Сейсмология и ее вклад в изучение строения Земного шара

Сейсмология (от др.-греч. σεισμός — (земле)трясение и λόγος — слово, речь) — наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр. Сейсмология – это наука, занимающаяся измерениями и анализом всех движений, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твёрдой Земли.

 

Основная задача сейсмологии  состоит в изучении внутреннего  строения Земли. Поэтому очень важно  знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся  в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих  волн, возбуждаемых при землетрясениях.

 

Землетрясения можно рассматривать  как специфические колебательные  движения земной коры, характеризующиеся  небольшой длительностью периодов (от десятков минут для собственных  колебаний Земли до долей секунд). Под сейсмичностью подразумевается  географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности  и распределение по магнитудам (или  энергиям).

 

 

 

Сейсмотерминология — свод наиболее важных терминов и понятий, используемых в практике антисейсмического проектирования энергетического оборудования и трубопроводов атомных и тепловых электростанций.

Антисейсмическое проектирование — комплекс специальных технических  мероприятий, направленных на обеспечение  сейсмостойкости вновь проектируемых  или реконструируемых энергетических объектов.

Сейсмостойкость энергетического  объекта — способность его  конструкции сохранять в определенной мере сейсмопрочность, сейсмоустойчивость (стойкость к опрокидыванию, смещению, формоизменению), герметичность, работоспособность и безопасность для персонала и населения во время и после землетрясения.

Землетрясение — колебание  земной поверхности, вызванное образованием очага высвобождения энергии  деформации в некоторой зоне земной коры.

Интенсивность землетрясения  — мера его воздействия на объекты, выражаемая баллами сейсмической шкалы  в зависимости от степени разрушения типовых зданий и сооружений, ощущений очевидцев, изменений земной поверхности. Наряду с этим интенсивность может  быть выражена и кинематическими  параметрами землетрясения (например, ускорением).

Сейсмичность — статистическое распределение интенсивности землетрясения  на выделенной территории в зависимости  от его повторяемости и наличия  возможных очагов; она устанавливается  ведомственными картами сейсмического  районирования, а также сейсмического  микрорайонирования площадок строительства.

Сейсмовоздействие — колебательное принудительное движение условной платформы (основания), сообщающей закрепленному на ней объекту переносное (во внешней неподвижной системе отсчета) ускорение, заданное акселерограммами в общем случае в трех ортогональных направлениях движения.

Сейсмическая нагрузка (сейсмонагрузка)  — динамическая нагрузка объекта, возникающая при сейсмовоздействии; представляется инерционными силами и моментами, вызываемыми переносными и относительными ускорениями объекта при колебаниях.

Акселерограмма землетрясения — запись во времени однокомпонентного процесса изменения ускорения (в виде графика или оцифровки) для фиксированного направления: север-юг (N-S), запад-восток (W-E), вертикали (V). Угловые ускорения не фиксируются и не рассматриваются.

Аналоговая акселерограмма (АА) — акселерограмма прошедшего землетрясения, используемая в антисейсмическом проектировании, как правило, с нормированной интенсивностью и выделенной значимой областью.

Синтезированная акселерограмма (СА) — искусственно созданный процесс изменения ускорения во времени, отображающий обобщенные спектральные свойства ряда АА. Например — Модель сейсмического воздействия "СА-482".

Ответная акселерограмма (ОА) — запись ускорения определенной точки, уровня, этажа объекта в ходе расчетного анализа его колебаний. Разновидностью ОА являются поэтажные акселерограммы (ПА) здания или сооружения.

Спектр ответа (СО)  — совокупность значений (график, семейство графиков, таблица) абсолютных максимальных ответных ускорений одномассовой колебательной системы (сейсмоосциллятора) при воздействии акселерограммы, определенных в зависимости от собственной частоты и уровней демпфирования осциллятора. Разновидностью СО являются поэтажные спектры ответа (ПСО) для зданий и сооружений.

Спектр коэффициентов  динамичности (СКД)  — безразмерный СО, полученный делением всех его значений на абсолютное максимальное ускорение акселерограммы.

Обобщенный спектр ответа (ОСО)  — обобщенная совокупность ряда спектров ответа, отражающая наиболее важные объединяющие их свойства. Аналогичное  понятие — обобщенный СКД.

