Unde seismice

Valuri ale corpului și valuri de suprafață

Undele seismice sunt unde care se propagă pe tot globul generate de un cutremur , de activitatea vulcanică sau artificial de către om printr-o explozie sau o altă formă de energizare a solului. Sunt unde mecanice care exploatează proprietățile elastice ale mediului material pentru propagarea lor ( unde elastice ). Astăzi, odată cu rafinamentul sensibil al instrumentației geofizice , s-a descoperit că undele seismice, cu o scară mult mai mică, sunt, de asemenea, generate în mod continuu de vânt și de pulsarea undelor oceanice .

Descriere

O undă poate fi definită ca o perturbare elastică care se propagă de la punct la punct printr-un material sau pe suprafața acestuia fără a implica o deplasare definitivă a materialului. Cu excepția apropierii imediate a unei surse seismice naturale, de obicei o defecțiune , rocile revin la poziția lor inițială, după trecerea mișcărilor tranzitorii produse de aceeași sursă. Vibrațiile de acest tip produc mici deformări elastice , ca răspuns la forțele care acționează în interiorul rocilor ( stres ).

Teoria elasticității liniare oferă relații matematice pentru a descrie, prin deformări și solicitări, mișcarea materialului (denumită incorect sol sau sol) cauzată de o sursă seismică. Aplicate condițiile limită dreapta, astfel de mișcare poate fi descrisă prin funcții oscilante ale timpului ( unde ).

Condiții de frontieră

În studiul unui mediu solid , un concept extrem de util este cel de continuu ; materia este descrisă ca fiind distribuită continuu în spațiu și omogen de -a lungul celor trei dimensiuni. Seismologia are în vedere și fenomenele care produc mici deformări (modificări relative de lungime de aprox $10^{-6}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 6}}$ $10 ^ {{- 6}}$ ) au apărut în perioade scurte de timp (de obicei mai puțin de 1 oră ). În acest fel este posibil să aplicăm teoria deformării infinitesimale la descrierea fenomenelor noastre, simplificând considerabil matematica problemei.

Tipuri de valuri

Diagrama propagării diferitelor tipuri de unde seismice

Unde seismice

Undele seismice naturale sunt împărțite în principal în două mari categorii, în funcție de modul în care se deplasează prin materialul perturbat:

Undele volumice ( unde corporale în engleză)
- Valuri P
- Valuri S
Undele de suprafață ( unde de suprafață în engleză)
- Undele Rayleigh
- Valuri de dragoste

Undele de volum

Seismograme direcționate, cu componentele tridimensionale ale sosirii undelor P și S înregistrate, de-a lungul direcțiilor orizontale Nord-Sud și Est-Vest și Verticale până la suprafața pământului

Undele de volum sunt acele unde care se propagă de la sursa seismică, prin volumul mediului în cauză, în toate direcțiile. Analiza matematică a ecuației undei arată că există două tipuri de unde volumice generate simultan de sursa seismică, numite respectiv:

Valul P.
Valuri

Unde P (primare)

Undele P sunt unde de compresie , numite și unde longitudinale sau unde primare. Acestea sunt similare undelor acustice și corespund compresiilor și rarefacțiilor mediului în care se deplasează; în timp ce trec, particulele materialului încrucișat fac o mișcare oscilatorie în direcția propagării undelor. Acestea sunt cele mai rapide dintre valurile generate de un cutremur și, prin urmare, primele care sunt resimțite de o stație seismică , de unde și numele de Val P (Primar). Viteza undei este determinată de ecuația :

V_{p}={\sqrt {\frac {\lambda +2\mu }{\rho }}}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}\mu }{\rho }}}

{\ displaystyle V_ {p} = {\ sqrt {\ frac {\ lambda +2 \ mu} {\ rho}}} = {\ sqrt {\ frac {K + {\ frac {4} {3}} \ mu } {\ rho}}}}

V_ {p} = {\ sqrt {{\ frac {\ lambda +2 \ mu} {\ rho}}}} = {\ sqrt {{\ frac {K + {\ frac {4} {3}} \ mu } {\ rho}}}}

cu:

$λ$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ Și $μ$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ constantele lui Lamé ;
- În special $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ este modulul de rigiditate sau modulul de forfecare G al materialului, raportul dintre tensiunea tangențială și alunecarea produsă de acesta;
$K.$ ${\ displaystyle K}$ $K.$ modulul de compresibilitate al materialului traversat de val;
- În special în spațiul tridimensional $K=\lambda +(2/3)\mu$ ${\ displaystyle K = \ lambda + (2/3) \ mu}$ $K = \ lambda + (2/3) \ mu$ ;
$\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ densitatea materialului traversat de val.

