Основы геофизики 2019 - Физика твердой Земли Смирнов Владимир Борисович
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Основы геофизики
2019
Физика твердой Земли
Смирнов Владимир Борисович
кафедра физики Земли
vs60@mail.ru
Лекция №9
«Очаговая» сейсмология • Очаг землетрясения • Принцип регистрации сейсмических колебаний • Локация землетрясений • Величина землетрясения • Закон повторяемости землетрясений • География землетрясений • Проблема прогноза землетрясений Полезный сайт: http://seismos-u.ifz.ru/personal/index.htm
Землетрясение Сан-Франциско, 1906
Теория упругой отдачи
(Гарри Филдинг Рейд, 1911г.)
• Очаг землетрясения –
разрыв сплошности среды.
• Разрыв возникает, когда
величина внешних
напряжений превосходит
предел прочности горных
пород
• Разрыв сопровождается
резкой подвижкой,
генерирующей
сейсмические волны
• Энергия, высвобождаемая
при землетрясении, есть
доля накопленной упругой
энергии (0.3%-5%)
Теория упругой
отдачи:
современные
данные
Offset along the seismic fault 1.5 m
Нерегулярность землетрясений
Очаг землетрясения: диаграмма направленности излучения волн
Ядерные взрывы и землетрясения
Типы разрывов в очаге
Левосторонний сдвиг Правосторонний сдвиг
Сброс Надвиг
(растяжение) (сжатие)Очаг – точка (упрощенное представление) Гипоцентр и эпицентр землетрясения
Исторические сейсмические
инструменты
Первый сейсмоскоп
Чжан Хэн (Китай), 132 г. н.э. Сейсмограф Милна (1880)Принцип регистрации сейсмических
колебаний
Схема сейсмографа Голицына с
Принцип работы сейсмографа электромагнитным преобразователем (1906)Современные сейсмометры
STS-1 и его АЧХ
Сейсмометр Голицына
фотография из
«Лекций по сейсмометрии» Б.Б.Голицына, 1912Локация землетрясений
(задача гипоцентрии)
Для локации очага землетрясения и
отыскания времени его
возникновения необходимо иметь
записи минимум на 4-х
сейсмических станциях.
Из-за наличия погрешностей во
временах вступления ti и скоростях
волн С систему уравнений
приходится решать методами
статистики. В этом случае
желательно иметь записи более,
чем на 4-х сейсмических станциях
(обычно используют не менее 7-10)Магнитуда
Магнитуда
• Введена американским • Основные типы магнитуд:
сейсмологом Чарльзом – магнитуда mb – определяется
Рихтером (1935) по амплитудам объемных
• Иногда – неправильно – волн (отсюда b – body)
называется «баллами» по – магнитуда Ms – определяется
по амплитудам
шкале Рихтера поверхностных волн волн
• Шкала – непрерывная, (отсюда s – surface)
баллами не является
• Величина магнитуды
пропорциональна Ms E, Дж !" = log((/*),-. +1.66 log ∆ + 3.3
логарифму энергии 6 6.3E+13
землетрясения 7 2.0E+15
8 6.3E+16
lgE(Дж)=1.5Ms+4.8 9 2.0E+18
lgE(Дж)=2.4mb-5.8
mb=0.63Ms+2.5Магнитуда и интенсивность
• Магнитуда • Интенсивность I (или
землетрясения M – сотрясаемость) –
характеристика очага характеристика
землетрясения проявления
• Для каждого землетрясения на
землетрясения – одна поверхности Земли
магнитуда • Для каждого
землетрясения – разные
интенсивности в разных
точках поверхностиИнтенсивность
• Шкала баллов
• В разных странах
используются разные
шкалы
– Россия – 12-ти бальная
– Япония – 9-ти бальная
• В 12-ти бальной шкале:
увеличение
интенсивности на 1 балл
– увеличение ускорения
грунта в 2 раза
! = #$%& ' + )$*+,Карты сейсмической интенсивности
Ашхабадское землетрясение Среднеуральское землетрясение
1948-го года, M=7.3 2015-го года, M=4.7
Изосейста – линия постоянной интенсивностиЗакон Гутенберга-Рихтера
(энергетический спектр сейсмичности)
lg #(%) = −) % − %* + lg , + lg -
• b – наклон графика
повторяемости;
• A – сейсмическая
активность;
• T – длительность
наблюдений
v В среднем b=0.9
v Уменьшение магнитуды
на единицу –
увеличение частоты
землетрясений
примерно в 10 раз
.(/)~/12География землетрясений Толщина плиты – около 80 км 70% гипоцентров землетрясений находятся внутри плит
Напряжения
• Землетрясения происходят, в основном, на границах литосферных
плит, поскольку прочность граничной разломной зоны значительно
меньше прочности самой плиты
• Напряжения в литосфере обусловлены внутренними процессами –
движением вещества в мантии Земли. Это – основная составляющая
напряжений с характерными значениями в десятки-сотни МПа.
