Сейсмология

Сейсмология, отдел геофизики (смотрите), излагающий учение о землетрясениях и являющийся важнейшим источником наших сведений о внутреннем строении земного шара. Под термином землетрясение понимают такие сотрясения земной коры, которые имеют своим источником движения на глубине и передаются как упругие колебания через вещество земли. Землетрясения подразделяются на три класса в зависимости от вызывающих их причин:

1) вулканические, происходящие от подземных ов благодаря соседству с вулканами; 2) обвальные, происходящие вследствие обвалов почвы, где под ней имеются в недрах земли пустоты, образованные например в результате выщелачивания легко поддающихся растворению водой горных пород; 3) тектонические, происходящие от внезапного смещения горных пород вследствие горообразовательных процессов (сдвиги, сбросы). Первые

два класса землетрясений наблюдаются редко и имеют исключительно местное значение. Текто-нич. землетрясения имеют преобладающее значение, и их последствия бывают часто весьма разрушительны. Нарушение условий равновесия внутренних слоев земли, происходящее в результате землетрясений, сопровождается возникновением упругих колебаний (сейсмических волн) в горных породах. Место внутри земной коры, где произошло нарушение равновесия ее слоев, называется гипоцентром,. или очагом землетрясения; точка же земной поверхности, ближайшая к гипоцентру, называется эпицентром. Гипоцентр и эпицентр землетрясения— не точки, но области, имеющие известное протяжение и весьма растянутые. Но т. к. размеры их в сравнении с размерами земли весьма ничтожны, то их и принимают за точки, подразумевая под эпицентром середину действительной эпицентральной области. От гипоцентра землетрясения расходятся во все стороны сейсмий. волны двоякого рода: продольные и поперечные, движущиеся с различными скоростями. Цёппритц и Гейгер в самых верхних слоях земли нашли для скорости продольных волн значение ν_τ=7,17 км/ск, а для скорости поперечных г₂=4,01 км/ск. Кроме того при распространении сейсмич. волн у границы двух середин земной коры с неодинаковыми физич. свойствами возникают особые поверхностные волны с большим периодом; их называют длинными (скорость их равна 3,53 км/ск). Наиболее сильные и разрушительные сотрясения наблюдаются в эпицентре. В этой области кроме колебаний, вызываемых распространением упругих волн, замечаются и действительные смещения материальных частиц, то есть обнаруживаются видимые поверхностные волны (волны тяжести), вызывающие наибольшие разрушения. Они возникают только среди рыхлых отложений, амплитуда их весьма велика, скорость всего 4 м/ск, им не могут сопротивляться ни почва ни здания. Продолжительность и число сотрясений, а также промежутки между отдельными ударами весьма разнообразны при каждом землетрясении. Повторяемость землетрясений, выражающаяся в частом проявлении их в какой-либо области, и наибольшая степень их напряженности определяют понятие сейсмичности страны. На карте земли можно выделить области сейсмичные, потрясаемые часто и разрушительно, пенесейсмичные, потрясаемые часто и сильно, и асей смичные, потрясаемые редко и слабо или вовсе не потрясаемые. Для обозначения силы землетрясений руководствуются интенсивностью разрушительных последствий их; в этом отношении почти во всеобщее употребление вошла шкала Росс и-Ф о р е л я, разделяющая землетрясения на 10 классов: от незаметных непосредственному наблюдению и обнаруживаемых лишь чувствительными сейсмографами микросейсмич. колебаний (I класс) до всеобщего разрушения зданий, образования трещин и сбросов в земной коре и обвалов и оползней в горах (X класс). Шкала Росси-Фореля, давая очень подробные подразделения для слабых ударов, недостаточна для ударов более сильных. Поэтому в практике итальянских сейсмологов принята шкала Меркалли с 12 классами. Изучение основных элементов землетрясений происходит при помощи особых инструментов: сейсмографов и сейсмометров, а отдел сейс мологии, трактующий эти вопросы, называется сейсмометрией. и. Мельников.

