WYBRANE ELEMENTY GEOFIZYKI

WYBRANE ELEMENTY GEOFIZYKI Wykład 2: Sejsmologia i sejsmika: trzęsienia Ziemi, fale sejsmiczne, fizyka trzęsień Ziemi w świetle teorii ruchu bloków litosferycznych. prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz Zakład Geodezji Satelitarnej i Nawigacji

Prawa autorskie do prezentacji Materiały te przeznaczone są tylko i wyłącznie do użytku prywatnego mającego na celu utrwalenie wiedzy z przedmiotu Wybrane elementy geofizyki. Zabronione jest powielanie ich treści i wykorzystywanie w innych opracowaniach. Zdjęcia, animacje i inne zasoby internetowe, które nie zostały wykonane przez autora, a wykorzystane w tej prezentacji stanowią tzw. wyjątek edukacyjny, przewidziany przez przepis art. 27 Ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych, który pozwala instytucjom oświatowym, uczelniom i innym jednostkom naukowym na ich wykorzystanie na potrzeby zilustrowania treści dydaktycznych.

Drgania skorupy ziemskiej wywołane rozchodzeniem się w niej fal sprężystych (sejsmicznych).

Przyczyny: trzęsienia Ziemi pochodzenia tektonicznego stanowią około 90% wszystkich trzęsień zachodzących w obrębie kuli ziemskiej. Ich przyczyną jest gwałtowne przemieszczanie się mas skalnych w skorupie i płaszczu ziemskim; trzęsienia Ziemi pochodzenia wulkanicznego powstające na skutek erupcji wulkanicznych lub przemieszczania się magmy w skorupie ziemskiej; trzęsienia Ziemi pochodzenia kosmicznego powstają w wyniku uderzenia w powierzchnię Ziemi meteorytów;

Przyczyny: trzęsienia Ziemi pochodzenia zapadowego związane z zapadaniem się stropów jaskiń, ewentualnie z powstawaniem obrywów skalnych na stromych zboczach gór. Mają one najmniejszy zasięg i są najsłabiej odczuwalne; trzęsienia Ziemi pochodzenia antropogenicznego zaliczamy do nich tąpnięcia wywołane działalnością górniczą, wstrząsy spowodowane wybuchami (zwłaszcza bomb atomowych), a także trzęsienia związane z powstawaniem dużych sztucznych zbiorników wodnych (dochodzi wówczas do zaburzenia równowagi mas skalnych).

Budowa wnętrza Ziemi:

Teoria ruchów kontynentów: Alfred Wegener Entstehung der Kontinente und Ozeane ( Pochodzenie kontynentów i oceanów ): (1915, 1920, 1922, 1929). Zasadniczą tezą teorii Wegenera jest realność ruchu kontynentów, który miałby polegać na rozkładzie jednego pierwotnego kontynentu Pangei.

Hipoteza konwekcji: Hipoteza konwekcji w płaszczu ziemskim pojawiła się w roku 1839 zaproponowana przez W. Hopkinsa. Konwekcja proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii w objętości dowolnej substancji, np. powietrza, wody, piasku itp. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym. Ziemskie prądy konwekcyjne są to prądy tworzące zamknięte komory, powodujące przemieszczanie materii wnętrza Ziemi, które w efekcie doprowadza do podziału litosfery na bloki i do ich dryfu.

Hipoteza konwekcji:

Bloki litosferyczne (7 większych i 11 mniejszych):

Miejsce pod powierzchnią Ziemi. z którego rozchodzą się fale sejsmiczne nazywamy hipocentrum (ogniskiem trzęsienia). Hipocentrum może znajdować się w skorupie ziemskiej lub w płaszczu górnym (do głębokości około 600 km). Miejsce na powierzchni Ziemi położone bezpośrednio nad hipocentrum nazywamy epicentrum. Do epicentrum fale sejsmiczne docierają najszybciej, a wstrząsy są najsilniejsze.

Podział ze względu na głębokość ogniska: płytkie (85%) do 70 km; średnie (12%) 70-350 km; głębokie (3%) 350-700 km. Najgłębsze zarejestrowane trzęsienie Ziemi miało miejsce 24.05.2013 roku w pobliżu Kamczatki 609 km.

Podział kuli ziemskiej ze względu na częstość występowania trzęsień Ziemi: sejsmiczne bardzo częste i bardzo silne wstrząsy (Pierścień Pacyficzny); pensejsmiczne bardzo rzadkie i słabe wstrząsy (Północna Europa); asejsmiczne wolne od wstrząsów (platformy kontynentalne).