Статический метод расчета  сейсмостойкости — метод задания  сейсмической нагрузки по распределению  массы объекта, выбранному масштабу и направлению постоянного ускорения.

Линейно-спектральный метод (ЛСМ) расчета сейсмостойкости —  метод определения сейсмической нагрузки с использованием спектра  ответа (СО, ОСО, ПСО), а также значений собственных частот и форм колебаний  объекта.

Метод динамического анализа (МДА) сейсмостойкости — метод  численного интегрирования уравнений  движения системы (математической модели объекта) при сейсмическом воздействии, заданном акселерограммами (АА, СА, ПА).

Собственная частота колебаний  — число колебательных циклов, совершаемых динамической системой за секунду в процессе ее свободных  колебаний по одной из собственных  форм (циклических взаимосогласованных  перемещений). Последние определяются распределением в системе характеристик  жесткости и инерции, ее динамических степеней свободы.

Относительное демпфирование  — безразмерный коэффициент, показатель, параметр (обычно обозначаемый символом «k» ), характеризующий уровень диссипации (рассеяния) энергии колебательной системы за счет внутреннего трения в ее циклически деформируемых упругих связях. Альтернативный ему параметр демпфирования — логарифмический декремент колебаний, обозначаемый, например, символом " d " , — соотносится с параметром «k» следующим образом: k = d/6 (точное значение — d/2π).

Производная сейсмограмма —  запись сейсмоперемещений во времени, полученная двойным численным интегрированием акселерограммы при корректировке (установлении) нулевой линии перемещений. Такие сейсмограммы отличаются от инструментальных сейсмограмм, записанных на сейсмографах, значительными (до десятков и даже более сотни сантиметров) размахами перемещений, на регистрацию которых не рассчитан ни один сейсмограф. Обратным численным дифференцированием производной сейсмограммы получают скорректированную в области сверхнизких частот спектра ответа акселерограмму, позволяющую корректно рассчитывать подвесные низкочастотные системы (котлы, грузы на стропах, сейсмоизоляционные платформы) и скользяще-катящиеся объекты.

Проектное землетрясение (ПЗ)  — землетрясение заданной сейсмичности со средней повторяемостью один раз  в 100 лет.

Максимальное расчетное  землетрясение (МРЗ)  — особо мощное землетрясение со средней повторяемостью один раз в 10 000 лет; обычно превосходит  ПЗ по интенсивности в два раза при аналогичных спектральных характеристиках (масштабированное ПЗ).

 

 

 Вместе с отмеченными  выше основными понятиями и  терминами в антисейсмическом  проектировании могут применяться  и другие, более простые понятия,  не требующие раскрытия их  смысла и четких определений.  К таким терминам можно отнести:

сейсмоускорение (ускорение при сейсмических колебаниях);

сейсмоперемещение и сейсмоскорость;

сейсморасчеты (расчеты на сейсмическое воздействие);

сейсмонагружение;

сейсмозащита;

другие варианты технических  понятий с приставкой «сейсмо».

Сейсмика

 

Особо следует отметить часто  употребляемый в разных контекстах термин «сейсмика». Он объединяет в  себе все то, что, так или иначе, имеет отношение к землетрясениям и сейсмостойкости, а более всего  — к геоакустике (сейсмометрия) и геологии (сейсморазведка).

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 Геологи всегда мечтали  увидеть, что же находится в  недрах Земли. Ведь самая глубокая  скважина в мире на Кольском  полуострове проникла в толщу  горных пород всего лишь на 12 км 262 м. Тем не менее о внутреннем строении земного шара мы знаем очень много, и эти знания основаны главным образом на изучении скоростей прохождения упругих волн в недрах Земли. Значения скоростей различных сейсмических волн позволяют рассчитать распределение плотности вещества и давления внутри Земли. Все это дало возможность геофизикам предложить несколько моделей внутреннего строения Земли с выделением в ее пределах ряда сферических оболочек, характеризующихся более или менее однородными физическими свойствами и достаточно четкими поверхностями или границами разделов, обозначенными благодаря изменению скоростей упругих объемных сейсмических волн. Наибольшим признанием ученых до последнего времени пользовалась модель строения Земли К.Е. Буллена, созданная в 1959-1969 годах. В последнее время используется более новая, уточненная модель PREM (Prelimenary Reference Earth Model), которая характеризуется "нормальным", то есть усредненным распределением с глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей сейсмических волн. Наиболее важным источником информации о строении Земли являются землетрясения, самые глубокие очаги которых располагаются на уровне примерно 700 км. Все землетрясения порождают сейсмические волны деформации, пронизывающие в различных направлениях земной шар.