Сейсмометрия. Приборы, которые лишь отмечают движения земли во время землетрясения, называются сейсмометрами; если же они приспособлены для непрерывной записи, то называются сейсмографами, а получаемые записи — сейсмограммами; последние дают возможность определить характер совершающихся перемещений почвы. Самая общая форма перемещений заключает в себе шесть возможных независимых движений — три прямолинейных (одно вертикальное, два горизонтальных) вдоль координатных осей и три вращения вокруг этих осей. Измерение вращений, вообще величин ничтожно малых, представляет весьма сложную задачу, и обычно записей их не производится. Т. о. необходимо обратить внимание на измерение указанных трех линейных перемещений, которые обычно рассматриваются по отношению к трем координатным осям, направленным к востоку, северу и к зениту места наблюдения. Во всяком сейсмографе имеется одна точка (центр качания), которая не изменяет своего положения и около которой совершают колебания подвижные части прибора. Если на тонкой длинной нити, верхний конец которой закреплен в точке, связанной с землей, подвесить тяжелый груз, на конце которого находится тонкое перо, слегка касающееся стеклянной пластинки, покрытой слоем сажи, то при землетрясении на пластинке останется весьма запутанный след пера, если пластинка будет оставаться неподвижной; если же пластинка перемещается, на ней различные смещения почвы будут отмечены в виде колебатель-, ных движений. По такому принципу построены нек-рые итальянские сейсмографы. Другой принцип положен в основу след, приборов (фигура 1), Стержень АВ может вращаться в гнездах А и В рамы, прочно связанной с землею. Линия АВ наклонена на незначительный угол i от вертикали AZ. От средней точки С отходит стержень СМ под прямым углом к А В и несет на своем конце тяжелый груз М. Если бы стержень АВ занимал вертикальное положение, то имело бы место равновесие безразличное.

Вследствие наклона АВ под углом i ускорение силы тяжести уменьшается с д до ^ sin i. При отсутствии сейсмич. возмущений груз М занимает самое низкое положение, и при возникновении этих возмущений стержень СМ начнет совершать колебательное движение вокруг АВ, как около оси, причем величина периода зависит от значения угла i. Наибольший эффект возникнет в случае, когда-возмущение идет по направлению, перпендикулярному к плоскости АВМ. На этом принципе построены сейсмографы Омори, Мильна, Голицына, Майнка и др. Одно из главных отличий этих инструментов заключается в методе подвеса горизонтального маятника. Цёльнеров-ский подвес (фигура 2) состоит из двух проволок CF и DE, натягивающих стержень АВ, на конце которого находится тяжелая масса М. Точки С и D неподвижны и неизменным образом.

связаны со штативом прибора. Так. обр. линия CD является идеальной осью вращения прибора; она должен быть наг с клонена под не большим углом i к вертикальной линии DZ. В приборах Вихерта, Марвина тяжелый груз укреплен на верхнем конце твердого стержня, удерживаемого в вертикальном положении, которое изменяется при сейсмических возмущениях. Для измерения приходящих колебаний необходимо иметь два маятника, которые могут колебаться один в горизонтальной плоскости и один в вертикальной. В таком случае всякое движение, под каким бы углом к плоскости горизонта оно ни подошло, разложится на три составляющие.

С динамической точки зрения различные виды горизонтальных маятников сейсмографов совершенно идентичны. В дальнейшем рассматривается сейсмограф Голицына. Предположим, что прибор состоит из находящегося на одном конце стержня тяжелого груза, который может двигаться почти в горизонтальной плоскости около оси, проходящей через другой конец стержня и, слегка отклоненной от вертикали. Представим себе далее, что такой маятник находится в движении, при этом почва остается в неподвижном состоянии; в таком случае движение маятника определяется выражением

d²e, о sin Щ „ di2 ⁺ l ~^υ·

О)