Acestea sunt undele utilizate în mod normal în timpul campaniilor seismice în scopuri exploratorii, atât în refracție, cât și în reflexia seismică; se mai numesc și unde de presiune.

Undele P plane
Undele P sferice

Unde S (secundare)

Undele S sunt unde transversale care provoacă oscilații în materialul traversat perpendicular pe direcția lor de propagare. Poate fi imaginat ca undele care se propagă de-a lungul unui șir de lungime finită, care este făcut să oscileze prin mișcarea celor două capete ale sale.
O caracteristică importantă a acestor unde este că nu se pot propaga în medii fluide, unde modulul de rigiditate ( $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ ) este nul. Prin urmare, nu este posibil să le găsim în magma prezentă în rezervorul magmatic al unui vulcan sau în miezul exterior al pământului. Această caracteristică a fost în mod istoric foarte importantă pentru studiile geofizice privind compoziția adâncimii pământului. Viteza undelor S este determinată de ecuația:

V_{s}={\sqrt {\frac {\mu }{\rho }}}

{\ displaystyle V_ {s} = {\ sqrt {\ frac {\ mu} {\ rho}}}}

V_ {s} = {\ sqrt {{\ frac {\ mu} {\ rho}}}}

cu:

$\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ rigiditatea sau modulul de forfecare al materialului;
$\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ densitate.

Comparând cele două ecuații vedem că viteza undelor S este în mod necesar mai mică decât viteza undelor P (deoarece modulul de incompresibilitate k este întotdeauna pozitiv în ecuația celor din urmă); ating viteze care sunt de obicei în jur de 60-70% din viteza undelor P. Acesta este motivul pentru care sunt întotdeauna resimțite după undele P (de unde denumirea undelor S ca secundare).

Undele S sunt unde de rotație și pot fi polarizate în funcție de anizotropia mediului prin care trec. Alte unde S sunt generate de incidența undelor P pe interfața existentă la contactul dintre două medii cu viteze acustice diferite (de exemplu la contactul dintre două straturi de litologie diferită), printr-o conversie parțială a energiei P în unde S .

S undele plane
Undele S sferice

Undele de suprafață

Undele de suprafață (sau undele de suprafață ) sunt create datorită intersecției undelor corpului cu o suprafață de discontinuitate fizică, dintre care cea mai studiată este suprafața liberă a pământului , adică suprafața de separare între scoarța terestră și atmosfera terestră. Aceste unde se propagă ghidate de-a lungul suprafeței și energia lor se descompune exponențial cu adâncimea (de aceea sunt numite superficiale). Aceste unde sunt ușor induse în situații în care sursa seismică este superficială. Trebuie subliniat faptul că, în cazul unui cutremur, numai undele P și S sunt generate direct în hipocentrul seismic, deoarece acestea sunt undele corpului care se propagă în interiorul Pământului, prin straturile sale, dar nu sunt generate în mod direct.

