Wstep do Sejsmologii - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/L1.pdf · W. Debski, IGF PAN, Wstep do Sejsmologii, Sejsmologia - wprowadzenie Sejsmologia jest działem

Wst ↪ep do SejsmologiiWprowadzenie

W. D ↪ebski

2014

W. D↪ebski, IGF PAN Wst↪ep do Sejsmologii

Sejsmologia - wprowadzenie

Sejsmologia jest działem geofizyki zajmuj ↪acym si ↪e badaniamitrz ↪esien ziemi, budow ↪a wn ↪etrza Ziemi, rozchodzeniem si ↪e fal sejsmi-cznych - wytwarzanych przez trz ↪esienia ziemi oraz zastosowaniamifal sejsmicznych do celow inzynieryjnych, w tym do celow poszuki-wania surowcow naturalnych. Jako odr ↪ebna dyscyplina naukowa sej-smologia pojawiła si ↪e około 150 lat temu i była de facto utozsamianaz geofizyk ↪a. Ze wzgl ↪edu na obszar swojego zainteresowania sejsmo-logia w zakresie wielu podejmowanych zadan badawczych zblizonajest do pokrewnych dziedzin naukowych: geologii, geodezji, tekto-niki, nauk gorniczych i poszukiwan geofizycznych.

IGF PAN Wprowadzenie - 1


Sejsmologia - podstawowe działy

F sejsmometria

F sejsmologia obserwacyjna

F zagrozenie (hazard) sejsmiczne

F budowa wn ↪etrza Ziemi

F propagacja i fizyka fal sejsmicz-nych

F fizyka trz ↪esien ziemi

F sejsmologia teoretyczna

F sejsmika poszukiwawcza

F sejsmologia gornicza

F sejsmologia inzynierska

F sejsmologia planetarna



Sejsmologia⇔ geologia

Zasadniczo trzy grupy elementow stanowi ↪a wspoln ↪a dziedzin ↪e badangeologii i sejsmologii:

F budowa wn ↪etrza ziemi

F mechanizmy powstawania trz ↪esien ziemi

F poszukiwanie surowcow naturalnych

W ramach ostatniego z powyzszych elementow sejsmologia trakto-wana jest głownie jako “narz ↪edzie poznawcze”.




Sejsmologia badaj ↪ac rozchodzenie si ↪e fal sejsmicznych w ziemijest w sposob naturalny zainteresowana budow ↪a wn ↪etrza ziemiw aspekcie przestrzennego rozkładu parametrow mechanicznychziemi takich jak pr ↪edkosci fal sejsmicznych, g ↪estosc i wspołczynniktłumienia fal sejsmicznych. W chwili obecnej stanowi ona de factogłowne i najdokładniejsze zrodło informacji o budowie wn ↪etrzaziemi zarowno w kontekscie jej struktur wielkoskalowych (j ↪adro,płaszcz, skorupa), struktur geologicznych i tektonicznych regional-nych (płyty tektoniczne i ich struktura, duze terany) oraz strukturlokalnych (lokalne struktury geologiczne, szczegołowe rozpoznanieskorupy ziemskiej i gornego płaszcza).




Mechanizm wyst ↪epowania naturalnych trz ↪esien ziemi był zagadk ↪adla geofizyki, w tym i sejsmologii, przez długie lata. Dopieropowi ↪azanie mechanizmow trz ↪esien ziemi z uskokami tektonicznymioraz stworzenie teorii odpr ↪ezenia elastycznego (ang. rebound the-ory) dało zadowalaj ↪ace wyjasnienie mechanizmu wi ↪ekszosci trz ↪esienziemi. Rownoczesnie, sporz ↪adzenie map sejsmicznosci ziemskiejdostarczyło niepodwazalne dowody potwierdzaj ↪ace słusznosc teoriipłyt tektonicznych.