 

 Очевидно, что, чем больше  регистрируется землетрясений, тем  точнее и полнее информация  о недрах нашей планеты. В  последние десятилетия количество  сейсмических станций во всем  мире многократно увеличилось,  а следовательно, возрос поток информации, обработка которой требует огромных по объему и трудоемких вычислений. И тут вовремя появились быстродействующие компьютеры, позволившие на многие порядки ускорить процесс вычислений новых данных, непрерывно поступающих с сейсмостанций.

 

 Именно эти два фактора  - новые сейсмические станции  и компьютеры позволили выявить  небольшие (до ? 5%) отклонения скоростей прохождения сейсмических волн через недра Земли относительно стандартных моделей их распределения К.Е. Буллена или PREM. Геологам открылась удивительная картина размещения аномальных участков в мантии Земли с положительными или отрицательными значениями скоростей упругих объемных сейсмических волн относительно их "нормальных" значений для соответствующих глубин. Эти участки можно наблюдать как в двух-, так и в трехмерном изображении. Методы, позволяющие получать подобные объемные картины неоднородностей в мантии и коре Земли, получили название сейсмической томографии.

 

 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  СЕЙСМОТОМОГРАФИИ

 

 Наверное, многие из  читателей слышали о медицинской  томографии, которая формирует двухмерное  изображение определенного среза  (слово "томо" означает срез) объекта, например головного мозга с помощью рентгеновских лучей. Проводя сканирование большого числа тонких срезов, можно построить и трехмерное (объемное) изображение интересующего врачей объекта. При таком исследовании источник рентгеновских лучей должен двигаться вокруг объекта и лучи, интенсивнее поглощаясь в более плотных тканях, дают на снимке более темное изображение. Различие в плотностях позволяет получить изображение интересующих нас неоднородностей, скажем новообразований в головном мозге.

 

 Сейсмическая томография  базируется на измерении скоростей  объемных и поверхностных сейсмических  волн, направленных таким образом,  чтобы "просветить" интересующее  геофизиков непрозрачное тело, например  массив горных пород, который  исследователь не может непосредственно  наблюдать. При этом массив  неподвижен, так же как источники  и приемники сейсмических волн.

 

 Приложение силы к  твердому упругому телу - горной  породе, например, в виде удара,  мгновенного смещения по разлому,  подземного взрыва - вызывает в  нем деформацию, то есть сейсмическую  волну, которая распространяется  во все стороны от места  приложения силы. Наиболее эффективным  способом образования сильных  колебаний является землетрясение,  волны деформаций от очага  или гипоцентра которого пронизывают  весь земной шар. Специальные  приборы - сейсмографы улавливают  и фиксируют эти волны, преобразованные  в колебания почвы, и записывают  их в виде сейсмограмм.

 

 Через твердое изотропное  тело могут проходить только  два типа объемных волн: продольные  и поперечные. Первая из них  представляет собой волну сжатия-растяжения, как и обычная звуковая волна.  Смещение частиц вещества при  этом происходит вдоль направления  движения волны. В поперечной  волне частицы перемещаются перпендикулярно  направлению движения волны. Более  подробно о сейсмических волнах  можно прочитать в [1].

 

 Скорости продольных (vp) и поперечных (vs) сейсмических волн составляют в горных породах обычно несколько километров в секунду и увеличиваются при повышении давления и плотности горной породы и понижении температуры. Скорость продольных волн всегда больше поперечных, и поэтому они первыми достигают регистрирующих приборов - сейсмографов. Интервал времени между приходом продольной и поперечной волн будет являться мерой расстояния до очага землетрясений. Поэтому, имея минимум три станции, можно довольно точно определить эпицентр землетрясения.