Seismologie - Seismology

Animația tsunamiului declanșată de cutremurul din Oceanul Indian din 2004

Seismologie ( / s aɪ z m ɒ l ə dʒ i , s aɪ s - / ; din greaca veche σεισμός ( seismós ) însemnând " cutremur " și -λογία ( -logía ) însemnând "studiul") este studiul științific al cutremurelor și propagarea undelor elastice prin Pământ sau prin alte corpuri asemănătoare planetei. Domeniul include, de asemenea, studii ale efectelor asupra cutremurului, cum ar fi tsunami , precum și diverse surse seismice, cum ar fi procesele vulcanice, tectonice, glaciare, fluviale, oceanice, atmosferice și artificiale, cum ar fi exploziile. Un domeniu înrudit care folosește geologia pentru a deduce informații cu privire la cutremurele din trecut este paleoseismologia . O înregistrare a mișcării Pământului în funcție de timp se numește seismogramă . Un seismolog este un om de știință care face cercetări în seismologie.

Istorie

Interesul științific pentru cutremure poate fi dat din antichitate. Speculațiile timpurii cu privire la cauzele naturale ale cutremurelor au fost incluse în scrierile lui Thales din Milet (c. 585 î.e.n.), Anaximenes din Milet (c. 550 î.Hr.), Aristotel (c. 340 î.Hr.) și Zhang Heng (132 CE).

În 132 CE, Zhang Heng din dinastia Han a Chinei a proiectat primul seismoscop cunoscut .

În secolul al XVII-lea, Athanasius Kircher a susținut că cutremurele au fost cauzate de mișcarea focului într-un sistem de canale din interiorul Pământului. Martin Lister (1638-1712) și Nicolas Lemery (1645-1715) au propus că cutremurele au fost cauzate de explozii chimice în interiorul pământului.

Cutremurul de la Lisabona din 1755 , care coincide cu înflorirea generală a științei în Europa, a pus în mișcare intensificat incercarile științifice pentru a înțelege comportamentul și cauzalitatea cutremurelor. Cele mai vechi răspunsuri includ lucrările lui John Bevis (1757) și John Michell (1761). Michell a stabilit că cutremurele își au originea în Pământ și erau valuri de mișcare cauzate de „deplasarea maselor de roci cu mile sub suprafață”.

Din 1857, Robert Mallet a pus bazele seismologiei instrumentale și a efectuat experimente seismologice folosind explozivi. De asemenea, el este responsabil pentru inventarea cuvântului „seismologie”.

În 1897, calculele teoretice ale lui Emil Wiechert l-au determinat să concluzioneze că interiorul Pământului constă dintr-o manta de silicați, care înconjoară un miez de fier.

În 1906 Richard Dixon Oldham a identificat sosirea separată a undelor P, a undelor S și ​​a undelor de suprafață pe seismograme și a găsit primele dovezi clare că Pământul are un miez central.

În 1909, Andrija Mohorovičić , unul dintre fondatorii seismologiei moderne, a descoperit și a definit discontinuitatea Mohorovičić . De obicei , denumit în continuare „Moho discontinuitatea“ sau „Moho“ , este granița dintre Pământ e crusta și manta . Este definită de schimbarea distinctă a vitezei undelor seismologice, pe măsură ce acestea trec prin densitățile schimbătoare de roci.

În 1910, după ce a studiat cutremurul din San Francisco din aprilie 1906 , Harry Fielding Reid a propus „ teoria elasticului rebotului ” care rămâne baza studiilor tectonice moderne. Dezvoltarea acestei teorii a depins de progresul considerabil al fluxurilor independente anterioare de lucru privind comportamentul materialelor elastice și în matematică.

În 1926, Harold Jeffreys a fost primul care a afirmat, pe baza studiului său asupra valurilor de cutremur, că sub manta, nucleul Pământului este lichid.

În 1937, Inge Lehmann a stabilit că în interiorul miezului exterior lichid al Pământului există un miez interior solid .

În anii 1960, știința Pământului s-a dezvoltat până la punctul în care o teorie cuprinzătoare a cauzalității evenimentelor seismice și a mișcărilor geodezice s-au reunit în teoria acum bine stabilită a tectonicii plăcilor .

Tipuri de unde seismice

Înregistrări de seismogramă care arată cele trei componente ale mișcării solului. Linia roșie marchează prima sosire a undelor P; linia verde, sosirea ulterioară a undelor S.

Undele seismice sunt unde elastice care se propagă în materiale solide sau fluide. Ele pot fi împărțite în unde corporale care călătoresc prin interiorul materialelor; unde de suprafață care se deplasează de-a lungul suprafețelor sau interfețelor dintre materiale; și moduri normale , o formă de undă staționară.

