Seismologie - Seismology

Animace tsunami vyvolané 2004 zemětřesení v Indickém oceánu
Část série na
Zemětřesení
  • Portál věd o Zemi

Seismologie (/saɪzˈmɒlədʒi/; z Starořečtina σεισμός (seismós) znamenající „zemětřesení“ a -λογία (-logía), což znamená „studium“) je vědecké studium zemětřesení a šíření elastické vlny skrz Země nebo prostřednictvím jiných planet podobných těl. Obor zahrnuje také studie účinky zemětřesení na životní prostředí jako tsunami stejně tak rozmanité seismické zdroje jako jsou vulkanické, tektonické, ledové, fluviální, oceánské, atmosférické a umělé procesy, jako jsou výbuchy. Související pole, které používá geologie odvodit informace týkající se minulých zemětřesení je paleoseismologie. Záznam pohybu Země jako funkce času se nazývá a seismogram. Seismolog je vědec, který provádí výzkum seismologie.

Dějiny

Odborný zájem o zemětřesení lze vysledovat až do starověku. Rané spekulace o přirozených příčinách zemětřesení byly zahrnuty do spisů Thales Milétu (asi 585 př. n. l.), Anaximeny z Milétu (asi 550 př. n. l.), Aristoteles (c. 340 př. n. l.) a Zhang Heng (132 CE).

V roce 132 nl, Zhang Heng z Číny Dynastie Han navrhl první známý seismoskop.[1][2][3]

V 17. století Athanasius Kircher tvrdil, že zemětřesení byla způsobena pohybem ohně v systému kanálů uvnitř Země. Martin Lister (1638 až 1712) a Nicolas Lemery (1645 až 1715) navrhl, že zemětřesení byla způsobena chemickými výbuchy uvnitř Země.[4]

The Lisabonské zemětřesení z roku 1755, který se shodoval s obecným rozkvětem vědy v Evropě, dal do pohybu intenzivnější vědecké pokusy porozumět chování a příčinám zemětřesení. Mezi nejčasnější odpovědi patří práce od John Bevis (1757) a John Michell (1761). Michell určil, že zemětřesení pocházejí ze Země a šlo o vlny pohybu způsobené „přesunem masy skalních mil pod povrch“.[5]

Od roku 1857, Robert Mallet položil základ instrumentální seismologie a provedl seismologické experimenty s použitím výbušnin. Je také zodpovědný za vytváření slova „seismologie“.[6]

V roce 1897 Emil Wiechert Teoretické výpočty ho vedly k závěru, že Zemský interiér sestává z pláště silikátů obklopujících železné jádro.[7]

V roce 1906 Richard Dixon Oldham identifikoval samostatný příjezd P-vlny, S-vlny a povrchové vlny na seismogramech a našel první jasný důkaz, že Země má centrální jádro.[8]

V roce 1910, po studiu dubna 1906 San Francisco zemětřesení, Harry Fielding Reid předložit „teorie pružného odskoku „který zůstává základem moderních tektonických studií. Vývoj této teorie závisel na značném pokroku dřívějších nezávislých proudů práce na chování elastických materiálů a v matematice.[9]

V roce 1926 Harold Jeffreys byl první, kdo na základě své studie o vlnách zemětřesení tvrdil, že pod pláštěm je jádro Země tekuté.[10]

V roce 1937 Inge Lehmann určil, že v zemské kapalině vnější jádro tam je pevná látka vnitřní jádro.[11]

V šedesátých letech se věda o Zemi vyvinula do bodu, kdy se v dnes již dobře zavedené teorii o Zemi spojila komplexní teorie příčin seismických událostí a geodetických pohybů. tektonika desek.

Typy seismických vln

Hlavní článek: Seismická vlna
Three lines with frequent vertical excursions.
Záznamy seismogramů ukazující tři složky pozemního pohybu. Červená čára označuje první příchod P-vln; zelená čára, pozdější příchod S-vln.

Seismické vlny jsou elastické vlny které se šíří v pevných nebo tekutých materiálech. Lze je rozdělit na tělesné vlny které cestují vnitřkem materiálů; povrchové vlny které cestují podél povrchů nebo rozhraní mezi materiály; a normální režimy, forma stojaté vlny.

