждают третий вид сейсмических волн – поверхностные или длиннопериодные волны, называемые волнами Лява (рис. 5.3) и волнами Релея (рис. 5.4).

Волны Лява – это поперечные колебания, которые похожи на S -волны, но происходят только в горизонтальной плоскости.

 

Рис. 5.3. Волна Лява                               Рис. 5.4. Волна Релея

 

Они распространяются вдоль поверхности Земли путем непрерывного последовательного отражения от верхней и нижней границ поверхностных слоев. У них нет вертикальной составляющей.

При возникновении волны Релея сначала происходит толчок в направлении распространения волны, затем движение вверх, назад, вниз и новый толчок. При движении волны частицы перемещаются по эллипсам вверх и назад по отношению к движению волны. Эти волны имеют значительную вертикальную составляющую.

Волны эти двух типов распространяются медленнее чем S -волны, причем волна Релея медленнее, чем волна Лява. 

Регистрация колебаний земной поверхности, вызванных прохождением сейсмических волн, производится при помощи приборов – сейсмографов и сейсмоскопов. Запись движения земной коры, произведенная с помощью сейсмографа, называется сейсмограммой (рис. 5.5). Сейсмограмма отражает амплитуду колебаний почвы и их частоту во времени.

Рис. 5.5. Запись удаленного землетрясения, полученная при помощи сейсмографа «Пресс Юнга»

 

Имея запись трех сейсмических станций, можно определить направление, по которому пришла волна, однако оценка направления менее точна, чем оценка расстояния. Чем дальше произошло землетрясение, тем большее влияние имеет на оценку положения очага даже незначительная погрешность в определении направления. Поэтому очаги землетрясений находят с использованием расстояний от нескольких станций, на которых был зарегистрирован толчок. Этот способ получил название метода засечек.

Метод засечек заключается в следующем: сейсмограмма каждой станции позволяет определить разность времени прихода различных фаз продольной Р- и поперечной S -волн (рис. 5.6).

На основании этой разности по годографу (график зависимости времени от расстояния) или по формулам можно определить эпицентральное расстояние. При далеких землетрясениях для определения эпицентрального расстояния применяется формула:

    (5.1),

Рис. 5.6. График зависимости интервала времени между приходом продольной Р -волны и поперечной S -волны от расстояния до очага землетрясения

 

где Δ – расстояние в мегаметрах (1 мегаметр – 1000 км); (S – P) – разность в минутах между прибытием продольных и поперечных волн.

Для близких землетрясений эпицентральное расстояние определяется по формуле

       (5.2),

где (L – P) – разность времени между прибытием поверхностных и продольных волн, мин.

Определяя эпицентральное расстояние для всех трех станций засечками на карте со стереографической сеткой, получают положение эпицентра. Для этого из точки на карте, соответствующей первой сейсмической станции, проводят окружность радиусом, равным ее эпицентральному расстоянию Δ₁, из точки второй станции – окружность радиусом Δ₂, и из третьей – Δ₃. Эпицентр будет находиться в точке пересечений трех окружностей. Но, окружности пересекаются не всегда строго в одной точке, так как при записях сейсмограмм имеют место микрошумы и влияет местное изменение времени распространения волн в разных частях страны. Допустимая погрешность ±10 км. Для достижения полной уверенности можно воспользоваться данными других станций.

 

Порядок выполнения работы

По заданному варианту (табл. 5.1) определить с помощью графика, изображённого на рисунке 5.6 расстояние до эпицентра землетрясения и вписать его в соответствующую ячейку таблицы 5.1. Далее на карте (рис. 5.7.), с отмеченными на ней сейсмическими станциями, способом засечек найти местоположение эпицентра землетрясения.

Таблица 5.1

№ варианта	Название станции	Интервал времени между приходом Р - и S -волн, с	Расстояние до эпицентра землетрясения, км
1	2	3	4
1	Веллингтон Тарата Тартаделе	17 14 16	- - -
1	2	3	4
2	Веллингтон Карапиро Тарата	17 25 14	- - -
3	Тартаделе Кобб-Ривер Каймата	16 26 44	- - -
4	Карапиро Кобб-Ривер Гисборн	25 26 29	- - -
5	Каймата Восточный Тартаделе	44 39 16	- - -
6	Гисборн Карапиро Восточный	29 25 39	- - -

 

Контрольные вопросы

1. Что изучает наука сейсмология?

2. Какова физическая сущность землетрясений?

3. Какие виды волн образуются при землетрясении?

4. Какие приборы применяются при регистрации сейсмических явлений и как осуществляется запись?

5. Для чего необходимо определять местоположение эпицентра землетрясения?

 

Рис. 5.7. Определение местоположения эпицентра для станций под номером: 1 – Веллингтон, 2 – Тарата, 3 – Тарадале, 4 – Карапиро, 5 – Кобб-Ривер, 6 – Гисборн, 7 – Мыс Восточный;

Каймата

 

Практическое занятие № 5а