Undele corpului

Există două tipuri de unde ale corpului, unde de presiune sau unde primare (unde P) și unde de forfecare sau secundare (unde S ). Undele P sunt unde longitudinale care implică compresie și expansiune în direcția în care unda se mișcă și sunt întotdeauna primele unde care apar pe o seismogramă deoarece sunt cele mai rapide mișcări prin solide. Undele S sunt unde transversale care se mișcă perpendicular pe direcția de propagare. Undele S sunt mai lente decât undele P. Prin urmare, ele apar mai târziu decât undele P pe o seismogramă. Fluidele nu pot susține undele elastice transversale datorită rezistenței la forfecare reduse, astfel încât undele S se deplasează numai în solide.

Undele de suprafață

Undele de suprafață sunt rezultatul undelor P și S care interacționează cu suprafața Pământului. Aceste unde sunt dispersive , ceea ce înseamnă că frecvențe diferite au viteze diferite. Cele două tipuri principale de unde de suprafață sunt undele Rayleigh , care au atât mișcări de compresiune, cât și mișcări de forfecare și unde Love , care sunt pur forfecare. Undele Rayleigh rezultă din interacțiunea undelor P și a undelor S polarizate vertical cu suprafața și pot exista în orice mediu solid. Undele dragostei sunt formate din unde S polarizate orizontal care interacționează cu suprafața și pot exista doar dacă există o modificare a proprietăților elastice cu adâncimea într-un mediu solid, ceea ce este întotdeauna cazul în aplicațiile seismologice. Undele de suprafață călătoresc mai încet decât undele P și undele S, deoarece sunt rezultatul acestor unde care călătoresc de-a lungul căilor indirecte pentru a interacționa cu suprafața Pământului. Deoarece călătoresc de-a lungul suprafeței Pământului, energia lor se descompune mai puțin rapid decât undele corpului (1 / distanța ² vs. 1 / distanța ³ ) și, astfel, tremurul cauzat de undele de suprafață este în general mai puternic decât cel al undelor corpului, iar undele de suprafață primare sunt deseori cele mai mari semnale pe seismogramele cutremurului. Undele de suprafață sunt puternic excitate atunci când sursa lor este aproape de suprafață, ca într-un cutremur superficial sau o explozie aproape de suprafață și sunt mult mai slabe pentru sursele de cutremur adânc.

Moduri normale

Atât valurile corpului, cât și cele de suprafață sunt valuri călătoare; cu toate acestea, cutremurele mari pot face și întregul Pământ să „sune” ca un clopot rezonant. Acest sunet este un amestec de moduri normale cu frecvențe discrete și perioade de aproximativ o oră sau mai scurte. Mișcarea în modul normal cauzată de un cutremur foarte mare poate fi observată până la o lună după eveniment. Primele observații ale modurilor normale au fost făcute în anii 1960, deoarece apariția instrumentelor de fidelitate superioară a coincis cu două dintre cele mai mari cutremure din secolul 20, cutremurul Valdivia din 1960 și cutremurul din Alaska din 1964 . De atunci, modurile normale ale Pământului ne-au dat unele dintre cele mai puternice constrângeri asupra structurii profunde a Pământului.

Cutremure

Una dintre primele încercări de studiu științific al cutremurelor a urmat cutremurului de la Lisabona din 1755. Alte cutremure notabile care au stimulat progrese majore în știința seismologiei includ cutremurul din Basilicata din 1857 , cutremurul din San Francisco din 1906, cutremurul din Alaska din 1964, cutremurul din Sumatra-Andaman din 2004 și cutremurul din Marea Est-Japonia din 2011 .

Surse seismice controlate

Undele seismice produse de explozii sau surse controlate de vibrații sunt una dintre metodele primare de explorare subterană în geofizică (pe lângă multe metode electromagnetice diferite , cum ar fi polarizarea indusă și magnetotelurica ). Sismologia cu sursă controlată a fost utilizată pentru cartografierea cupolelor de sare , a anticlinalelor și a altor capcane geologice în roci purtătoare de petrol , defecte , tipuri de roci și cratere gigantice de meteoriți îngropate de mult timp . De exemplu, Chicxulub crater , care a fost cauzată de un impact care a fost implicat în dispariția a dinozaurilor , a fost localizată în America Centrală prin analiza provocat de impact în limita Cretacic-Paleogen și apoi dovedit fizic exista folosind hărți seismice din ulei explorare .

Detectarea undelor seismice

Instalare pentru o stație temporară seismică, în nordul Islandei.

Sismometrele sunt senzori care detectează și înregistrează mișcarea Pământului care rezultă din undele elastice. Seismometrele pot fi desfășurate la suprafața Pământului, în bolți de mică adâncime, în foraje sau sub apă . Un pachet complet de instrumente care înregistrează semnale seismice se numește seismograf . Rețelele de seismografe înregistrează continuu mișcări la sol în întreaga lume pentru a facilita monitorizarea și analiza cutremurelor globale și a altor surse de activitate seismică. Localizarea rapidă a cutremurelor face posibile avertismentele de tsunami, deoarece undele seismice călătoresc considerabil mai repede decât valurile de tsunami. Seismometrele înregistrează, de asemenea, semnale de la surse non-cutremure, de la explozii (nucleare și chimice), la zgomot local din vânt sau activități antropice, până la semnale neîncetate generate la fundul oceanului și coastele induse de valurile oceanului ( microseismul global ), la evenimente criosferice. asociate cu aisberguri mari și ghețari. Atacuri meteorice deasupra oceanului cu energii de până la 4,2 × 10 ¹³ J (echivalent cu cel eliberat de o explozie de zece kilotoane de TNT) au fost înregistrate de seismografe, la fel ca și o serie de accidente industriale și bombe teroriste și evenimente (un câmp de studiu denumită seismologie criminalistică ). O motivație majoră pe termen lung pentru monitorizarea seismografică globală a fost detectarea și studierea testelor nucleare .