Tělesné vlny

Existují dva typy tělesných vln, tlakové vlny nebo primární vlny (P-vlny) a stříhat nebo sekundární vlny (S-vlny ). P-vlny jsou podélné vlny které zahrnují komprese a expanze ve směru, ve kterém se vlna pohybuje, a jsou vždy prvními vlnami, které se objeví na seismogramu, protože jsou nejrychleji se pohybujícími vlnami v pevných látkách. S-vlny jsou příčné vlny které se pohybují kolmo ke směru šíření. S-vlny jsou pomalejší než P-vlny. Proto se na seismogramu objevují později než P-vlny. Kapaliny nemohou podporovat příčné elastické vlny kvůli své nízké smykové pevnosti, takže S-vlny cestují pouze v pevných látkách.[12]

Povrchové vlny

Povrchové vlny jsou výsledkem interakce P- a S-vln s povrchem Země. Tyto vlny jsou disperzní, což znamená, že různé frekvence mají různé rychlosti. Dva hlavní typy povrchových vln jsou Rayleighovy vlny, které mají jak kompresní, tak smykové pohyby, a Vlny lásky, které jsou čistě smykové. Rayleighovy vlny jsou výsledkem interakce P-vln a vertikálně polarizovaných S-vln s povrchem a mohou existovat v jakémkoli pevném médiu. Vlny lásky jsou tvořeny horizontálně polarizovanými vlnami S interagujícími s povrchem a mohou existovat pouze v případě, že dojde ke změně elastických vlastností s hloubkou v pevném médiu, což je vždy případ seismologických aplikací. Povrchové vlny cestují pomaleji než P-vlny a S-vlny, protože jsou výsledkem těchto vln cestujících po nepřímých cestách k interakci s povrchem Země. Protože cestují po povrchu Země, jejich energie se rozpadá méně rychle než vlny těla (1 / vzdálenost2 vs. 1 / vzdálenost3), a tedy třes způsobený povrchovými vlnami je obecně silnější než u tělesných vln a primární povrchové vlny jsou tak často největšími signály na seismogramech zemětřesení. Povrchové vlny jsou silně vzrušené, když je jejich zdroj blízko povrchu, jako při mělkém zemětřesení nebo výbuchu na blízkém povrchu, a jsou mnohem slabší pro zdroje hlubokého zemětřesení.[12]

Normální režimy

Viz také: Volné oscilace Země

Tělové i povrchové vlny jsou cestující vlny; velká zemětřesení však mohou také celou Zemi „zazvonit“ jako rezonanční zvon. Toto vyzvánění je směsí normální režimy s diskrétními frekvencemi a periodami přibližně hodinu nebo kratšími. Pohyb v normálním režimu způsobený velmi velkým zemětřesením lze pozorovat až měsíc po události.[12] První pozorování normálních režimů byla provedena v 60. letech, kdy se nástup přístrojů s vyšší věrností shodoval s dvěma z největších zemětřesení 20. století - 1960 Valdivia zemětřesení a Zemětřesení na Aljašce v roce 1964. Od té doby nám normální režimy Země poskytly některá z nejsilnějších omezení v hluboké struktuře Země.

Zemětřesení

Hlavní články: Zemětřesení a Seznamy zemětřesení

Jeden z prvních pokusů o vědecké studium zemětřesení následoval po zemětřesení v Lisabonu z roku 1755. Mezi další pozoruhodná zemětřesení, která podnítila velký pokrok ve vědě seismologie, patří 1857 zemětřesení v Basilicata, zemětřesení v San Francisku v roce 1906, zemětřesení v roce 1964 na Aljašce, v roce 2004 Sumatra-andamanské zemětřesení a 2011 Velké zemětřesení ve východním Japonsku.