Podział ze względu na powiązanie ze wstrząsem zasadniczym: wstępne (foreshock) o słabej magnitudzie; zasadnicze (main shock) o największej magnitudzie; następcze (aftershock) o zmniejszającej się z upływem czasu magnitudzie.

Fale sejsmiczne: Energia sejsmiczna wyzwolona w czasie trzęsienia przemieszcza się przez Ziemię w postaci fal. Wyróżniamy dwa podstawowe typy fal sejsmicznych: fale przestrzenne (body waves); fale powierzchniowe (surface waves).

Rodzaje fal przestrzennych: podłużne (P) ich ruch polega na zmianie objętości (na przemian zagęszczanie i rozrzedzanie cząstek), rozchodzą się w ciałach o różnym stanie skupienia, osiągają największą prędkość i najszybciej docierają do epicentrum.

Rodzaje fal przestrzennych: poprzeczne (S) są wynikiem przenoszenia się zmian kształtu cząsteczek ośrodka, a ich ruch odbywa się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się drgań. Fale te rozchodzą się wyłącznie w ciałach stałych. Są dwa razy wolniejsze od podłużnych.

Cień sejsmiczny obszar Ziemi znajdujący się w dużej odległości od epicentrum trzęsienia Ziemi, w którym nie rejestruje się niektórych rodzajów fal sejsmicznych. Jest to efekt istnienia płynnego jądra zewnętrznego Ziemi, które pochłania fale poprzeczne (S) i ugina fale podłużne (P).

głębokość 600 km, jednorodna budowa płaszcza

głębokość 600 km, model PREM

animacje pochodzą ze strony: http://serc.carleton.edu/nagtworkshops/visualization/collec tions.html

Szkic dróg fal objętościowych:

Oznaczenia fal głównych: PP, SS, PPS fale kilkakrotnie odbite od powierzchni Ziemi; sp, pp fale odbite od powierzchni bezpośrednio nad epicentrum; PcP, ScP fale odbite od granicy jądro-płaszcz; fale przechodzące przez jądro Ziemi: PKP fala, która weszła do jądra zewnętrznego, ale nie dotarła do wewnętrznego; PKIKP fala, która odbiła się od granicy jądra zewnętrznego; PKJKP fala przechodząca przez jądro wewnętrzne

I tak można tworzyć kolejne podgrupy, np.: PKIKPPKIKP fale poprzeczne w płaszczu Ziemi podwójnie odbite od granicy na głębokościach odpowiednio 125 i 420 km.

Rodzaje fal powierzchniowych (fale rozchodzące się na granicy dwóch ośrodków, a szczególnie na powierzchni Ziemi i są odpowiedzialne za większość zniszczeń): fale Rayleigha nazwa ich pochodzi od nazwiska Lorda Rayleigha (John William Strutt), który w roku 1885 na podstawie obliczeń matematycznych przewidział istnienie tego typu fal. Fale Rayleigha są typu grawitacyjnego, tzn. drgają tak, jak powierzchnia wody, gdy rzuci się na nią kamień. Ruch cząstek odbywa się po elipsie pionowej, ustawionej w kierunku biegu fali. Większość wstrząsów odczuwanych w trakcie trzęsienia Ziemi jest wywołane falami Rayleigha.

Rodzaje fal powierzchniowych (fale rozchodzące się na granicy dwóch ośrodków, a szczególnie na powierzchni Ziemi i są odpowiedzialne za większość zniszczeń): fale Rayleigha

Rodzaje fal powierzchniowych (fale rozchodzące się na granicy dwóch ośrodków, a szczególnie na powierzchni Ziemi i są odpowiedzialne za większość zniszczeń): fale Love a nazwane tak na część brytyjskiego matematyka A. E. H. Love a, który w 1911 roku opracował matematyczny model tego rodzaju fal. Fale Love a polegają na drganiach poziomych a prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Mimo że przemieszczają się stosunkowo wolno, to są bardzo destruktywne. To właśnie one są odpowiedzialne za większość zniszczeń na obszarze dotkniętym trzęsieniem Ziemi.

Rodzaje fal powierzchniowych (fale rozchodzące się na granicy dwóch ośrodków, a szczególnie na powierzchni Ziemi i są odpowiedzialne za większość zniszczeń): fale Love a