Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях

Хлопок в ладоши возбуждает звуковые волны, которые дале­ко расходятся в воздухе, где попеременно происходит сжатие и разрежение; механическая энергия начального движения рук превращается в воздушные вибрации. Камень, брошенный в во­ду, создает волны, расходящиеся на поверхности воды в виде ря­би. Приблизительно то же самое происходит со студнеобразны­ми или другими упругими материалами: резкий толчок застав­ляет их дрожать вследствие распространения упругих волн от места толчка через все упругое тело. Горные породы Земли так­же обладают упругими свойствами, и это заставляет их дефор­мироваться и вибрировать под действием приложенных к ним сил сжатия и растяжения.

Проникнуть в природу землетрясения далеко не просто, но, к счастью, только три главных типа упругих волн создают те сейсмические колебания, которые ощущаются людьми и вызы­вают разрушения. Эти волны во многих важных отношениях подобны хорошо знакомым нам колебаниям в воздухе, воде и студне. Из них только два типа распространяются внутри объема горных пород. Более быстрые из этих объемных волн на­зываются первичными (Р) или продольными волнами. Их движе­ние имеет тот же характер, что и у звуковых волн, т. е. при своем распространении они попеременно давят на горные породы (сжи­мают их) или создают в них разрежение, растягивают их (рис. 5,а). Эти Р-волны, подобно звуковым волнам, способны прохо­дить и через твердые породы, например гранитные горные мас­сивы, и через жидкости, такие как вулканическая магма или вода океанов. Следует отметить, что из-за сходства этих волн со зву­ковыми часть Р-волн, выходя из глубин Земли к ее поверхности, может передаваться в атмосферу в виде звуковых волн, воспри­нимаемых животными и людьми, если частота их окажется в ин­тервале слышимости*).

Более медленные волны, проходящие через горные породы, называются вторичными (S) или поперечными волнами. При своем распространении они сдвигают частицы вещества в сто­роны, под прямым углом к направлению своего пути (рис. 5,6). Простое наблюдение ясно показывает, что если какой-то объем жидкости сдвинуть в сторону или повернуть, то он не вернется затем на прежнее место. Из этого следует, что поперечные волны не могут проходить через те участки Земли, которые состоят из жидкости, например через океаны.

Фактическая скорость продольных и поперечных сейсмиче­ских волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород и грунтов, через которые эти волны проходят. Некоторые харак­терные значения скорости и ряд физических закономерностей приводятся в добавочном материале в конце главы (см. дополне­ние 1). В большинстве случаев при землетрясениях продольные волны ощущаются первыми. Их действие похоже на удар воз­душной волны, которая создает грохот и треск стекол в окнах. Спустя несколько секунд приходят поперечные волны, которые раскачивают все на своем пути вверх-вниз и из стороны в сторо­ну и смещают поверхность грунта как по вертикали, так и по го­ризонтали. Именно эти колебания и приводят к наибольшему повреждению построек.

Сейсмические волны третьего типа называются поверх­ностными волнами, поскольку их распространение ограничено зоной, близкой к поверхности грунта. Такие волны подобны ря­би, расходящейся по поверхности озера. Наибольшие колебания происходят на самой поверхности, а с глубинрй амплитуда волн становится меньше и меньше.

Поверхностные волны, создаваемые землетрясениями, делят­ся на два вида. Первый называется волнами Лява. Эти волны в сущности то же самое, что поперечные волны без верти­кальных смещений; они заставляют частицы грунта колебаться

из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной поверхности Земли, но под прямым углом к направлению своего распространения, как это показано на рис. 5,в. Воздействие волн Лява состоит в горизонтальных колебаниях, которые передаются основаниям построек и, следовательно, могут вызвать разруше­ния. Второй вид поверхностных волн известен под названием волн Рэлея. Как и в обычных морских волнах, частицы материа­ла, захваченного волнами Рэлея, движутся по вертикали и по го­ризонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по на­правлению распространения волн. Как показано на рис. 5,2, каждая частица породы при прохождении волны движется по эллипсу.

Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и из двух видов поверхностных волн обычно волны Лява приходят быстрее, чем Рэлея (см. дополнение 1). Таким образом, когда из очага землетрясения волны расходятся в раз­ные стороны в земной коре, то можно предсказать, каким имен­но образом отделятся друг от друга разные типы волн (пример таких расчетов приведен в приложении Ж в конце книги; в этом примере сейсмограф записывал только вертикальные колебания грунта и на сейсмограмме выделяются только продольные вол­ны, поперечные волны и волны Рэлея; волны Лява вертикальны­ми приборами не записываются). Поскольку волны Рэлея содер­жат вертикальную составляющую, они могут воздействовать на воду, например в озерах, тогда как волны Лява (которые не про­ходят через воду) действуют только на прибрежные части озер и океанских заливов, заставляя воду смещаться взад-вперед и перемешиваться, как у стенок вибрирующего бака.