Viteza undelor de suprafață este mai mică decât viteza undelor de volum, astfel încât (mai ales dacă evenimentul este îndepărtat) sosirea lor este ulterioară sosirii undelor P și S. Pe de altă parte, amplitudinea și, prin urmare, energia acestor unde este considerabil mai mare decât cea a undelor de volum. Acest fapt se explică prin analiza fronturilor de undă ale undelor de volum și ale undelor de suprafață. Să luăm în considerare o undă de volum care este eliberată din cauza unui eveniment seismic; aceasta va avea o anumită cantitate de energie care tinde să fie conservată în timp, totuși, pe măsură ce ne îndepărtăm, energia va fi distribuită pe o suprafață sferică din ce în ce mai largă, dată de creșterea distanței față de hipocentru. Undele P și S sunt unde volumice, deci urmează schema descrisă mai sus; suprafața sferică este dată de $4\pi x^{2}$ ${\ displaystyle 4 \ pi x ^ {2}}$ $4 \ pi x ^ {{2}}$ , unde x este raza sferei și, prin urmare, distanța trenului de undă considerat de la hipocentr. Amplitudinea undelor de volum la distanța X este proporțională cu $X^{-2}$ ${\ displaystyle X ^ {- 2}}$ $X ^ {{- 2}}$ și, prin urmare, se descompune foarte repede. Undele de suprafață, pe de altă parte, au trenuri de unde cilindrice care, pe măsură ce distanța de la hipocentru crește, aria lor crește în funcție de relația $2\pi xz$ ${\ displaystyle 2 \ pi xz}$ $2 \ pi xz$ . Se observă că aria cilindrului este limitată la o adâncime constantă z și pe măsură ce raza crește, suprafața este mai mică decât cea a unei sfere. Amplitudinea undei de suprafață la distanța X trebuie să fie proporțională cu $1/X$ ${\ displaystyle 1 / X}$ $1 / X$ deci disipează mult mai puțin decât o undă de volum.

Există două tipuri de unde de suprafață, numite după cei doi fizicieni care le-au studiat prima dată:

Undele Rayleigh

Când o undă S împreună cu o undă P lovește suprafața liberă, acestea sunt parțial reflectate și se generează o altă undă, dată de compoziția vectorială a celor două, care se propagă pe suprafața însăși, numită undă Rayleigh .

Aceste unde există atât în jumătăți omogene (în acest caz viteza sa este de aproximativ 0,92 ori viteza undelor S), cât și neomogene (în care pare a fi o undă dispersată , adică viteza sa este, de asemenea, o funcție a frecvenței sale) . Pentru a le vizualiza mai bine ne putem imagina undele Rayleigh ca fiind foarte asemănătoare cu cele create de aruncarea unei pietre în iaz, provocând astfel o scuturare sau o scuturare pe suprafața apei. Mișcarea lor este constrânsă într-un spațiu vertical care conține direcția de propagare a undelor.

Se poate arăta că dacă mișcarea unei particule lovite de o undă Rayleigh aproape de suprafață ar putea fi măsurată direct, aceasta ar urma o mișcare eliptică, retrogradă în funcție de direcția de propagare a undei. Aceste elipse sunt din ce în ce mai mici pe măsură ce crește adâncimea. Punctele de contact dintre o elipsă și elipsa inferioară sunt noduri ale funcției, unde solul nu se mișcă.

Undele Rayleigh nu pot fi auzite de oameni, în timp ce multe animale (păsări, păianjeni și multe mamifere) pot avertiza despre sosirea lor. Cu ocazia tsunami-ului din Oceanul Indian , s-a spus de multe surse că animalele prezente în acel loc s-au putut salva datorită faptului că au simțit că cutremurul sosește în acest fel. Cu toate acestea, în prezent nu există dovezi ale acestui fapt.

Valuri de dragoste

Undele Iubirii sunt unde de suprafață, generate și de întâlnirea undelor S cu suprafața liberă a solului, dar sunt generate numai în mijloacele în care viteza undelor S crește odată cu adâncimea (prin urmare, suntem în prezența unui mediu neomogen) și, prin urmare, acestea sunt întotdeauna unde dispersate . Valurile Iubirii fac ca solul să vibreze pe plan orizontal într-o direcție ortogonală față de direcția de propagare a undei.

Viteza undelor Love este mai mare decât cea a undelor S din straturile mai superficiale ale scoarței, dar mai mică decât cea a undelor S din straturile inferioare.

Undele asimetrice (artificiale)

În tehnicile de exploatare forestieră pentru explorarea subsolului cu forarea puțurilor, se utilizează unde speciale (unde flexionale), produse de emițătoare adecvate, care se deplasează asimetric de-a lungul peretelui găurii. Aceste unde numite unde dipolare sau quadripolare, în funcție de forma lobilor lor de energie, au caracteristica de a se deplasa la viteza undelor S atunci când sunt generate la frecvențe joase și de a fi polarizabile, de-a lungul a două planuri normale între ele și trecând de-a lungul axa găurii, făcând posibilă evaluarea și orientarea oricăror anizotropii acustice ale formațiunilor stâncoase traversate.