где в — угол отклонения маятника от положения равно-, весия, г — угол, образованный осью вращения маятника с вертикальной линией, а I — приведенная длина маятника. Преимущество горизонтального маятника перед вертикальным видно из следующего примера: для Ленинграда (д=9,819 мIск²) собственный период колебания горизонтального маятника равен 25 ск. при ! всего лишь 120 миллиметров, когда угол наклона 239; такой же период в 25 ск. имеет вертикальный маятник в 15Ь,5 метров Выражение (1) становится сложнее вследствие того, что почва не может рассматриваться как неподвижная. При смещениях почвы, например в направлении, параллельном оси ж, сам маятник и его штатив испытывают перемещение на ту же величину. Соответствующее ускорение „ №х почвы будет=х, и следовательно к моменту силы тяжести д в выражение (1) необходимо присоединить у. Далее необходимо принять во внимание силы, которые сопротивляются движению маятника, — трение, сопротивление среды, введенные искусственные затухания и прочие Можно принять, что соответствующий момент пропорционален угловой скорости движения маятника

-=6. Если демпфирование осуществляется с помощью ait

приспособлений, действующих благодаря сопротивлению воздуха или трением жидкости или осрбыми электромагнитами, как в приборе Голицына, то предположение о пропорциональности .момента угловой скорости оправдывается, т. ч. ур-ие (1) необходимо дополнить еще одним членом вида 2ев, где е—постоянная затухания. Обозначая у через п², вставим в ур-ие (1) значения момента, зависящего от смещения почвы, и члена, введенного для учета затухания с; так. обр. ур-ие движения маятника, если пренебречь влиянием наклонов, имеет вид:

в" + 2ев + п²0 + ?-=0.

При рассмотрении собственного колебания маятника, то есть когда поверхность земли находится в покое (х"=0), общий интеграл ур-ия движения:

о=Αχβ~^αι^ι + А₂е~^а2¹, где

aj=e -4- Y еЗ — 7i2, ag=е — 14 б² — П²·

Ai и Аг—произвольные постоянные интегрирования, обусловленные начальными условиями движения, то есть значениями вив при ί=0. При этом возможны три различных случая, когда ε>η, s=n и ?.<п. В первом случае, при начальной угловой скорости в^,

— ПЦ·

здесь второй член убывает при возрастании i быстрее первого, и в будет всегда положительно. В этом случае движение маятника будет апериодическим. Для третьего случая _

в=е ^ε [Gi cos yi + (fi sin y(],

где у — V 7t% — ε2.

Постоянные произвольные здесь определяются из начальных условий. При ί=0, в — 0, следовательно Οχ =

= 0 а Сα= —. Т. о. ур-ие движения маятника пред-

у ставляется для момента ίχ в следующем виде:

—

sin yti.

Т. о. движение маятника будет гармоническим, и амплитуды размахов маятника убывают в геометрия, прогрессии, причем так называемым коэф. затухания, определяемый отношением двух последовательных максимальных ампли-0. „ ’ ^туд > выражается через е у. Кривая движения горизонтального маятника представляет собой 8атухаю-

2 л щую синусоиду с периодом —. Второй случай есть пограничный между первым и третьим, причем маятник находится как-раз на границе апериодичности. Движение при этом определяется выражением

В случае движения маятника, происходящего под влиянием горизонтальных смещений почвы,вопрос упрощается, если движение почвы предположить как простое гармо-нич. движение, совершающееся по закону x=x_msin (pi+δ), где х_т—максимальная амплитуда смещения почвы, а в— начальная фаза. Решение основного ур-ия движения дает:

в=e~^et ΙΓχ cos yt + Гг sin yi] +

+. ^P2 sin ip (I - τ) + δ).

1 Vpi — 2 (n²— 2e2) pi -f. _n4

Ур-ие это показывает, что движение маятника слагается из двух частей: собственного движения маятника (первый член) и колебаний, вызванных гармония, колебанием почвы (второй член ур-ия), но между обоими движениями существует нек-рая разность фаз. Обратим внимание на затухание прибора; при увеличении значения в первые члены, зависящие от собственного движения прибора, быстро исчезнут; и в этом случае нет необходимости в определении значений Γχ и Гг- Особенно выгодно возможно увеличивать затухание и даже доводить маятник до границы апериодичности. В таком случае при в—п¹ф-ла получает особенно простой вид:

Р²

и² + р²

• sin [р (ί — τ) + δ),

где pi=_п2 ^ —. Подробный анализ этих ур-пй показывает, какими преимуществами с теоретич. точки зрения обладают маятники с затуханием перед маятниками без затухания. Записи последних мало пригодны для определения элементов истинного движения почвы.