Bardzo dobre efekty stosowania technik sejsmologicznych w zakre-sie poszukiwan surowcow naturalnych, w tym głownie ropy naftoweji gazu ziemnego stanowi ↪a kolejny element b ↪ed ↪acy stykiem sejsmolo-gii i geologii. W tym zakresie sejsmologia i wypracowane przez ni ↪ametody badawcze, głownie w zakresie modelowania rozchodzeniasi ↪e fal sejsmicznych i technik inwersyjnych jest uzywana jako bardzodokładne zrodło informacj o lokalnej budowie geologicznej. Wynikibadan sejsmologicznych stanowi ↪a podstaw ↪e interpretacji geologicz-nych i wskazowki do dalszych badan geologicznych i inzynierskich.



Sejsmologia⇔ tektonika

Tektonika jest cz ↪esci ↪a geologii zajmuj ↪ac ↪a si ↪e badaniami struktury li-tosfery ziemskiej (takze innych planet), jej budowy oraz dynamikii historii rozwoju. W tym zakresie badania sejsmologiczne dostar-czaj ↪a praktycznie jedynych instrumentalnych danych pomiarowychniezb ↪ednych do geologicznej i geofizycznej interpretacji struktur tek-tonicznych. Szegolnym zakresem wspolnych zainteresowan jest sej-smotektonika zajmuj ↪aca si ↪e badaniem zwi ↪azku aktywnosci sejsmicz-nej z aktywnymi procesami tektonicznymi (subdukcja,rozwoj strefuskokowych, orogeneza gor i fałdowan, itp.)



Sejsmologia⇔ geodynamika

Geodynamika, jako syb-dyscyplina geofizyczna zajmuje si ↪e bada-niami dynamiki wn ↪etrza ziemi (ogolnie Ziemi jako planety), a wszczegolnosci takimi zagadnieniami jak dynamika i kinematyka kon-wekcji w płaszczu ziemi, dynamik ↪a j ↪adra ziemi i procesow za-chodz ↪acych na granicy j ↪adro-płaszcz, tworzeniem si ↪e i dynamik ↪astruktur typu pioropusze ciepła (ang. plums) czy plam gor ↪aca (ang.hot spots). Swym zakresem obejmuje takze bilans energetycznyziemi, charakterystyk ↪e fizyczn ↪a i chemiczn ↪a geomateriałow, ewolu-cje struktur kontynentallnych (płyt tektonicznych). Tak jak w przy-padku tektoniki wi ↪ekszosc badan geodynamicznych opartych jest naobserwacjach sejsmologicznych.



Sejsmologia⇔ geodezja

Geodezja zajmuj ↪ac si ↪e zagadnieniami pomiarow powierzchni ziemi,jej kształtu, wyznaczenie referencyjnego kształtu ziemi oraz lokal-nym miernictwem lezała przez długi czas poza obszarem zaintere-sowan sejsmologii. Pewnym wyj ↪atkiem była grawimetria, b ↪ed ↪acanaturalnym partnerem sejsmologii w zakresie opisu budowy wn ↪etrzaziemi. Sytuacja zmieniła si ↪e zasadniczo wraz z rozwojem geode-zji satelitarnej. Rozwoj satelitarnych technik geodezyjnych otwo-rzyło drog ↪e do rozszerzenia sejsmologii w zakresie monitorowaniafal sejsmicznych o bardzo niskich cz ↪estotliwosciach oraz obserwacjideformacji kosejsmicznych (mechanizmy i efekty trz ↪esien ziemi). Wchwili obecnej podejmowane s ↪a proby integracji systemow geodezjisateliternej i sejsmologicznych (np.projekt EPOS -7PR UE).



Sejsmologia⇔ nauki inzynierskie

Szegolny rozwoj sejsmologii zwi ↪azany jest z wielorakimi zastoso-waniami inzynierskimi. Na pierwsze miejsce wysuwa si ↪e zwi ↪azeksejsmologii z gornictwem (głownie podziemnym) ktory doprowadziłdo powstania sejsmologii gorniczej (tworca: S.J. Gibowicz) jako spe-cyficznej odmiany sejsmologii zajmuj ↪acej si ↪e badaniami wstrz ↪asowindukowanymi pracami gorniczymi. Obecnie, poj ↪ecie to ulega po-szerzeniu na obszar sejsmologii inzynierskiej ktora obejmuje swymzakresem dwa elementy.



