Они проходят через недра Земли. Путь волн преломляется различной плотностью и жёсткостью подземных пород.

Поверхностные волны

Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн. Они бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява.

Цуна́ми (яп. 津波 IPA: где 津 - «порт, залив», 波 - «волна») - длинные волны, порождаемые мощным воздействием на всю толщу воды в океане или другом водоёме. Причиной большинства цунами являются подводныеземлетрясения, во время которых происходит резкое смещение (поднятие или опускание) участка морского дна. Цунами образуются при землетрясении любой силы, но большой силы достигают те, которые возникают из-за сильных землетрясений (с магнитудой более 7). В результате землетрясения распространяется несколько волн. Более 80 % цунами возникают на периферии Тихого океана.

Тема «МАГМАТИЗМ »

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Курс ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ

Курс ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ... Тема ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ГЕОЛОГИИ Вопрос Принцип... Вопрос Специфика современной геологии Разделы современной геологии...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Вопрос №1. Принцип актуализма: униформизм и актуалистический подход.
Принцип актуализма заключается в представлении, что на Земле всегда действовали те же геологические процессы, которые действуют и сейчас. Поэтому среди древних пород должны быть ана

Билет №4. Физические свойства минералов.
Важнейшими характеристиками минералов являются кристаллохимическая структура и состав. Все остальные свойства минералов вытекают из них или с ними взаимосвязаны. Важнейшие свойства минералов, являю

Билет №5. Свойства минералов как кристаллических веществ (симметрия кристаллов, полиморфизм, изоморфизм, распад твердых растворов).
Симметрия кристаллов- закономерная повторяемость или расположение предмета или частей в пространстве. Центр- точка, относительно которой части кристаллической решетки совпадают.

Билет №7. Генетические типы горных пород. Цикл породо-образования.
ГП- естественные агрегаты минералов, которые образуются внутри Земли или на поверхности, под воздействием различных геологических процессов, обладающие устойчивым химическим и минеральным составом.

Билет №8. Структуры и текстуры пород.
Структура – способы расположения в пространстве зерен минералов в горной породе. Характеристика объемного строения ГП, обусловленная формой, размером и способом соединения мине

Вопрос №12. Современные взгляды на образование Вселенной и происхождение химических элементов.
[Строение и современные представления о происхождении Солнечной системы – смотри вопрос №13] Согласно современным представлениям наблюдаемая Вселенная образовалась

Строение Солнечной системы
В состав Солнечной системы входит центральная звезда Солнце, вокруг которой обращаются восемь больших планет (вместе с их спутниками) и огромное количество малых объектов (астероидов, комет и транс

Вопрос №18. Основные границы внутренних оболочек и способы их изучения (P и S волны и их характеристики).
Наиболее важными для изучения внутреннего строения Земли являются так называемые P-волны (продольные) и S-волны (поперечные). В случае продольных P-волн частицы среды колеблются вдоль напр

Вопрос №19. Плотность и давление внутри Земли.
Скоростной разрез Земли - график зависимости скорости прохождения сейсмических волн от глубины, является объективной информацией, получаемой в результате сейсмологических исследований. Плотностной

Вопрос №20. Тепловой режим Земли.
Соотношение солнечного и внутреннего тепла. Главным источником тепла на поверхности Земли является излучение Солнца. Общее количество тепла, поступающего на Землю от Солнца,

Вопрос №21. Магнитное поле Земли и палеомагнитные исследования.
Геомагнитное поле.Основной вкл

Вопрос №24. Строение, мощность, состав и возраст океанической коры.
Океаническая кора имеет среднюю мощность около 8 км. В целом, мощность океанической коры очень выдержанная, но она может значительно увеличиваться в районах океанических вулканическ

Вопрос №25. Химический состав коры и Земли в целом. Понятие о кларках химических элементов.
Химический состав коры. Средний химический состав континентальной коры определен на основе осреднения данных многочисленных химических анализов для отдельных видов горных пор

Вопрос №30. Относительный возраст геологических событий и методы его определения. Основы стратиграфии: законы Стено.
Во второй половине XVII века датский учёный Николай Стено провёл наблюдения смятых в сложные складки слоистых толщ в районе Флоренции. Выражаясь современным языком, Стено наблюдал с

Вопрос №33. Особенности осадочных пород и методы их расчленения и корреляции. Фации осадочных пород. Трансгрессивный и регрессивный разрезы.
Фации осадочных пород. Существует два подхода к определению понятия фации. Согласно палеогеографическому подходу, фация представляет собой физико-географическую обстановку ил

Вопрос №36. Развитие органического мира и основные события геологической истории Земли. Фанерозойский эон.
Палеозойская эра (570 – 250 млн. лет назад). Развитие органического мира. В начале кембрия в осадочных породах появляются многочисленные палеонтологические ос