Řízené seismické zdroje

Viz také: Reflexní seismologie

Seismické vlny produkované exploze nebo vibracemi řízené zdroje jsou jednou z primárních metod podzemní průzkum v geofyzice (kromě mnoha různých elektromagnetické metody jako indukovaná polarizace a magnetotellurika ). K mapování byla použita seismologie řízeného zdroje solné kopule, antiklinály a další geologické pasti v ropa -ložisko skály, poruchy, typy hornin a dlouho pohřbený obr meteor krátery. Například Kráter Chicxulub, který byl způsoben nárazem, který byl podílí se na vyhynutí z dinosauři, byl lokalizován do Střední Ameriky analýzou ejecta v Křída – paleogenní hranice, a poté se fyzicky prokázalo, že existuje seismickými mapami z průzkum ropy.[13]

Detekce seismických vln

Instalace pro dočasnou seismickou stanici na severu Islandu.

Seismometry jsou senzory, které detekují a zaznamenávají pohyb Země vyplývající z elastických vln. Seismometry mohou být rozmístěny na zemském povrchu, v mělkých klenbách, ve vrtech nebo pod vodou. Kompletní balíček nástrojů, který zaznamenává seismické signály, se nazývá a seismograf. Sítě seismografů nepřetržitě zaznamenávají pozemní pohyby po celém světě, aby usnadnily monitorování a analýzu globálních zemětřesení a dalších zdrojů seismické aktivity. Rychlé umístění zemětřesení tsunami varování možná, protože seismické vlny cestují podstatně rychleji než vlny tsunami. Seismometry také zaznamenávají signály z nezemětřesných zdrojů od výbuchů (jaderných a chemických) až po místní hluk z větru[14] nebo antropogenní aktivity, neustálé signály generované na dně oceánu a na pobřeží vyvolané vlnami oceánu (globální mikroseismus ), do kryosférický události spojené s velkými ledovci a ledovci. Nadmořský meteor útočí s energií až 4,2 × 1013 J (ekvivalent výbuchu uvolněného výbuchem deseti kilotun TNT) byly zaznamenány seismografy, stejně jako řada průmyslových nehod a teroristických bomb a událostí (obor označovaný jako forenzní seismologie ). Hlavní dlouhodobou motivací pro globální seismografické monitorování bylo zjištění a studium jaderné testování.

Mapování vnitřku Země

Hlavní článek: Zemský interiér
Diagram with concentric shells and curved paths
Seismické rychlosti a hranice ve vnitřku EU Země vzorkovány seismickými vlnami

Protože seismické vlny se běžně účinně šíří při interakci s vnitřní strukturou Země, poskytují neinvazivní metody studia vnitřku planety s vysokým rozlišením. Jedním z prvních důležitých objevů (navrhl Richard Dixon Oldham v roce 1906 a definitivně ukázal Harold Jeffreys v roce 1926) bylo, že vnější jádro Země je kapalná. Vzhledem k tomu, že S-vlny neprocházejí kapalinami, kapalné jádro způsobí „stín“ na straně planety naproti zemětřesení, kde nejsou pozorovány žádné přímé S-vlny. Kromě toho vlny P cestují vnějším jádrem mnohem pomaleji než plášť.

Zpracování údajů z mnoha seismometrů pomocí seismická tomografie, seismologové zmapovali plášť Země na rozlišení několika stovek kilometrů. To vědcům umožnilo identifikovat konvekční buňky a další rozsáhlé funkce, jako je velké provincie s nízkou smykovou rychlostí blízko hranice jádro-plášť.[15]

Seismologie a společnost

Předpověď zemětřesení

Hlavní článek: Předpověď zemětřesení

Předpovídá se pravděpodobné načasování, místo, velikost a další důležité rysy nadcházející seismické události předpověď zemětřesení. Seismologové a další podnikli různé pokusy o vytvoření účinných systémů pro přesné předpovědi zemětřesení, včetně Metoda VAN. Většina seismologů nevěří, že dosud byl vyvinut systém poskytující včasná varování pro jednotlivá zemětřesení, a mnozí věří, že je nepravděpodobné, že by takový systém poskytl užitečné varování před hrozícími seismickými událostmi. Obecnější předpovědi však běžně předpovídají seismické nebezpečí. Tyto předpovědi odhadují pravděpodobnost zemětřesení určité velikosti, které ovlivní konkrétní místo v určitém časovém rozpětí, a jsou běžně používány v zemětřesení inženýrství.