Sejsmologia⇔nauki inzynierskie

F badanie sejsmicznosci wywołanej działalnosci ↪a ludzk ↪a w tymgornictwem, sztucznymi zbiornikami wodnymi, pozyskiwaniemenergii geotermalnej, wpływami urbanizacyjnymi (komunikacja,transport)

F badaniem wpływu fal sejsmicznych na obiekty budowlane(zwłaszcza krytyczne) i wypracowaniem norm i reguł bezpiecz-nego budownictwa asejsmicznego.

Nowym elementem zastosowan sejsmologii s ↪a srodowiskowe bada-nia sejsmologiczne pod k ↪atem budownictwa, stanu srodowiska natu-ralnego i jego zmiany (np. tereny pogornicze)



Sejsmologia⇔ polityka

Obserwacje sejsmologiczne stanowiły zaplecze do monitorowanieaktywnosci panstw w tym zakresie prob z broni ↪a j ↪adrow ↪a. Wszczegolnosci w ramach konferencji rozbrojeniowej ONZ po podpi-saniu traktatu o zakazie prob z broni ↪a j ↪adrow ↪a (CTBTO) stworzonyzostał system weryfikacji tego traktatu (IMS) ktorego cz ↪esci ↪a jest sej-smologiczna siec obserwacyjna wykrywaj ↪aca w czasie rzeczywistymewentualne proby z broni ↪a j ↪adrow ↪a przeprowadzone gdziekolwiek naziemi.



Sejsmologia planetarna

Tradycyjnia sejsmologia zajmuje si ↪e badaniem trz ↪esienwyst ↪epuj ↪acyh na ziemi. Rozpocz ↪ecie programu badan innychplanet układu słonecznego rozszeszyło w sposob naturalny zakreszainteresowan sejsmologii na inne planety. Zainstalowanie wlatach 1969-1972 sieci sejsmometrow na ksi ↪ezycu w ramach misjiApollo, rozpocz ↪eło okres badan sejsmicznosci ksi ↪ezyca. Obecnieznane s ↪a cztery typy wstrz ↪asow na ksi ↪ezycu: gł ↪ebokie (∼700 km),termiczne (ogrzewanie powierzchni przez słonce), płytkie (20-30km)i wywołane przez upadki meteorytow. Maksymalne znane: M ∼ 5.5.



Sejsmologia planetarna

Szczegoln ↪a cz ↪esci ↪a sejsmologi planetarnej jest badanie wstrz ↪asowtypu sejsmicznego na gwiadach, w tym na słoncu. W odroznieniuod ziemi wstrz ↪asy sejsmiczne nas słoncu obserwowane s ↪a metodamioptycznymi a nie mechanicznymi - wywołuj ↪a rejestrowalne z ziemidrgania własne powierzcni słonca. W zwi ↪azku z takim sposobem ob-serwacji rejestrowane s ↪a tylko najwi ↪eksze wstrz ↪asy - znacznie prze-kraczaj ↪ace trz ↪esienia ziemi (znane to M ∼ 11.5). Fizyka tak duzychwstrz ↪asow na słoncu jest niewyjasniona.



Podstawowe poj ↪ecia

F trz ↪esienie ziemi - nagłe wyzwolenie si ↪e energi spr ↪ezystej zgroma-dzonej w odkształconym masywie skalnym. Cz ↪esc energi (ok.6%) jest emitowana w postaci fal spr ↪ezystych. Trz ↪esienia ziemizwykle zwi ↪azane s ↪a z przesuni ↪eciem si ↪e skał wzdłoz płaszczyznyuskokow tektonicznych.

F Hipocentrum - lokalizacja ogniska trz ↪esienia ziemi a dokładniejmiejsce gdzie rozpocz ↪ał si ↪e poroces “pekania” skal w ognisku

F Epicentrum - punkt na powierzchni ziemi lez ↪acy ponad hipocen-trum




F wstrz ↪asy sejsmiczne naturalne - wstrz ↪asy sejsmiczne wywołaneprocesami tektonicznymi

F wstrz ↪asy indukowane - wstrz ↪asy wywołany działalnosci ↪aczłowieka (np. gornictwo). Jest to odpowiedz gorotworu nazaburzenie naturalnego stanu rownowagi napr ↪ezen.