Билет №39. Деформации горных пород. Ненарушенное и нарушенное залегание горных пород. Элементы залегания.
Изменение формы и объема горных пород под действием сил. Деформации горных пород подразделяются на упругие (упруго-вязкие), пластические (вязко-пластические) и разрывные. При упругих Деформациях го

Элементы залегания слоя
Положение слоя в пространстве характеризуется двумя взаимно перпендикулярными направлениями: линиями простирания и падения, приходящими в плоскости напластования и называемыми элементами залегания

Билет №41. Понятия о деформациях. Упругие и пластические деформации. Разрывные нарушения. Разрывные нарушения на геологических картах.
Понятие о деформациях. Из физики известно, что изменение объема и формы тела, вследствие приложенной к нему силы, называется деформацией. Когда мы сжимаем в руке резиновый мяч, изгибаем палку, удар

Типы вулканических извержений
Характер извержений бывает весьма различным и зависит от температуры лавы и ее химического состава. Эти свойства определяют качество и количество продуктов извержения, наличие и сил

Билет №47. Факторы метаморфизма. Типы метаморфизма.

Билет №48. Факторы метаморфизма. Метаморфические фации. Индекс-минералы – геотермометры и геобарометры.
Главными факторами метаморфизма являются температура, давление, растворы и газы, выделяющиеся из магмы. Обычно эти факторы действуют одновременно, но преобладающим является какой-нибудь один; он и

Лекция Объемные волны

Объемные сейсмические волны подразделяются на три типа: продольные, поперечные и обменные. Последние могут возникать только при наклонном падении волн Р либо SV на границу раздела.

Поверхностные волны, наблюдаемые на свободной поверхности земли, являются с физических позиций производными от объемных волн. В сейсмологии используются два основных типа поверхностных волн, различающихся по ориентации плоскости поляризации: волны Рэлея, поляризованные в вертикальной плоскости, и волны Лява с поляризацией в горизонтальной плоскости. Отметим, что для сложных моделей сред, отличающихся от горизонтально-слоистых, а также для анизотропных сред с произвольной ориентацией осей анизотропии плоскости поляризации волн Рэлея и Лява могут быть иными.

Главная информация о структуре геологических объектов получается на основе объемных волн. Преимущественно это вторичные волны, возникающие на глубинных границах за счет явлений отражения, преломления и дифракции. В частном случае это могут быть прямые (проходящие) и рефрагированные волны, распространяющиеся в определенном объеме.

Вторичные волны подразделяются на отдельные классы, различающиеся как по физической природе их возникновения, так и по лучевой структуре. Основными являются следующие классы объемных волн: отраженные, преломленные, дифрагированные. В каждом из этих классов могут существовать продольные, поперечные и обменные волны. Что касается поверхностных волн, то для них трудно или даже невозможно осуществить подразделение на типы и классы.

ПРЯМЫЕ И ПРОХОДЯЩИЕ ВОЛНЫ

Если между источником и приемником не предполагается целевых геологических объектов, то зондирующая волна в подобной ситуации называется прямой. Основная задача в данном случае состоит в измерении скоростей распространения продольной либо поперечной волны, а также динамических параметров, включая поглощение. При использовании поперечных волн путем изменения направленности в области источника и приемника можно получать сведения о наличии скоростной анизотропии. Если при заданном положении источника наблюдение вести на различных от него расстояниях, то регистрация прямых волн дает возможность измерить коэффициенты поглощения волн, а также детально изучить параметры анизотропии. В соответствии с принципом взаимности аналогичную информацию можно обеспечить при закрепленном приемнике и иных источниках.

Наблюдения на прямых волнах проводятся как во внутренних точках среды (скважины, шахты, рудники), так и на поверхности земли, когда можно предположить, что в пределах базы наблюдений среду можно считать однородной. Прямые волны широко используются при лабораторных исследованиях на высоких частотах, в первую очередь, для прозвучивания образцов горных пород. Проходящие волны отличаются от прямых тем, что между источником и приемником существует либо предполагается геологический объект, изучение которого представляет собой целевую задачу наблюдений. В качестве объекта могут выступать границы раздела, замкнутые или полузамкнутые тела и другие виды неоднородностей. Наблюдения на проходящих волнах могут производиться при распределенных в пространстве источниках либо приемниках, а также тех и других одновременно. Отметим, что при исследованиях на проходящих волнах в тех или иных областях пространства будут наблюдаться прямые волны. Это дает возможность получать сведения об анизотропии, поглощении и других физических параметрах. В среде с гладкими границами раздела и достаточно выраженным перепадом упругих параметров могут существовать как монотипные, так и обменные проходящие волны. Первые из них возникают при любых углах падения волны на границу. При нормальном падении плоской волны как продольной, так и поперечной, поляризация и тип проходящей волны остаются такими же, как у падающей.

