Посетители сейсмологических обсерваторий при виде сейсмограмм часто испытывают разочарование: ведь это всего лишь строчки запутанных волнистых линий. Однако именно по ним сейсмологи определяют магнитуду и эпицентр землетрясения. Хотя при интерпретации сейсмограмм очень важно иметь опыт, первые основы чтения этих неровных линий вполне доступны каждому. Во-первых, вспомним, что сейсмические волны бывают преимущественно трех типов: два из них-продольные и поперечные-проходят через тело Земли, а третьи-поверхностные — распространяются вокруг Земли (см. рис. 5 в гл. 2). Если мы как следует вглядимся в сейсмограмму, то увидим, что на ней присутствуют все эти волны, особенно если запись произведена чувствительным сейсмографом на значительном расстоянии от очага землетрясения. Волны каждого типа воздействуют на маятники своим особым образом. Во-вторых, прибытие той или иной сейсмической волны определенным образом влияет на характер записи: записываемые колебания становятся более острыми или более плавными, чем раньше, увеличивается амплитуда, меняется ритм (частота) волн. В-третьих, опираясь на опыт расшифровки других сейсмограмм, интерпретатор может выделить в первом приближении момент прихода различных фаз.
Посмотрим на сейсмограмму, показанную на рис. 4. Это обрывок длинной бумажной ленты, снятой с вращающегося барабана одного из сейсмографов, установленных на обсерватории Калифорнийского университета в Беркли. Записанное на ленте землетрясение-афтершок Оровильского землетрясения 1975 г. в Калифорнии. На самом деле линия, прочерчиваемая на барабане, идет по спирали, но, естественно, когда ленту расстилают на столе, как это сделано в случае рис. 4, строчки записи кажутся прямыми. Обратите внимание на ряды резкого смещения линий: они с большой точностью показывают интервалы времени. Точный отсчет времени-это главнейшее требование в сейсмологии, и большинство обсерваторий оснащено теперь кварцевыми
часами, которые показывают время по Гринвичу (Англия) с точностью до тысячных долей секунды. Кроме того, марки времени наносятся на записи по радиосигналам службы времени (в США-по сигналам длинноволновых радиостанций). На рис. 4 интервал между марками времени составляет 1 минуту. Барабан вращается так, что на ленте время возрастает слева направо.
На сейсмограмме нет ни одного отрезка, где не было бы мелких извилин. Так происходит потому, что данный сейсмограф очень чувствителен и записывает непрерывный, хотя и неощутимый для человека, шумовой фон Земли. Эти мельчайшие колебания, называемые микросейсмамщ возникают в результате множества местных возмущений, причиной которых может быть транспорт на улицах, ветер в кронах деревьев и другие виды движения в природе, например удары прибоя о морской берег. Рассмотрим теперь отрезок записи, отмеченный стрелкой с буквой Р (см. рис. 4). Очевидно, в этот момент сейсмограф отметил существенное изменение колебаний грунта. Пришедшая в этот момент волна несколько большего размера-это первая продольная волна, возникшая в результате подвижки по разлому в очаге землетрясения вблизи Оровилла (Калифорния). Колебания, последовавшие за этой первой волной, продолжаются около 21 с. Затем мы видим радикальное изменение характера записи. У стрелки, обозначенной буквой S, амплитуда колебаний резко увеличивается, и интервал между пиками (период волн) возрастает. Эта точка на сейсмограмме отвечает приходу из очага землетрясения первой поперечной волны. Интервал между приходом поперечной и продольной волн этого землетрясения в Беркли составил 21,0 секунды.
Переместим теперь взгляд немного дальше по записи вправо. После первой поперечной волны в течение примерно двух минут в Беркли продолжала прибывать длинная вереница волн, которым для того, чтобы достичь этого места, потребовалось больше времени, чем объемным волнам. Поскольку на сейсмограмме, показанной на рис. 4, записаны колебания грунта в вертикальном направлении, то вереница (цуг) более поздних-поверхностных-волн соответствует волнам Рэлея, представленным на рис. 5 в гл. 2.
Как высота ряби в пруду уменьшается по мере того, как волны расходятся от центра возмущения, точно так же и сейсмические волны, распространяющиеся в Земле, постепенно теряют свою энергию, захватывая все большую и большую площадь. При этом продольные и поперечные волны затухают в ходе распространения быстрее, чем поверхностные, поэтому именно поверхностные волны сохраняют заметную амплитуду на больших расстояниях. Но и вблизи эпицентра землетрясения некоторая доля колебаний вызывается поверхностными волнами.
Более тщательный анализ сейсмограмм показывает, что, хотя волновые колебания представляются непрерывными, вся картина зарегистрированных колебаний все же сложнее, чем можно было бы объяснить приходом одной продольной волны, одной поперечной волны и цуга волн Рэлея. Эта сложность вызвана в значительной мере различиями структуры горных пород вдоль пути распространения волн. Как звуковые волны отражаются от высоких зданий или стенок каньона, образуя эхо, точно так же возникает на границах раздела горных пород сейсмическое эхо, создающее на записи дополнительные всплески, которые при детальной интерпретации удается отнести к тому или иному виду волн (см. рис. 6 в гл. 2).
Поскольку необходимо сравнивать моменты прихода каждой из сейсмических волн на сейсмические обсерватории всего мира, надо всюду использовать одно и то же стандартное время. По традиции на сейсмограммах отмечается среднее гринвичское (GMT), а не местное время. Точно так же считается удобным указывать момент возникновения землетрясения в гринвичском времени. Это время легко перевести в местное*), однако надо иметь в виду, что в некоторых странах для лучшего использования дневного света введено так называемое «декретное время».
Подытожим теперь вкратце сведения о физических принципах, используемых в устройстве сейсмографа. Сейсмические толчки вызывают качания маятника, а они в свою очередь записываются на сейсмограмме в виде волнистой линии. Мы видим на сейсмограммах чередование пиков и впадин, похожее на волны на поверхности океана или вибрации скрипичной струны. Высота каждой волны над ее нулевым положением называется амплитудой волны, а время, необходимое для прохождения полного цикла движения-от одного пика до другого,-называется периодом волны. Частота волны, измеряемая в герцах (Гц)-это число полных колебаний (циклов) в секунду; период представляет собой величину, обратную частоте. Человек может слышать звуки с частотой примерно от 15 до многих тысяч герц. При землетрясениях основные ощутимые колебания имеют частоту ниже 20 Гц: до 1 Гц и даже ниже.
Амплитуды волн на сейсмограмме не эквивалентны фактическим амплитудам записываемых колебаний грунта. Дело в том, что сейсмографы снабжены усиливающими приспособлениями, позволяющими записывать движения грунта с требуемым увеличением (обычно во много тысяч раз). Если учесть коэффициент усиления, то окажется, что амплитуда колебаний грунта, вызванных приходом iS-волны и записанных на сейсмограмме, которая показана на рис. 4, составляет всего лишь доли миллиметра.