Cartografierea interiorului Pământului

Viteza și limitele seismice din interiorul Pământului eșantionate de unde seismice

Deoarece undele seismice se propagă în mod eficient în timp ce interacționează cu structura internă a Pământului, ele oferă metode neinvazive de înaltă rezoluție pentru studierea interiorului planetei. Una dintre primele descoperiri importante (sugerată de Richard Dixon Oldham în 1906 și arătată definitiv de Harold Jeffreys în 1926) a fost că miezul exterior al pământului este lichid. Deoarece undele S nu trec prin lichide, miezul lichid provoacă o „umbră” pe partea planetei opusă cutremurului, unde nu sunt observate unde S directe. În plus, undele P călătoresc mult mai lent prin miezul exterior decât mantaua.

Prelucrând citirile de la multe seismometre folosind tomografia seismică , seismologii au cartografiat mantaua pământului la o rezoluție de câteva sute de kilometri. Acest lucru le-a permis oamenilor de știință să identifice celulele de convecție și alte caracteristici la scară largă, cum ar fi provinciile mari cu viteză mică de forfecare din apropierea limitei miez-manta .

Seismologie și societate

Predicția cutremurului

Prognozarea unei probabilități de sincronizare, localizare, amploare și alte caracteristici importante ale unui eveniment seismic viitoare se numește predicția cutremurului . Au fost făcute diverse încercări de către seismologi și de alții pentru a crea sisteme eficiente pentru predicții precise ale cutremurului, inclusiv metoda VAN . Majoritatea seismologilor nu cred că s-a dezvoltat încă un sistem care să furnizeze avertismente în timp util pentru cutremure individuale și mulți cred că un astfel de sistem ar fi puțin probabil să dea un avertisment util cu privire la evenimentele seismice iminente. Cu toate acestea, prognoze mai generale prezic în mod obișnuit pericolul seismic . Astfel de prognoze estimează probabilitatea ca un cutremur de o anumită dimensiune să afecteze o anumită locație într-un anumit interval de timp și sunt utilizate în mod obișnuit în ingineria cutremurului .

Controversa publică cu privire la predicția cutremurului a izbucnit după ce autoritățile italiene au acuzat șase seismologi și un oficial guvernamental pentru omor în legătură cu un cutremur cu magnitudinea 6,3 din L'Aquila, Italia, la 5 aprilie 2009 . Acuzarea a fost percepută pe scară largă ca fiind o acuzație pentru că nu a prezis cutremurul și a condamnat Asociația Americană pentru Avansarea Științei și Uniunea Geofizică Americană . Actul de acuzare susține că, la o ședință specială din L'Aquila, cu o săptămână înainte de producerea cutremurului, oamenii de știință și oficialii erau mai interesați să pacifice populația decât să ofere informații adecvate despre riscul și pregătirea cutremurului.

Seismologie inginerească

Sismologia inginerească este studiul și aplicarea sismologiei în scopuri inginerești. S-a aplicat în general ramurii seismologiei care se ocupă cu evaluarea pericolului seismic al unui sit sau regiune în scopul ingineriei cutremurelor. Prin urmare, este o legătură între știința pământului și ingineria civilă . Există două componente principale ale seismologiei inginerești. În primul rând, studierea istoriei cutremurelor (de exemplu, cataloage istorice și instrumentale de seismicitate) și tectonica pentru a evalua cutremurele care ar putea apărea într-o regiune și caracteristicile și frecvența lor de apariție. În al doilea rând, studierea mișcărilor puternice ale solului generate de cutremure pentru a evalua tremurul așteptat de la viitoarele cutremure cu caracteristici similare. Aceste mișcări puternice la sol ar putea fi fie observații de la accelerometre sau seismometre, fie cele simulate de computere folosind diverse tehnici, care sunt apoi adesea folosite pentru a dezvolta ecuații de predicție a mișcării la sol (sau modele de mișcare la sol) [1] .

Instrumente

Instrumentele seismologice pot genera cantități mari de date. Sistemele de prelucrare a acestor date includ:

• CUSP (Caltech-USGS Seismic Processing)
• Software-ul seismic RadExPro
• SeisComP3

Sismologi notabili

Vezi si

Note

Referințe

linkuri externe

• Centrul Seismologic European-Mediteranean , site-ul de informare a cutremurelor în timp real.
• Societatea Seismologică din America .
• Instituții de cercetare încorporate pentru seismologie .
• Programul USGS privind cutremurele .
• O scurtă istorie a seismologiei până în 1910 (UCSB ERI)