В настоящее время использование отраженных волн для изучения верхних частей Земли часто превалирует по отношению к другим классам волн. Наибольшее значение, особенно в сейсморазведке, имеют случаи нормального падения волны на границу. Соответствующие формулы для коэффициентов отражения плоских волн приведены в гл. 1. Они имеют одинаковую структуру для всех типов продольных и поперечных волн. Важно отметить, что если ρ 1 v l <ρ 2 v 2 то коэффициенты отражения принимают отрицательные значения. Это означает, что фаза отраженной волны по отношению к падающей в направлении положительных значений z будет отличаться на 180°. Но поскольку отраженный импульс распространяется в противоположном к падающему направлению, то прибор отметит импульс той же полярности, что и в падающей волне. При ρ 1 v l > ρ 2 v 2 , когда А > 0, наблюдается обратное явление, т. е. изменение полярности в отраженном импульсе по отношению к падающему. При условии v 1 /v 2 =ρ 2 / ρ 1 коэффициент отражения имеет нулевое значение.

Головные волны.

Рассмотрим модель среды в виде однородного слоя постоянной мощности, расположенного на упругом полупространстве. Скорость v 1 в слое (продольных или поперечных волн любой поляризации) меньше, чем скорость v 2 в нижнем полупространстве. Пусть внутри первого слоя либо на свободной границе располагается точечный источник, генерирующий сферические волны (рис. 3.6). Если падающий луч наклонен к нормали под углом α <α кр =arcsin (v 1 /v 2), то во второй среде будут наблюдаться проходящие волны с лучами, наклоненными к нормали в соответствии с законом Снеллиуса под углом β= arcsin (v 2 /v 1) sin α. Поскольку в рассматриваемой модели v 2 > v 1 то β всегда больше, чем α. Когда угол а становится равным а, то угол преломления принимает значение θ= 90°; иначе говоря, преломленный луч направлен вдоль границы раздела. Рассмотренная схема распространения преломленных волн не дает основания предполагать наличие каких-либо дополнительных возмущений в первой среде, исключая отраженные волны, связан ных с явлением преломления. В действительности же, как показывают строгие расчеты и эксперимент, в верхнем слое наблюдаются преломленные волны, получившие название „головных". Природа их может быть лучше понята, если вместо лучей рассматривать фронты волн (см. рис. 3.6, а). В пределах первого слоя фронты представляют собой в двумерной среде дуги окржностей, а в нижнем воспроизводятся в соответствии с принципом Гюйгенса. Вблизи нормали к границе фронты в первой и второй средах смыкаются. В этой области угол преломления меньше 90° и соответственно угол падения меньше критического. При увеличении угла падения изохроны (фронты) в первой и второй средах разрываются на границе раздела. Наличие такого разрыва с физических позиций означает появление в среде дополнительных напряжений, иначе говоря - вторичных источников. В данном случае такой вторичный источник является причиной возникновения в верхней среде головной волны.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ СЕЙСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Принцип, на котором основаны все сейсмические исследования, достаточно прост. Он состоит в том, что в среду посылается некоторый сигнал, как правило, достаточно короткий, а в точке приема фиксируется реакция среды на этот сигнал в виде функции времени a(t). Отклик среды на импульс называется сейсмограммой. Поскольку периоды сейсмических колебаний относительно невелики по сравнению с длительностью a{t), то на сейсмограмме на фоне сложных неупорядоченных колебаний отмечаются регулярные объемные и поверхностные волны. Первые из них фиксируются в виде относительно коротких импульсов и несут основную информацию о глубинном строении геологической среды. Измерение времен прихода импульсов, в том числе первых вступлений, регистрируемых на сейсмограмме, а также анализ амплитуд и формы сейсмических импульсов дают возможность количественно оценить глубины и формы сейсмических границ, скорости распространения волн в среде, наличие дифрагирующих объектов, параметры поглощения и др. Характер колебаний, регистрируемых на сейсмограммах, и выделение отдельных классов и типов волн зависят от конструкции источника, включая характеристики его направленности, а также от параметров среды. Решающее значение имеют также частотные характеристики регистрирующих устройств, чувствительность аппаратуры и ее помехозащищенность. В настоящей главе даются лишь общие сведения о способах возбуждения и регистрации как сейсмических, так и геоакустических (высокочастотных) сигналов.