F wstrz ↪asy wyzwalane - wstrz ↪asy naturalne dla ktorych czynnikiemwyzwalaj ↪acym była aktywnosc ludzka w obszarze epicentralnym.




F wstrz ↪asy poprzedzaj ↪ace - seria mniejszych (relatywnie) wstrz ↪asowsejsmicznych wyst ↪epuj ↪acych przed wstrz ↪asem głownym (duzym).Nie zawsze wyst ↪epuj ↪a. Cz ↪esto pomi ↪edzy seri ↪a wstrz ↪asow poprze-dzaj ↪acych a wstrz ↪asem głowny nastaje tzw. cisza sejsmiczna.

F wstrz ↪asy nast ↪epcze - wstrz ↪asy wyst ↪epuj ↪ace po wstrz ↪asie głownym.Ich ilosc i wielkosc zmniejsza si ↪e wraz z upływem czasu odwstrz ↪asu głownego (prawo Omoriego).




F fale sejsmiczne - drgania wywołane przez wstrz ↪as sejsmiczny roz-chodz ↪ace si ↪e w postaci fali mechanicznej. Dzieli si ↪e je na trzygrupy

1. fale obj ↪etosciowe P i S2. fale powierzchniowe3. mody drgan własnych ziemi

F fale konwertowane (fazy) fale P/S powstałe w wyniku konwersjifal S/P na granicach nieci ↪agłosci




F sejsmogram - zapis drgan zarejestrowanych przez sejsmometr wpewnym okresie czasu. Obecnie prawie wył ↪acznie wyst ↪epuje wformacie cyfrowym.

F sejsmometr - urz ↪adzenie do rejestracji drgan gruntu w szerokim za-kresie cz ↪estotliwosci - np. od 100s do 100 Hz (szerokopasmowy).

F akcelerometr - urz ↪adzenie do rejestracji przyspieszen drgan gruntu

F stacja sejsmiczna - sejsmometr + urz ↪adzenie rejestruj ↪ace (ang. log-ger).




F magnituda (skala Richtera)- wielkosc odczytywana z sejsmo-gramow uzywana do okreslenia “siły” wstrz ↪asu.

F skalarny moment sejsmiczny - fizyczny parametr opisuj ↪acawielkosc wstrz ↪asu - wyznaczany dokładniej niz magnituda

F mechaniz rozrywu - numeryczna (i graficzna) reprezentacja geo-metrii płaszczyzny przesuni ↪ecia skał na uskoku

F tensor momentu sejsmicznego - najpełniejsza matematycznieformuła opisuj ↪aca mechanizm dowolnego wstrz ↪asu sejsmicznego.




F tomografia sejsmiczna - metoda badania niejednorosci budowywn ↪etrza ziemi

F profilowanie sejsmiczne - sejsmiczna technika prospekcyjna

F inwersja pola falowego - technika odtwarzania budowy ziemi lubmechanizmu wstrz ↪asu sejsmicznego na podstawie analizy pełnychsejsmogramow




F mikroseismy - rodzaj drgn sejsmicznych wywołanych zwykleprzez morza i oceany

F promien sejsmiczny - hipotetyczna droga przebiegu fali pomi ↪edzyzrodłem fal i odbiornikiem

F front falowy - zbior punktow w przestrzeni do ktorych dotarła falasejsmiczna w zadanym czasie




F makroseismika - metoda badania wstrz ↪asow na podstawie analizyszkod zaobserwowanych na powierzchni

F paleosejsmologia - dział sejsmologii zajmuj ↪acy si ↪e badaniemwstrz ↪asow z minionych epok geologicznych



Koniec


Documents

Wstep do Sejsmologii - private.igf.edu.plprivate.igf.edu.pl/~debski/PDF/LECTURES/L1.pdf · W. Debski, IGF PAN, Wstep do Sejsmologii, Sejsmologia - wprowadzenie Sejsmologia jest działem