• Добавочные напряжения могут быть обусловлены поверхностными
нагрузками или разгрузками естественного или антропогенного
характера:
– увеличение или уменьшение толщины и площади ледников вследствие
изменений климата (до 30 МПа)
– заполнение водохранилищ (до 0.2 МПа)
– добыча полезных ископаемых, откачка нефти и газа
• Не исключаются добавочные напряжения, обусловленные
планетарными факторами, такими, как:
– Изменение скорости вращения и, соответственно, сжатия Земли
(0,1-1 МПа)
– Приливные напряжения, обусловленные притяжением Солнца и Луны
(1-10МПа)Проблема прогноза землетрясений
Прогноз:
• Места
• Величины
• Времени
землетрясения
• Напряжения и прочность не поддаются прямым измерениям
• Прогноз строится на основе косвенных признаков –
геофизических полей, в той или иной мере отражающих
напряжения и прочность
• Прогноз носит вероятностный характерСильнейшие землетрясения (M>=8.5)
Общее сейсмическое районирование (ОСР) РФ (прогноз места и силы возможного землетрясения)
Предвестники землетрясений
(прогноз времени землетрясения)
Деформационные
Сейсмические предвестники предвестникиКачество прогноза • Карта ОСР – оправдываемость 95-98% • Среднесрочный прогноз времени землетрясения (0.5-3 года) – по разным оценкам 65-75% • Краткосрочный прогноз (несколько суток – несколько часов) - ??? • «Можно предсказать приближение грозовой тучи, но трудно предсказать где и когда ударит молния»
«Очаговая» сейсмология:
Резюме
• Землетрясение – разрушение среды в результате
достижения напряжениями предела прочности
• При землетрясении накопленная упругая энергия
обеспечивает излучение сейсмических волн в
результате резкой подвижки в очаге
• Диаграмма направленности излучения из очага
землетрясения – квадрантная (квадрупольная)
• Для регистрации сейсмических колебаний используются
маятниковые сейсмометры с механоэлектрическими
преобразователями
• Для определения положения гипоцентра и времени
землетрясения необходимо иметь записи не менее, чем
в 4-х точках«Очаговая» сейсмология:
Резюме (продолжение)
• Энергетической характеристикой величины землетрясения
является магнитуда, пропорциональная логарифму энергии
землетрясения
• Интенсивность, выражаемая в баллах 12-бальной шкалы,
пропорциональна логарифму ускорения грунта на поверхности
Земли
• Основная часть землетрясений сосредоточена в литосфере
Земли, на границах литосферных плит
• Распределение землетрясений по их энергиям имеет степенной
вид – закон Гутенберга-Рихтера
• В настоящее время решена задача надежного прогнозирования
мест возможного возникновения землетрясений – общее
сейсмическое районирование. Проблема прогноза времени
землетрясения остается открытой.Гравитационное поле и фигура
ЗемлиГравитационный потенциал
Величина Точечная масса Распределенная
масса
Сила ! Mm !