4.1. ИСТОЧНИКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН

Сейсмические источники подразделяются на естественные и искусственные. К первым относятся прежде всего землетрясения. Ниже указываются только некоторые особенности естественных источников как генераторов сейсмической энергии независимо от их геологической природы. Сейсмические исследования охватывают очень широкий диапазон глубин и размеров объектов - от всей планеты до приповерхностных тел размером в десятки метров. Поэтому источники колебаний должны обладать различной интенсивностью. Осуществляемые на практике источники (не принимая во внимание источники, применяемые в геоакустике) различаются не менее, чем на 10 порядков. Так, например, если вести сравнение по весу зарядов взрывчатого вещества, то для решения планетарных задач требуется применять устройство с тротиловым эквивалентом порядка 50-100 кт, а при регистрации отражений от границ, залегающих на глубинах 200-300 м, чаще всего достаточно взорвать в скважине 25-50 г взрывчатого вещества (ВВ). Искусственные импульсные источники оцениваются весом реального либо приведенного да ВВ, а вибрационные - максимальным давлением, действующим на грунт. Мощность механических источников характеризуют также весом падающего груза и скоростью его движения в точке удара. Целесообразно подразделять источники также по степени их контролируемости. Характер контролируемости источников определяется прежде всего тремя показателями - координатами очага, абсолютным либо относительным временем начала процесса, интенсивностью воздействия. К числу важных показателей следует отнести и механизм очага, определяющий в заданных грунтовых условиях волновой состав возбуждаемых колебаний. По первым трем показателям все источники можно подразделить на три группы. В первую группу входят неконтролируемые по всем показателям воздействия. В основном это землетрясения с отсутствием поверхностных дислокаций и искусственные источники, информация о которых почему-либо отсутствует. Ко второй группе отнесем частично контролируемые источники, когда известны только один либо два из трех возможных показателей. Чаще всего известно положение очага в пространстве или только его проекция на поверхность земли. В эту группу могут входить как естественные, так и искусственные источники. К полностью контролируемым источникам по указанным выше показателям относятся только искусственные воздействия. Они подразделяются на две подгруппы - пассивно контролируемые и активно контролируемые. К пассивно контролируемым относятся такие источники, которые применяются для других целей и используются в сейсмическом эксперименте только попутно. Как правило, это промышленные взрывы, в частности, в карьерах, с фиксируемым моментом воздействия. Активно контролируемые источники предназначены специально для сейсмического эксперимента. Для них всегда точно известно начало генерации волн. Положение очага в пространстве и интенсивность источника не только заранее известны, но и планируются в соответствии с задачами сейсмических исследований. При заданной интенсивности воздействия амплитуды генерируемых волн в горных породах существенно зависят от упругих параметров в области очага. При заданном единичном воздействии типа направленной силы либо центра давления в безграничной среде амплитуды смещений обратно пропорциональны величинам скоростей v p и v s , а также плотности р. В связи с этим амплитуды смещений при заданной интенсивности воздействия в жестких породах существенно меньше, чем в менее консолидированных. Однако такая закономерность имеет место только при условии относительно небольшой разницы в коэффициентах поглощения. риментально установлено, что в породах с большими скоростями v p и v s при прочих равных условиях спектр колебаний обогащается высокочастотными компонентами. Этот факт только частично можно объяснить с позиций линейной теории упругости. Отметим, что волновой состав возбуждаемых колебаний в сильной степени зависит от характера неоднородности разреза. Наблюдаемые при этом эффекты будут отмечены ниже для различных типов источников. Что касается воздействий, производимых в толщах воды, то в этом случае источники отличаются большей стабильностью и простотой, поскольку в воде могут генерироваться и распространяться только продольные волны. Одной из главных характеристик любого источника является направленность, т. е. ление интенсивности излучения в среде, окружающей источник, на расстояниях R > λ. При этом характеристики направленности рассматриваются для продольных и поперечных волн, так как реализуемые на практике воздействия чаще всего генерируют оба типа возмущений. Различают симметричные и несимметричные источники. Первые характеризуются равномерным излучением упругой энергии по азимуту (в горизонтальной плоскости), тогда как для вторых это условие не соблюдается. В обоих случаях распределение интенсивности излучения в вертикальной плоскости, зависящее от угла в, отсчитываемого от оси г, может быть как равномерным, так и неравномерным. Типичными примерами симметричного источника являются вертикальный вибратор и взрыв заряда ВВ в скважине в однородной либо горизонтально-слоистой среде. Несимметричное по азимуту волновое поле генерируется горизонтальным вибратором либо горизонтальным или ным ударом.

Взрывные источники продольных волн.