Способы регистрации. Соотношение между истинным перемещением почвы и теми смещениями, которые обнаруживаются на сейсмограмме, зависит также и от методики регистрации. Различные способы регистрации можно подразделить на след, типы: механическая, оптическая · и гальванометрическая. В механической регистрации конец маятника имеет связь с коротким плечом легкого рычага, длинный конец к-рого, снабженный острием или порой, касается ленты из бумаги, обернутой вокруг барабана. Последний находится в равномерном вращательном движении и поступательном — вдоль оси. Во многих системах сейсмографов лента покрыта легким слоем копоти, на которой перо оставляет свой след, а также производятся отметки времени. Лента фиксируется щеллачным лаком. В оптическом методе регистрации зеркало, скрепленное с осью вращения

.лаятника, отражает пучок световых лучей на шкалу или перемещающуюся фотографии, бумагу. Величина действительного смещения зависит от длины оптич. рычага. Гальванометрический метод регистрации введен Б. Б. Голицыным и пользуется широким применением. Сущность метода заключается в следующем. К стержню маятника сейсмографа прикрепляются плоские катушки из тонкой изолированной проволоки, находящиеся между полюсами двух сильных постоянных магнитов, обращенных друг к другу разноименными полюсами. При движении маятника в катушках будут индуктироваться элек-трич. токи, обнаруживающиеся в отклонениях зеркальца в гальванометре, причем последний может, что очень важно, находиться в достаточном удалении от сейсмографа. Для регистрации движения гальванометра обычно применяется способ оптич. регистрации на светочувствительной бумаге. Помимо того что этот способ допускает регистрацию на расстоянии, другое удобство заключается в том, что запись гальванометра не зависит от нулевого положения самого сейсмографа. Величина тока пропорциональна площади катушки, числу витков в ней, силе поля и угловой скорости маятника и обратно пропорциональна сопротивлению цепи. Обозначая через ψ отклонение гальванометра, ур-ие собственного движения его можно представить в виде

ψ" + 2δφ + η φ — О,

то есть совершенно аналогично с диференциаль-ным уравнением собственного движения маятника сейсмографа. ⁴Сейсмограф системы Голицына для измерения горизонтальных смещений почвы обладает большой компактностью и дает значительные увеличения. На металлич. платформе находится прочный станок, служащий основой для сейсмографа. На цёльнеровском подвесе находится горизонтальный стержень с грузом ок. 7 килограмм весом. Отклонение оси вращения от вертикали таково, чтобы период колебания маятника был ок. 24 ск. Маятник несет на себе плоскую целлюлоидную коробку с четырьмя плоскими катушками из тонкой медной проволоки. Над катушками и под ними находятся постоянные стальные маг ниты так, чтобы взаимное расстояние между °TKlf

ними можно было при ЧЙШ

Фигура 3.

необходимости изменять. От катушек идут тонкие проволоки из фосфористой бронзы вдоль стержня магнита и станины и далее к гальванометру. Затухание достигается с помощью магнитов, и в этих целях на внешнем конце маятника находится горизонтальная медная пла стинка, которая при движении маятника колеблется между полюсами постоянных магнитов. Освещение зеркала гальванометра осуществляется с помощью особого фонаря, причем отраженный от зеркала пучок лучей проходит через полуцилиндрическую линзу и концентрируется м,