F =g 2 n
r
Напряженность поля ! M ! ! r ¢dv ¢ !
! g =g 2 n g =g ò ! ! 2n
! F r r - r¢
g=
m
(ускорение)
Потенциал W M r ¢dv¢
! W =g W =gò ! !
g = - gradW r r - r¢
g @ 6,67 × 10 см × г × с
-8 3 -1 -2Орбита ИСЗ и сила тяжести
mV 2
+ mg ( Rз + H ) = const
+H 2
mg = mV 2 /( Rз + H )
Rз
V = g ( Rз + H )
3
mg ( Rз + H ) = const
2
gH = const
Изменения H отражают изменения gСпутники GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)
Глобальное гравитационное
поле, полученное за 10 лет
слежения за орбитами
спутников.
Модель глобального гравитацион-
ного поля GGM02S, полученная за
1 год работы системы Grace
Полезный сайт:
http://www.thegraceplotter.com/Сферическая система координат
1 1
Потенциал силы тяжести: W=V+Q, Q = w 2 ( x 2 + y 2 ) = w 2 r 2 sin 2 j .
2 2
где V – гравитационный потенциал,
Q – потенциал центробежной силы.
Потенциал силы тяжести можно представить в виде ряда по
функциям, зависящим от (r,φ,λ). Функции, определяющие
зависимость потенциала от φ и λ, ортогональны на сфере.
Pnm (sin j )
Функции, описывающие зависимость от широты, называются
присоединенными функциями Лежандра
n n
gM +¥
æaö
+¥ +¥
æaö
W ( r,j , l ) = [1 - å ç ÷ J n Pn (sin j ) + åå ç ÷ Pnm (sin j ) ´
0
r n =2 è r ø n = 2 m =1 è r ø
[ ] 1
Сnm cos ml + Snm sin ml + w 2 r 2 cos2 j .
2Отступление: полиномы Лежандра и
сферические функцииПолиномы Лежандра
!" #$% & = ( !( #$% & = #$% &
!% #$% & ~ #$% & % ~#$% %&
!) #$% & ~ #$% )& !+ #$% & ~ #$% +& !% #$% & ~ #$% %&Разложение по сферическим функциям
( ! "
! " = $ )% *% (sin ")
%&'Спектр гравитационного поля Земли
(коэффициенты разложения гравитационного потенциала
по сферическим гармоникам)
n n
gM +¥
æaö
+¥ +¥
æaö
W ( r,j , l ) =
r
[1 - å ç ÷ J n Pn (sin j ) + åå ç ÷ Pnm (sin j ) ´
n=2 è r ø
0
n = 2 m =1 è r ø
n Jn
[ ] 1
Сnm cos ml + S nm sin ml + w 2 r 2 cos2 j .
2
0 1
2 1.083*10e-3
Нормальный гравитационный потенциал
gM g 1 3 -2.5*10e-6
WH = - 3 Mae2 J 2 (1 - 3 sin 2 j ) + w 2 r 2 cos 2 j
r 2r 2 4 -1.6*10e-6
5 -0.23*10e-6
6 0.50*10e-6
7 -0.36*10e-6
8 -0.12*10e-6
J 2 = 1,08265 × 10 -3 18 -0.23*10e-6Нормальное гравитационное поле
• Так как значение коэффициента J 2 на три – пять
порядков превышает значения остальных
коэффициентов ряда для гравитационного
потенциала, изучение особенностей поля удобно
проводить на фоне трех основных членов, связанных
с (1) центрально симметричной частью, (2)
вращением и (3) сжатием Земли. Эту
превалирующую часть поля и называют
«нормальным гравитационным полем (НГП)».
gM g 1 2 2
WH = - 3 Ma J 2 (1 - 3 sin j ) + w r cos 2 j
2
e
2
r 2r 2Вы также можете почитать