Среди искусственных взрывные источники доминируют. До середины 50-х годов они фактически были единственными при разнообразных видах сейсмических исследований как на суше, так и на акваториях. Взрывные источники, используемые на суше, подразделяются на поверхностные и заглубленные. К первым относятся взрывы в шурфах, шнуровые заряды в карьерах, линии детонирующего шнура (ЛДШ) и др. Источники такого типа часто требуют использования больших зарядов ВВ, так как только небольшая часть энергии идет на образование упругих волн, особенно объемных, в том числе в связи с большим поглощением волн в приповерхностных грунтах. При поверхностных взрывах практически всегда возбуждаются продольные и поверхностные волны. Измерения показали, что в подобных условиях на генерацию продольных волн расходуется 10 % энергии, поперечных - приблизительно 25, поверхностных - 65 %. Вместе с тем, можно считать, что при симметричных приповерхностных взрывах в субвертикальных направлениях достаточно большая доля энергии идет на образование компрессионных волн, поэтому такие источники используются в модификациях сейсморазведки и ГСЗ, основанных прежде всего на регистрации продольных волн. С целью усиления эффекта компрессионности приповерхностные взрывы стремятся производить в обводненных породах, а также в неглубоких естественных и искусственных водоемах.

Рис. 4.1. Частотные спектры прямой продольной волны при взрывах зарядов ВВ различного веса 1 - 5 г; 2 - 15 г; 3 - 50 г; 4 - 400 г; 5 - 800 г) на фиксированной глубине 35 м (по данным треста „Краснодарнефтегеофизика"). Амплитуды нормированы по максимуму.

Об особенностях взрывных приповерхностных источников для возбуждения поперечных волн будет сказано ниже. В качестве аналога взрывных источников следует указать на устройства, в которых осуществляется быстрое горение газовых смесей, помещенных в камеру, герметично соединенную с излучающей платформой (диносейс). Сейсмический эффект взрыва значительно возрастает, если заряд ВВ поместить в скважину на глубину в несколько десятков метров и обеспечить забойку (например, залить скважину водой). По сравнению с поверхностными взрывами заряда того же веса при таком способе возбуждения во много раз возрастает интенсивность продольных колебаний. За счет уменьшения веса заряда и большей консолидированности горных пород на глубине удается одновременно повысить частоты колебаний. На рис. 4.1 приведены экспериментальные спектры прямых продольных волн, полученных для различных зарядов, помещенных в терригенные породы на глубину 35 м. Можно видеть, что по мере увеличения заряда амплитудный спектр a(f) закономерно смещается в сторону низких частот. Отмечается также изменение ширины спектра.

Следует подчеркнуть, что обратная зависимость между интенсивностью возбуждения и преобладающей частотой в спектре имеет место для всех видов естественных и искусственных источников. Вместо взрыва ВВ в последнее время применяют также воздействия в скважине при помощи электроразрядника, на электроды которого подается высокое напряжение импульсного типа. Взрывные источники долгое время были единственными при сейсмических исследованиях на акваториях. В настоящее время они применяются только в глубоководных частях морей и океанов вне шельфовых зон. Главной особенностью взрыва в толще воды на некоторой глубине А от поверхности моря является наличие так называемых повторных ударов, когда вслед за главным толчком следует ряд повторных толчков со все уменьшающимися интенсивностью и периодом Т следования.

Помимо этого, имеются сложности, вызванные возбуждением наряду с поверхностными волнами объемных акустических волн. Объемные волны, которые распространяются почти параллельно поверхности и попадают на выходной преобразователь, иногда находят применение на практике. Во многих устройствах нежелательное влияние объемных волн часто устраняют с помощью многополоско-вых ответвителей.  

Различают два типа сейсмических волн - объемные и поверхностные. Объемные волны распространяются во все стороны от очага сквозь объем, заполненный подземными породами. Поверхностные волны распространяются в приповерхностных слоях земной оболочки, они порождаются объемными волнами. Таким образом, земной поверхности достается как от объемных волн (когда они достигают ее), так и от поверхностных.  

Когда возникает землетрясение, часть высвобождающейся энергии превращается в упругие волны - объемные и поверхностные. Объемные волны распространяются внутри Земли и подчиняются законам геометрической оптики, отражаясь или преломляясь у поверхности раздела, где их скорость меняется.  

Здесь входной преобразователь возбуждает объемные волны, которые излучаются под углом к верхней поверхности подложки. Объемная волна достигает выходного преобразователя, отражаясь от нижней поверхности, которая должна быть гладкой и параллельной верхней поверхности подложки. Поскольку для устройств на ППОВ обычно необходимо выбирать такой материал подложки, в котором отсутствует возбуждение ПАВ, то для этих устройств целесообразно применять кварц с повернутыми ориентациями К-среза.  

После землетрясения сейсмограмма любой станции имеет сложный вид. На начальной части записи представлены объемные волны, пришедшие с разных направлений, на более поздней-поверхностные волны. Так как поверхностные волны затухают медленнее, за исключением близкой к эпицентру области, то, вообще говоря, поверхностные волны имеют большую амплитуду, чем объемные.  

Кроме взрывов, применяют невзрывные источники возбуждения сейсмических волн. Все невзрывные поверхностные источники возбуждают объемные волны практически одного спектрального состава в полосе частот 20 - 45 Гц. Поверхностные волны мешают выделению отраженных волн вблизи пунктов возбуждения. Ограниченность применения невзрывных источников обусловлена влиянием микросейсм со спектром 15 - 60 Гц от двигающегося транспорта, работающих промышленных установок и линий электропередач.  