на светочувствительной бумаге, которая обернута вокруг цилиндра, вращающегося с помощью особого часового механизма вокруг оси. Помимо этого весь барабан равномерно перемещается вдоль оси. Скорость передвижения бумаги 30 миллиметровIмин. Время отмечается с помощью особого электромагнита, включенного в цепь контактных часов, благодаря чему имеется возможность с большой точностью определить моменты наступления отдельных фаз землетрясения. Вертикальный сейсмограф служит для измерения движений почвы в вертикальном направлении. Ур-ия движения вертикального маятника совершенно аналогичны уравнениям, полученным для горизонтального маятника. Фигура 3 дает общий вид апериодич. вертикального сейсмографа сист. Голицына. Двойная латунная подвижная рама, посредине которой находится тяжелая масса М, может вращаться около горизонтальной оси. Рама поддерживается спиральной пружиной F, нижний конец которой находится ниже ц. т. подвижной системы. У внешнего конца рамы имеется медная пластинка А для затухания и рама R с катушками для гальванометрич. регистрации. Период колебаний такого маятника меньше, чем горизонтального, — порядка 13—14 ск.

Сейсмограммы. На фигуре 4 воспроизведена часть сейсмограммы, полученной на сейс-мич. обсерватории в Пулкове при землетрясении в Малой Азии 9/II 1909 г. На сейсмограмме отмечены основные моменты землетрясения; обычно записи сейсмографов дают гораздо более сложную картину и требуют подробнейшего анализа. Сначала к месту наблюдения подходят продольные волны, которые и вызовут первые отклонения сейсмографа. Этот момент Р определяет собою начало первой предварительной фазы землетрясения. Затем приходят поперечные волны S, характеризующие начало второй предварительной фазы. Чем дальше место очага (гипоцентр и эпицентр) землетрясения, тем разность моментов наступления Р и 5 увеличивается. Т. о. можно построить кривую пробега сейсмич. волн—г одограф и по нему определять расстояния до места землетрясения. В пункте L находится начальное место прихода длинных, или поверхностных, волн. Они более растянуты, имеют больший период колебаний, и после прихода их наступает момент максимальной фазы (M_lt М₂.), когда имеют место наибольшие горизонтальные и вертикальные смещения почвы. Вблизи максимальной фазы землетрясения на сейсмограммах отмечаются чистые синусоидальные волны определенного периода и амплитуды. Обычная картина сейсмограмм еще более осложняется вследствие появления системы волн, отраженных (иногда большое число раз) от земной поверхности. Кроме того колебания при распростра нении своем через толщу земли могут вызвать собственные колебания различных слоев, что может иногда явиться причиной появления нового землетрясения. Наконец возможно явление, аналогичное спектральной дисперсии в оптике, сейсмическая дисперсия, то есть зависимость скорости распространения сей-смич. волн от периода и от амплитуды колебаний, являющееся новой причиной, нарушающей правильность получаемых сейсмограмм. «Всякое землетрясение можно уподобить фонарю, к-рый зажигается на короткое время и освещает нам внутренность земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит» (Голицын). Т. о. основная проблема сейсмометрии заключается в том, чтобы распутать сложное движение земной коры, отделить одну волну от другой, исследовать характер их, свойства, период, амплитуду, источник и основные физич. свойства и строение внутри земного шара.

Методы сейсмометрии в последнее время с успехом применяются для изыскания различных полезных ископаемых, а также изучения их свойств, строения и распространения. Для этой цели сконструированы приборы походного типа (Никифоров); явление землетрясений воспроизводится с помощью искусственных ов, а наблюдения регистрируются фотографическим путем на быстро перемещающейся светочувствительной бумаге.

Лит.: Му шкетов И., Физич. геология, т. 1, 3 изд., Л., 1924; Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, СНБ, 1912; Б о н ч к о в с к и и В., Сейсмология, «Наука и тех-пика в СССР», Л., 1928; Известия Постоянпой центральной сейсмич. комиссии, тт. 1—7, СПБ, 1902—19; Никифоров П., Сейсмология, Ленинград, 1926 (указана лит.); Gutenberg В., Grundlagen d. Erdbebenkunde, Berlin, 1927. В. Пршплоцов.