Po italských úřadech vypukla veřejná diskuse o předpovědi zemětřesení obžalován šest seismologů a jeden vládní úředník pro zabití ve spojení s zemětřesení o síle 6,3 stupně v italské L'Aquile dne 5. dubna 2009. Obžaloba byla široce vnímána[kým? ] jako obžaloba za to, že nedokázala předpovědět zemětřesení, a odsoudila Americká asociace pro rozvoj vědy a Americká geofyzikální unie. Obžaloba tvrdí, že na zvláštním setkání v L'Aquile týden před zemětřesením se vědci a úředníci více zajímali o uklidnění populace než o poskytnutí adekvátních informací o riziku a připravenosti na zemětřesení.[16]

Inženýrská seismologie

Inženýrská seismologie je studium a aplikace seismologie pro inženýrské účely.[17] Obecně se vztahovalo na obor seismologie, který se zabývá hodnocením seizmického nebezpečí lokality nebo oblasti pro účely zemětřesení. Jedná se tedy o spojení mezi věda o Zemi a stavební inženýrství.[18] Existují dvě hlavní složky inženýrské seismologie. Za prvé, studium historie zemětřesení (např. Historické[18] a instrumentální katalogy[19] seismicity) a tektonika[20] posoudit zemětřesení, která by se mohla v regionu vyskytnout, a jejich vlastnosti a četnost výskytu. Zadruhé, studium silných pozemních pohybů generovaných zemětřesením za účelem posouzení očekávaného otřesu z budoucích zemětřesení s podobnými charakteristikami. Tyto silné pohyby země mohly být buď pozorováním akcelerometry nebo seismometry nebo simulované počítači pomocí různých technik[21], které se pak často používají k vývoji rovnic predikce pohybu země[22] (nebo modely zemního pohybu)[1].

Nástroje

Seismologické nástroje mohou generovat velké množství dat. Systémy pro zpracování těchto údajů zahrnují:

Pozoruhodní seismologové

Viz také: Kategorie: Seismologové

Viz také

Poznámky

  1. ^ Needham, Joseph (1959). Science and Civilization in China, Volume 3: Mathematics and the Sciences of the Nebes and the Earth. Cambridge: Cambridge University Press. 626–635. Bibcode:1959 scc3.book ..... N.
  2. ^ Dewey, James; Byerly, Perry (únor 1969). "Časná historie seismometrie (do roku 1900)". Bulletin of Seismological Society of America. 59 (1): 183–227.
  3. ^ Agnew, Duncan Carr (2002). "Historie seismologie". International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology. Mezinárodní geofyzika. 81A: 3–11. doi:10.1016 / S0074-6142 (02) 80203-0. ISBN  9780124406520.
  4. ^ Udías, Agustín; Arroyo, Alfonso López (2008). „Lisabonské zemětřesení z roku 1755 ve španělských současných autorech“. V Mendes-Victor, Luiz A .; Oliveira, Carlos Sousa; Azevedo, João; Ribeiro, Antonio (eds.). Zemětřesení v Lisabonu z roku 1755: znovu navštíveno. Springer. p. 14. ISBN  9781402086090.
  5. ^ Člen Královské akademie v Berlíně (2012). Historie a filozofie zemětřesení v doprovodu „dohadů o příčině a pozorování fenoménu zemětřesení“ Johna Michella. Cambridge Univ Pr. ISBN  9781108059909.
  6. ^ Society, The Royal (2005-01-22). „Robert Mallet a„ Velké neapolské zemětřesení “z roku 1857“. Poznámky a záznamy. 59 (1): 45–64. doi:10.1098 / rsnr.2004.0076. ISSN  0035-9149. S2CID  71003016.
  7. ^ Barckhausen, Udo; Rudloff, Alexander (14. února 2012). „Zemětřesení na známce: poctěn Emil Wiechert“. Eos, Transakce Americká geofyzikální unie. 93 (7): 67. Bibcode:2012EOSTr..93 ... 67B. doi:10.1029 / 2012eo070002.
  8. ^ „Oldham, Richard Dixon“. Kompletní slovník vědecké biografie. 10. Synové Charlese Scribnera. 2008. str. 203.
  9. ^ „Reidova elastická teorie odskočení“. 1906 Zemětřesení. Geologický průzkum Spojených států. Citováno 6. dubna 2018.
  10. ^ Jeffreys, Harold (01.06.1926). „O amplitudách tělesných seismických vln“. Geophysical Journal International. 1: 334–348. Bibcode:1926GeoJ .... 1..334J. doi:10.1111 / j.1365-246X.1926.tb05381.x. ISSN  1365-246X.
  11. ^ Hjortenberg, Eric (prosinec 2009). „Pracovní materiály Inge Lehmann a archiv seizmologických epistolárů“. Annals of Geophysics. 52 (6). doi:10,4401 / ag-4625.
  12. ^ A b C Gubbins 1990
  13. ^ Schulte a kol. 2010
  14. ^ Naderyan, Vahid; Hickey, Craig J .; Raspet, Richard (2016). "Vítr vyvolaný pohyb země". Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 121 (2): 917–930. Bibcode:2016JGRB..121..917N. doi:10.1002 / 2015JB012478.
  15. ^ Wen & Helmberger 1998
  16. ^ Hall 2011
  17. ^ Plimer, Richard C. Selley L. Robin M. CocksIan R., vyd. (01.01.2005). „Redaktoři“. Encyklopedie geologie. Oxford: Elsevier. 499–515. doi:10.1016 / b0-12-369396-9 / 90020-0. ISBN  978-0-12-369396-9.
  18. ^ A b Ambraseys, N.N. (1988-12-01). "Inženýrská seismologie: část I". Zemětřesení a strukturální dynamika. 17 (1): 1–50. doi:10,1002 / ekv. 4290170101. ISSN  1096-9845.
  19. ^ Wiemer, Stefan (01.05.2001). "Softwarový balíček pro analýzu seismicity: ZMAP". Dopisy o seismologickém výzkumu. 72 (3): 373–382. doi:10,1785 / gssrl.72.3.373. ISSN  0895-0695.
  20. ^ Bird, Peter; Liu, Zhen (01.01.2007). „Seismic Hazard Inferred from Tectonics: California“. Dopisy o seismologickém výzkumu. 78 (1): 37–48. doi:10,1785 / gssrl.78.1.37. ISSN  0895-0695.
  21. ^ Douglas, John; Aochi, Hideo (10. 10. 2008). „Průzkum technik pro předpovídání zemětřesení Pozemní pohyby pro technické účely“ (PDF). Průzkumy v geofyzice. 29 (3): 187–220. Bibcode:2008SGeo ... 29..187D. doi:10.1007 / s10712-008-9046-r. ISSN  0169-3298. S2CID  53066367.
  22. ^ Douglas, John; Edwards, Benjamin (01.09.2016). „Nedávný a budoucí vývoj odhadu pohybu zemětřesení“ (PDF). Recenze vědy o Zemi. 160: 203–219. Bibcode:2016ESRv..160..203D. doi:10.1016 / j.earscirev.2016.07.005.
  23. ^ Lee, W. H. K .; S. W. Stewart (1989). „Zpracování ve velkém měřítku a analýza dat digitálních křivek ze sítě USGS Central California Microearthquake Network“. Observatořová seismologie: výroční sympozium u příležitosti stého výročí Kalifornské univerzity v seismografických stanicích Berkeley. University of California Press. p. 86. ISBN  9780520065826. Citováno 2011-10-12. Systém CUSP (Caltech-USGS Seismic Processing) se skládá z on-line rutinních metod sběru dat o zemětřesení v reálném čase, spojených s off-line sadou procesů redukce, časování a archivace dat. Jedná se o kompletní systém pro zpracování dat o místních zemětřeseních ...
  24. ^ Akkar, Sinan; Polat, Gülkan; van Eck, Torild, eds. (2010). Data o zemětřesení v inženýrské seismologii: prediktivní modely, správa dat a sítě. Geotechnické, geologické a zemětřesení. 14. Springer. p. 194. ISBN  978-94-007-0151-9. Citováno 2011-10-19.

Reference

externí odkazy