Практические устройства, как правило, имеют рабочие характеристики, соответствующие описанным, за исключением того, что формы частотных характеристик объемных волн сильно искажены по сравнению с формой частотной характеристики ПАВ. Искажения возникают вследствие того, что объемные волны распространяются не по поверхности подложки н поэтому поверхностные граничные условия как внутри, так и снаружи преобразователей могут значительно возмущать эти волны. Кроме того, в общем случае имеются две составляющие сдвиговой волны, перекрывающиеся по частоте из-за близости их скоростей. Некоторые экспериментальные результаты для ниобата лития Y, Z-среза, приводимые Даниэлом и Эмтэйджем , а также Мнлсомом и др. , показывают, что максимальный уровень частотной характеристики продольной волны на 30 дБ ниже максимального уровня частотной характеристики ПАВ. Поскольку частотная характеристика сдвиговой волны перекрывается с характеристикой ПАВ, то оказывается трудным определить сигнал, обусловленный сдвиговой волной. По-видимому, этот сигнал должен иметь такой же уровень. В практических случаях ВШП Настроены на определенную частоту и поэтому подавление сигнала, обусловленного продольной волной, часто оказывается даже лучшим, чем это указано выше; одновременно обеспечивается дополнительная избирательность устройства. Присутствие объемных волн может быть обнаружено при нанесении поглощающего материала на поверхность подложки между преобразователями, поскольку при этом ПАВ ослабляются намного сильнее, чем объемные волны.  

Устройства сжатия сигналов, в которых распространяются эти волны, имеют вид тонких металлических лент с преобразователями объемных волн на концах и называются ленточными линиями задержки. В других устройствах на акустических волнах применяются бездисперсионные объемные волны, длина акустического пути распространения которых зависит от частоты. На этом принципе работают линии задержки с перпендикулярным направлением дифракции и клинообразные линии задержки. Применяется также ряд оптических явлений. Например, известны акусто-оптические устройства, в которых световой луч дифрагирует на акустической волне.  

Кроме указанного случая полного контакта были рассмотрены и другие граничные условия на плоскости контакта. Рассматривались случаи нежесткого контакта или такие условия, когда не отражаются объемные волны.  

Влияние дифракции поверхностной акустической волны также не рассматривается. Предполагается, что существует единственная невытекающая пьезоактивная волна рэлеевского типа, а объемные волны не возбуждаются. Сопротивления электродов считаются пренебрежимо малыми. Будем считать, что к электродам приложены напряжения одинаковой частоты, а их амплитуды и фазы произвольны. Это дает возможность использовать получаемые результаты для расчета как преобразователей, так и многополосковых ответвителей. Преобразователи анализируются в этой главе, а многополосковым ответвителям посвящена гл.  

В случае необратимых процессов Е / г волн зависят от рН в том случае, когда собственно электрохимической стадии (переносу электронов) предшествует реакция протонизации. К такому случаю относятся кинетические и квазидиффузионные как поверхностные, так и объемные волны. В уравнения для Ечг (или qi / 2) таких волн прямо или косвенно (через р или а) входит концентрация ионов водорода.  

Акустические фононы. Объемные сейсмические волны. Современная модель Земли. Волны Рэлея и Лява. Волны в жидкостях и газах. Звук. Интенсивность звука. Поглощение звука. Излучатели звука. Применение акустических методов. Основные характеристики звука. Закон Вебера-Фехнера. Диаграмма слуха. Акустические резонаторы. Музыкальные инструменты. Эффект Доплера и бинауральный эффект. Интерференция и дифракция волн.

Тепловые колебания кристаллической решетки твердых тел. Акустические фононы.

В твердом теле ионы совершают тепловые колебания около положений равновесия в узлах кристаллической решетки. Поскольку они взаимодействуют друг с другом, то система ионов должна рассматриваться как совокупность связанных осцилляторов. Такие тепловые колебания ионов можно представить в виде суперпозиции стоячих звуковых волн, частоты которых лежат в диапазоне где - максимальная частота колебаний, обусловленная дискретностью среды (см. предыдущую лекцию).

При нагревании кристалла энергия тепловых колебаний увеличивается. Естественно, что информацию об этих колебаниях можно получить, измеряя теплоемкость кристаллов .

Если каждый ион рассматривать как классический осциллятор, колеблющийся в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то, в соответствии с теоремой о равнораспределении энергии по степеням свободы, он обладал бы энергией где - постоянная Больцмана, а - абсолютная температура. Здесь учтено, что колеблющийся ион обладает средней кинетической и равной ей средней потенциальной энергией по каждой из трех степеней свободы. Поскольку энергия кристалла, состоящего из атомов, то его теплоемкость при постоянном объеме равна:

(5.1)

и не зависит от температуры (закон Дюлонга и Пти).

