К ВОПРОСУ О ФИЗИКЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

В.В.Кузнецов

Пузыревские чтения, Новосибирск - 2009

Одна из десяти тайн Вселенной по версии экспертов и читателей популярного журнала LiveScience сформулирована так:

«Что происходит в сердце землетрясения?».

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ:

Сейсмический момент Мо = µuA - модуль сдвига горных пород (порядка 30 ГПа) средняя подвижка площадь разрывов. Интенсивность землетрясения - определяется в баллах одной из принятых сейсмологических шкал интенсивности.Магнитуда землетрясения (от лат. magitudo - величина) - численная характеристика, определяемая по амплитудам сейсмических волн, рождающихся в очаге. Очаг землетрясения - область возникновения подземного удара в толще земной коры или верхней мантии, являющегося причиной землетрясения. Эпицентр землетрясения - (греч. ἐπι на, лат. cetrum центр круга) проекция гипоцентра (фокуса) землетрясения на поверхность планеты. Для определения местоположения эпицентра (эпицентральной области) используют записи сейсмических станций. Закон повторяемости - lg N = A – γ lgE – для энергии; lg N = a - bM – для магнитуды.

Свойства сейсмических волн в дальней зоне. Смещение частиц среды в Р-волне:

uP (x, t) ~ 1/4ρ21/rX0(t – r/), аналогично, для смещения частиц в S-волне:

uS(x, t) ~ 1/4ρ21/rX0(t – r/), где и скорости VP и VS – соответственно.

Отсюда следует, что отношение амплитуд смещения частиц в этих волнах:

uP (x, t)/ uS(x, t) ~ (VS / VP)2, примерно в 3 раза меньше в Р-волне, чем в S-волне.

Разность времен прихода волн четко связано с расстоянием от источника до точки приема. Это свойство используется для оценки координат эпицентра землетрясения по данным сети сейсмостанций.

Размер очага (разлома) и длительность фронта землетрясения

ГЛАВНЫЙ ВОПРОС:

Как очаг землетрясения размером до 1000 км может излучать сейсмические волны как «точка»?

МОДЕЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ: STICK-SLIP И SHOCK-WAVE

po = uVS - для slip-velosityр = uc, - массовая скорость за фронтом УВ.

Расположение GPS станций (точки) в момент Нортриджского землетрясения. Звезда – эпицентр землетрясения, выделенный прямоугольник – область сильных движений, черный прямоугольник – специальный полигон VNC, стрелки показывают направления горизонтальных движений грунта. Слева, на вставке, - направление сжимающих и растягивающих сил в районе разлома Сан-Андреас.

ФИЗИКА ОЧАГА

Модель разрывов Нортриджского землетрясения (справа) (Somerville et al., 1996; Zeng, Anderson, 1996) (в центре). В левой части рисунка - распределение скоростей P-, S-волн и ударной волны со - по глубине (Shen et al., 1996). В правой – афтершоки Нортриджского землетрясения (Wald et al., 1996).

ФИЗИКА ОЧАГА

«Сейсмические гвозди» в зоне субдукции Японии. Черные треугольники – вулканы (Вадковский, Веселовский, 2000).

ФИЗИКА ОЧАГА

ФИЗИКА ОЧАГА

Диаграмма р, V, иллюстрирующая различные случаи распространения ударной волны при полиморфном превращении вещества (I), Расщепление ударной волны (II), Профиль давления в случае расщепления ударной волны (III).

ФИЗИКА ОЧАГА

Сейсмические разрезы земной коры по данным скоростей Р-волн в Муйском районе Байкальской рифтовой зоны (Крылов и др., 1993) – а, и в районе разлома Сан Андреас (SAF) в Калифорнии

ФИЗИКА ОЧАГА

ОБРАЗОВАНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ Акустическое сверхизлучение

) Скорость образования трещин в диабазе при действии на образец постоянного дноосного сжимающего напряжения.

Число зарегистрированных пар фотонов как функция задержки между моментами регистрации двух фотонов. Плоский участок отвечает случайным совпадениям между некоррелированными фотонами, пик соответствует квантовой запутанности (Aspect, 2002).

АКУСТИЧЕСКИЙ «ПОРТРЕТ» ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

АКУСТИЧЕСКИЙ «ПОРТРЕТ» ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Инфразвуковые сигналы (датчики I и P) и сейсмограммы (вертикальный канал Z, с/с "Акташ") землетрясений 5 ноября (a,b) и 8 ноября (c). Верхние кривые - акустика, нижние - сейсмические записи.

АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В МОМЕНТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Взаимные корреляционные функции (ВКФ) между инфразвуковым (P) и электрическим (E) сигналами. Временной сдвиг порядка 6 мс, т.е. сигналы P и E практически синфазные

ОБРАЗОВАНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ

Когерентное сложение акустических импульсов в точке 0. Метод пересекающихся характеристик (Жуков, 1960). Рис. 21-14-б. Модель укручения и «опрокидывания» солитона (Заславский, Сагдеев, 1988)

Образование ударной волны на разрыве характеристики среды.. Уравнение дивергентного вида: ∂Уравнение дивергентного вида: ∂ρρ/∂/∂tt + ∂ + ∂ff((ρρ)/∂)/∂xx = 0, = 0, с условием на линии разрыва: -с условием на линии разрыва: -DD((ρρ11 – – ρρ22) + ) + ff((ρρ11) – ) – ff((ρρ22) = 0, ) = 0,

где где ρρ11 и и ρρ22 – значения плотности на разрыве, а – значения плотности на разрыве, а DD = = dxdx((tt)/)/dtdt - наклон - наклон

линии разрыва – скорость УВ: линии разрыва – скорость УВ: DD = = ΔΔρρ//ρρ Δ Δxx/ / ΔΔtt.. Увеличение плотности Увеличение плотности среды (на 10 %, среды (на 10 %, ΔΔρρ//ρρ = 0.1) происходит в слое толщиной = 0.1) происходит в слое толщиной ΔΔx x = 10 см, за= 10 см, за время порядка время порядка ΔΔt t = 10= 10-6-6 с. с. DD = 10 км/с. = 10 км/с.

ЕЕ = 5 = 510102222 эрг = 5эрг = 510101212 кДж кДж ~~ 1 Мт ( 1 Мт (TNT)TNT). . SS = 50 = 5010 км10 км22 = 5 = 510101212 смсм22.. Плотность энергии Плотность энергии ~~ 1 кДж 1 кДж//смсм22, или 0.1 кДж, или 0.1 кДж//смсм33,, или 0.03 кДж или 0.03 кДж//г.г. Энергия ВС Энергия ВС 3 кДж 3 кДж//г, следовательно, ВС занимают объем г, следовательно, ВС занимают объем 1%. 1%.

А) Изменение удельного объема (ΔV/V = 4 %) в калисинaите (гидрокарбонат калия) при давлении 3.2 GPa . Б, В) Изменение пространственной структуры калисинита. (Allan et al., 2007).

Особенности водородных связей. Кооперативность.

Н - связь энергия ккал/моль

расстояние в Å А - В

расстояние в Å А - Н...В

слабая 0.1 - 1.0 3.0 - 3.5 2.0 - 2.5

средняя 5.0 - 15.0 2.7 - 3.0 1.7 - 2.0

сильная 20 - 60 2.2 - 2.5 1.1 - 1.2Гидриды: Т плав. ( С) Т кип. (С) Мол. вес:

1 H2 Te - 60 - 5 129.6

2 H2 Se - 65 - 40 81

3 H2 S - 85 - 60 34

4 H2 O - 95 - 70 18

5 H2 O 0 100 18

Водородные связи имеются в HF, Н2О, NH3, но их нет в HCl, Н2S, PH3

Особенности водородных связей.

Водородные связи (точки, слева) и структура льда (справа).

Молекулы воды с двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, образующими тетраэдр, являются основой для образования "жидких кристаллов" элементов структурированной воды. Наиболее стабильный жидкий кристалл состоит из 8 тетраэдрических молекул и называется Stella Octangula.

ЗадачиЧисленное моделирование выхода ударной волны (УВ) на поверхность. Создание двумерной модели «сильных движений» грунта в момент выхода УВ. Определение глубины разрыва грунта в момент землетрясения, оценка условий «квазижидкой» среды. Оценка возможности «разрушения» УВ при подходе к поверхности (проблема защиты от землетрясения).

Численное моделирование механизма распространения УВ от гипоцентра землетрясения до поверхности Земли. Генерация slip-векторов и возникновение зон растяжения – сжатия.

Используя сейсмологические базы данных, выяснить реальность постулируемой в УВ- модели землетрясения связи особенностей морфологии области формирования УВ на глубине гипоцентра с акустическими особенностями очага и разломными диаграммами.

Исследовать присутствует ли водород в эпицентре Чуйского землетрясения. Исследовать имеется ли взаимосвязь межу землетрясениями и вариациями атмосферного электрического поля. Исследовать изменение акустического и электромагнитного фона перед землетрясением.

И самая главная…

Создать установку для экспериментального исследования явления акустического сверхизлучения возникающего в образцах горных пород при испытании их на прессах.

Выяснить возникает ли режим кооперативности на одном, двух и более образцах.

Выяснить имеется ли связь между акустическим сверхизлучением и возникновением ударной волны.

Проведение этих исследований позволит более определенно ответить на поставленный вопрос: что происходит в сердце землетрясения.

Благодарю за внимание!