Объемные волны (продольные • и поперечные) обладают и другим свойством, влияющим на производимые ими сотрясе­ния: при распространении через пласты горных пород земной коры они отражаются от границ между породами разного типа или преломляются на этих границах, как показано на рис. 6,а. Кроме того, какая бы волна ни испытывала отражения или пре­ломления, часть энергии волн одного типа идет на образование волн другого типа (рис. 6,6). Возьмем простой пример: продоль­ная волна подходит снизу к подошве слоя аллювия; при этом часть энергии будет передаваться вверх в виде продольной вол­ны (Р), а часть превратится в поперечные колебания (S) (еще одна часть энергии отразится обратно вниз в виде Р- и S-волн).

Рис. 5. Схемы, изображающие форму колебаний грунта у его поверхности для четырех типов сейсмических волн. (Из книги Б. Болта [5].)

а-продольные волны, б-поперечные волны, в-волны Лява, г-волны Рэлея

Рис. 6. а -упрощенная схема путей распространения продольных и поперечных сейсмических волн, отражающихся и преломляющихся в различных структурах земной коры, б-отражение и преломление продольной (Р) волны на границе ме­жду породами двух типов [5].

Из сказанного становится понятно, почему на суше после первых толчков при сильных колебаниях грунта обычно ощу­щаются волны двух видов. Но если во время землетрясения вы окажетесь в море, то почувствуете, что судно воспринимает толь­ко один вид колебаний, передаваемый Р-волнами, так как S-волны не проходят через воду. Тот же эффект возникает, когда при сейсмических колебаниях в песчаных слоях происходит раз­жижение. Энергия поперечных волн, проходящих через разжи­женные слои, постепенно уменьшается, и в конце концов прохо­дят только продольные волны.

Когда Р- и S-волны достигают поверхности грунта, большая часть их энергии отражается обратно в земную кору, так что на поверхность почти одновременно воздействуют волны, движу­щиеся и вверх, и вниз. Поэтому вблизи поверхности, как прави­ло, происходит значительное усиление колебаний: иногда их ам­плитуда вдвое превышает амплитуду приходящих волн. Это приповерхностное увеличение амплитуды усиливает разрушения, производимые на поверхности Земли. В самом деле, при многих землетрясениях горнорабочие отмечали в подземных выработ­ках колебания более слабые, чем ощущали люди на поверх­ности.

Однако приведенное здесь описание не дает полного представления о тех мощных толчках, которые ощущаются вбли­зи эпицентра землетрясения. У внезапно вскрывшегося разлома, такого как Сан-Андреас в 1906 г., сильные движения грунта, от­мечаемые при землетрясении, представляют собой смесь сейсми­ческих волн различного типа, трудно отделимых друг от друга. Дело осложняется и тем, что источник излучения сейсмической энергии сам занимает какую-то площадь, и это еще больше уси­ливает беспорядочность разнородных колебаний грунта. Тем не менее позже в этой книге (в гл. 4, 6 и 7) мы попытаемся ра­зобраться в этих сложных движениях путем анализа инструмен­тальных записей сильных колебаний грунта, полученных вблизи очага землетрясения.

И последнее, что стоит сказать здесь по поводу сейсмических волн. Имеются убедительные доказательства-как наблюдавшие­ся на практике, так и теоретические,-что на сейсмические волны воздействуют и грунтовые условия, и рельеф местности. Напри­мер, в выветрелых поверхностных породах, в аллювии и водо-насыщенных грунтах амплитуда сейсмических волн, приходящих из более жестких глубинных пород, может и увеличиваться, и уменьшаться. Это означает, что, хотя детали волнового воздей­ствия очень сложны и усиление колебаний грунта может проис­ходить не беспредельно, все же было бы весьма благоразумно следовать, насколько возможно, библейскому совету — строить на твердой скале, а не на песке: по крайней мере основание по­стройки будет более устойчивым. Колебания могут усиливаться также у вершины или у подножья горного хребта в зависимости от направления подхода волн и от того, короткие это волны или длинные.

Разлом Сан-Андреас, как гигантский шрам, пересекает равнину Карризо в Ка­лифорнии. (С разрешения Р. Э. Уоллеса, Геологическая служба США.)