Между тем, формула (5.1) согласуется с экспериментом лишь при высоких температурах, а при приближении температуры к абсолютному нулю, как показывает опыт,

Чтобы объяснить такое поведение теплоемкости, А. Эйнштейн предложил рассматривать ионы как независимые осцилляторы, обладающие дискретным набором значений энергии. Ранее подобная идея была высказана М. Планком при выводе формулы для теплового излучения твердого тела. Однако, А. Эйнштейну не удалось получить закон

На самом деле, как уже говорилось, тепловые колебания ионов могут быть представлены как суперпозиция нормальных колебаний, или мод системы связанных осцилляторов. Каждая мода частоты обладает энергией, кратной где ( - постоянная Планка).

Если принять во внимание, что в твердом теле возможно распространение продольной волны частоты и двух поперечных волн той же частоты, имеющих два различных взаимно перпендикулярных направления смещения атомов (две различные поляризации), то с учетом размеров кристалла и его дискретной структуры можно подсчитать число мод в кристалле. Такой подсчет был впервые выполнен П. Дебаем, и поэтому эти волны получили название дебаевских .

Следует подчеркнуть, что, в отличие от классического представления, при вычислении энергии кристалла мода представляется как квантовый объект, обладающий дискретным набором значений энергии (набором энергетических уровней)

(5.2)

где - целое число.

При термодинамическом равновесии вероятность возбуждения моды убывает по мере увеличения её энергии (или числа ) в соответствии с распределением Больцмана : При нагревании кристалла вероятность растет, а значит увеличивается и запасенная кристаллом энергия. При подсчете последней Дебаем была введена характерная температура (температура Дебая) с помощью равенства

(5.3)

Обычно лежит в интервале При справедлив закон Дюлонга и Пти , а при теплоемкость

Соотношение (5.2) для энергии колебаний в моде частоты аналогично выражению для энергии фотонов (квантов света). Это позволяет рассматривать моду как квазичастицу, называемую тепловым фононом. Введение этого нового понятия является весьма плодотворным и, с математической точки зрения, значительно облегчает анализ тепловых колебаний кристаллической решетки. Представление о фононном газе в твердом теле широко используется при описании таких свойств, как теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электрическое сопротивление и др. В физике используются и другие квазичастицы: плазмон (волна электронной плотности), магнон (волна перемагничивания), полярон (электрон + упругая деформация), экситон (волна поляризации среды). Эти квазичастицы являются модами соответствующих колебаний.

Объемные сейсмические волны.

Чрезвычайно важным примером волн в упругом твердом теле являются сейсмические волны, возникающие в ограниченной области пространства (очаге) размером в несколько километров и распространяющиеся на огромные расстояния под поверхностью Земли. Эти волны бывают поперечными (волны сдвига) и продольными (сжатия и разрежения) и могут пронизывать всю нашу планету. Это позволяет (подобно рентгеновскому анализу) исследовать внутреннее строение Земли. Этим занимается отдельная наука, называемая сейсмологией. Долгое время сейсмология, одним из основателей которой является русский физик Б.Б. Голицын, была наукой о землетрясениях и сейсмических волнах. В настоящее время сейсмология занимается анализом разнообразных движений в земной толще.

Скорость продольных волн приблизительно в 1,7 раза больше скорости поперечных, поэтому эти волны регистрируются на сейсмограммах последовательно: вначале приходят более быстрые продольные (первичные), которые называются р-волнами, а потом поперечные (вторичные), называемые s-волнами. Кроме того, сейсмографы регистрируют и заметный фон, или шумы, связанные как с работой промышленных установок и транспорта, так и с сейсмическими волнами (микросейсмами), генерируемыми штормами и волнением в океанах.

Если бы скорости р- и s-волн в Земле не менялись бы с глубиной, то волны распространялись бы по прямым линиям (прямым сейсмическим лучам). В действительности скорости продольной и поперечной волн возрастают с погружением в недра Земли, за исключением небольшой зоны на глубинах 50-250 км. Поэтому сейсмические лучи искривляются. В сейсмологии экспериментально определяют годограф - время пробега сейсмических волн как функцию эпицентрального расстояния (расстояния в градусах или километрах по дуге большого круга между эпицентром и приемником волн; ). Ясно, что функция связана с распределением скорости волны ( - глубина), и поиск этого распределения представляет интерес при исследовании внутреннего строения Земли.

На рис. 5.1 показаны пути p-волн и указано время их распространения в недрах Земли от эпицентра Э до установленного на поверхности приемника. Прерывистые линии (изохроны) указывают время прихода p-волн в различные точки земной поверхности. Из-за искривления лучей волны не попадают в обширную зону тени.