Studiul undelor seismice

Viteza undelor seismice

Viteza de propagare a acestor unde depinde atât de tipul de undă, cât și de mediul de propagare, dar este întotdeauna maximă pentru undele P. De exemplu, în granit viteza de propagare a undelor P este de aproximativ 5,5 km / s, cea a S valurile sunt de 3,0 km / s, în timp ce în apă viteza undelor P este de aproximativ 1,5 km / s. Pe de altă parte, undele S, așa cum am văzut deja, nu se pot propaga în medii fluide.

Raportul Vp / Vs este constant și caracteristic pentru fiecare tip de material. Prin urmare, viteza variază pe măsură ce variază materialul trecut.

Atenuare

În general, atenuarea energiei undelor seismice este de obicei pătratică cu distanța pentru atenuarea izotropă a undelor în spațiu plus un termen exponențial negativ cu distanța pentru atenuarea specifică datorită absorbției mediului de propagare în cauză. Solurile stâncoase coerente absorb mai multe frecvențe ale cutremurului decât solurile incoerente care, în schimb, tind să amplifice mișcarea telurică prin rezonanță . Aceste efecte ale amplasamentului trebuie luate în considerare la proiectarea clădirilor prin analize geotehnice atente ale solului de fundație și studii de microzonare seismică .

Studiul undelor seismice pe Pământ

Același subiect în detaliu: Sismologia .

Studiul propagării undelor seismice în interiorul Pământului a permis seismologilor, geofizicienilor și geologilor să urmărească structura internă a Pământului cu o bună precizie; aceasta reprezintă, împreună cu studiul cutremurelor, unul dintre principalele obiective ale seismologiei moderne.

Studiul undelor seismice în testele atomice din timpul războiului rece

Analizând o seismogramă este ușor să trasezi tipul sursei seismice care a generat-o și să cunoști toate caracteristicile necesare pentru a o identifica cu precizie. Acest lucru face posibilă distincția cu ușurință a unui cutremur generat de o mișcare tectonică , o alunecare de teren, un vulcan sau o explozie. Un mare impuls pentru studiul seismogramelor a avut loc în anii războiului rece, în contextul cercetărilor militare. De fapt, în această perioadă era necesar ca ambele părți opuse ( SUA și URSS ) să cunoască exact puterea arsenalului de război nuclear al inamicului. Pe de altă parte, într-o politică de echilibru, a fost necesar, de asemenea, din partea ambelor blocuri, să se anunțe inamicul că au la dispoziție arme din ce în ce mai puternice. De mulți ani, prin urmare, au fost efectuate teste nucleare (atât subterane, cât și în atmosferă) a căror intenție a fost, de asemenea, (pe lângă studiul armei atomice) politică, de fapt, fiecare explozie a fost un mesaj clar pentru inamic pe puterea și locul exploziei.

Bibliografie

( EN ) Aki K. și Paul G. Richards, Seismologie cantitativă , New York, Freeman, 1980, ISBN 978-18-91-38963-4 .
(EN) Lay Thorne și Terry C. Wallace, Modern Global Seismology, Academic Press, 1995, ISBN 978-01-27-32870-6 .
(EN) Robert E. Sheriff, Dicționar enciclopedic de explorare a geofizicii, Tulsa, Society of Exploration Geophysicists, 1984 ISBN 978-09-31-83031-0 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe unde seismice

linkuri externe

( EN ) Undele seismice / Undele seismice (altă versiune) , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( RO ) Pagină cu animații ale unor valuri tratate în acest articol , pe kettering.edu . Adus la 27 ianuarie 2006 (arhivat din original la 21 februarie 2009) .
Amintește de teoria propagării undelor seismice ( PDF ), pe people.dicea.unifi.it .

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 37556 · LCCN (EN) sh85119630 · BNE (ES) XX528676 (data)

Portalul Științelor Pământului : Accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu Științele Pământului