Упругие волны, вызванные землетрясением или взрывом, распространяющиеся в толще Земли

Анимация

Описание

Упругие сейсмические волны (СВ), возникающие вследствие возмущений земной коры (очаг землетрясения, взрыв), принадлежат к нескольким типам (рис. 1).

Характер смещения частиц среды в сейсмических волнах различных типов

Рис. 1

Обозначения:

P - продольная волна Лява;

S - поперечная волна Лява;

L - поверхностная волна Лява.

По характеру пути распространения СВ делятся на объемные и поверхностные. В свою очередь объемные волны подразделяются на продольные (Р - волны) и поперечные (S - волны). Поверхностные волны возникают в результате взаимодействия объемных волн с поверхностью Земли или сейсмическими границами (типа слой - полупространство и т.п.); к наиболее распространенным типам поверхностных волн относятся волны Рэлея и волны Лява.

Объемные волны распространяются по всей толще Земли за исключением ядра, не пропускающего поперечные волны (поэтому считают, что ядро Земли находится в жидком состоянии). Р - волны связаны с изменением объема и распространяются со скоростью:

V P = [(l + 2m) /r ]1 / 2 ,

где l - модуль сжатия;

m - модуль сдвига;

r - плотность среды.

Скорость поперечных волн, не связанных с изменением объема, равна:

V S = (m /r )1 / 2 .

Движение частиц в S - волне происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В сферически - симметричных моделях Земли луч, вдоль которого распространяется волна, лежит в вертикальной плоскости. Составляющая смещения в волне S в этой плоскости обозначается SV , горизонтальная составляющая - SH .

Некоторые оболочки Земли обладают упругой анизотропией; в этом случае поперечная волна расщепляется на две волны с различными поляризациями и скоростями. Свойства земных недр изменяются по вертикали и горизонтали. Поэтому в процессе распространения объемные волны испытывают отражение, преломление, обмен (превращение P в S и наоборот), дифракцию и рассеяние. В результате запись СВ - сейсмограмма на большом расстоянии от источника распадается на ряд волновых пакетов или фаз (рис. 2).

Типичная сейсмограмма

Рис. 2

Отождествление фаз и определение координат источника выполняется с помощью набора стандартных таблиц (годографов), задающих время пробега волны как функцию расстояния и глубины источника.

Поверхностные волны формируются в результате интерференции объемных волн и распространяются в верхней оболочке Земли, эффективная толщина которой зависит от длины волны. Характерной особенностью поверхностных волн является дисперсия скорости. Волны Рэлея и Лява различаются скоростью распространения и поляризацией колебаний частиц среды. Траектория частицы в волне Рэлея имеет составляющие SV и вертикальную. Волны Лява имеют поляризацию SH.

Частотный спектр сейсмических колебаний лежит в диапазоне от сотен Гц до ~ 3 *10-4 Гц. Высокочастотные СВ (порядка сотен Гц) могут быть зарегистрированы только на малых расстояниях от источника. В низкочастотной области (с периодами порядка сотен секунд и более) СВ приобретают характер собственных колебаний Земли, которые делятся на сфероидальные, имеющие поляризацию волн Рэлея, и крутильные, с поляризацией волн Лява. Известный к настоящему времени спектр сфероидальных и крутильных колебаний Земли насчитывает несколько тысяч собственных частот.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 3);

Время существования (log tc от 1 до 5);

Время деградации (log td от -1 до 3);

Время оптимального проявления (log tk от 1 до 3).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Генерирование СВ может быть осуществлено с помощью взрывов. В зависимости от мощности последних возможна регистрация различных типов СВ на различных расстояниях от точки взрыва. Так, волны от мощных взрывов, в том числе ядерных, проходят через все оболочки Земли и даже ядро (только P - волны), что позволяет использовать такие взрывы в для изучения внутреннего строения Земли.

Применение эффекта

По характеру распространения сейсмических волн различных типов можно получить информацию о внутреннем строении Земли, в частности, о месторождениях полезных ископаемых. Поверхностные волны, распространяющиеся на большие расстояния с относительно малым затуханием, обладают свойством дисперсии скорости; по дисперсионным зависимостям волн Рэлея определяют внутреннее строение земной коры (до глубин порядка длины волны). Методы отраженных и преломленных волн используют в сейсморазведке различных полезных ископаемых.

Литература

1. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет.- М.: Наука, 1978.

Ключевые слова

• амплитуда
• волна Лява
• волна объемная
• волна обменная
• волна продольная
• волна поперечная
• волна поверхностная
• волна Рэлея
• волна сейсмическая
• годограф
• длина волны
• колебание
• колебаний период
• отражение
• преломление
• рассеяние
• частота

Разделы естественных наук: