Методы и объекты сейсмических исследований. Введение в общую сейсмологию - Пузырев Н.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотренный выше способ позволил по годографу tK(AK), используя формулу (7.5), рассчитать распределение скоростей продольных волн во внешнем ядре (см. рис. 7.3).
На сейсмограммах удаленных землетрясений были выделены также фазы PKhKP, на основе которых зафиксировано наличие переходной зоны между внешним и внутренним ядрами. Существует несколько вариантов распределения скоростей в переходной зоне, в том числе с наличием инверсионного слоя. На рис. 7.3 дается простейшая модель с относительно небольшой переходной зоной и положительным градиентом в ней [Болт, 1984 ].
По годографам волн PKIKP, которые на эпицентральных расстояниях, близких к 180°, обгоняют волны РКР, представилось возможным вычислить распределение скоростей vp во внутреннем ядре. Как отмечалось выше, полученные значения (vp =11,2 км/с) практически совпадают с найденными позже по данным отраженных волн РКНКР.
Градиент изменения скорости vp с глубиной во внутреннем ядре невелик, и большинство исследователей рассматривают модель с постоянной скоростью.
Вопрос об измерении скоростей vs во внутреннем ядре является одним из наиболее сложных и дискуссионных в сейсмологии. Долгое время такие волны не удавалось выделить на сейсмограммах. В 1972 г. Б. Джулиан и др. [Julian et al., 1972] при использовании записей сильных землетрясений многоканальной группы „LASA" выделили волны с частотой порядка 0,5 Гц, которые они отнесли к типу PKJKP. Эти волны по времени близки к фазам РККР, но отличаются от последних несколько
большими периодами. По данным пяти землетрясений в интервале эпицентральных расстояний от 76 до 123° был построен годограф рассматриваемых волн, по которому определено значение средней скорости во внутреннем ядре vs = 3,0 км/с. Это значение на 30—35 % меньше найденного при анализе собственных колебаний Земли. Возможно, такое несовпадение связано с тем, что фактически выделяется волна SKJKP [Julian et al., 1972]. В любом случае данный эксперимент указывает на возможность распространения поперечных волн через внутреннее ядро, подтверждая тем самым его твердое состояние.
Глава 7. Планетарные задачи структурной сейсмологии
Отметим еще, что исследование динамических характеристик волн PKiKP и PKIKP при различных значениях vs во внутреннем ядре говорит в пользу того, что величина скорости поперечных волн во внутреннем ядре отлична от нуля [Muller, 1973]. При этом наиболее вероятным считается значение от 3,5 до 4,0 км/с. Эти цифры наилучшим образом согласуются с данными изучения собственных колебаний Земли.
7.4. ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДАННЫХ
ПО РЕГИСТРАЦИИ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗЕМЛИ
Изучение собственных колебаний неоднородной сферы под действием силы в виде короткого импульса представляет собой сложную в математическом отношении задачу. Здесь ограничимся качественным рассмотрением характеристик процесса собственных колебаний Земли в связи с получением новой информации о структуре глубинных оболочек.
После крупных, особенно катастрофических, землетрясений планета начинает колебаться, как изолированное упругое тело. Возникает колебательный процесс, сходный по своему физическому смыслу с колебанием закрепленной с обоих концов струны. В Земле, естественно, колебания носят сложный трехмерный характер с радиальными и крутильными составляющими. Установлено, что частоты собственных колебаний Земли изменяются в очень широком диапазоне — от 1 до 3-10~4 Гц (периоды от 1 с до 57 мин). Для регистрации низкочастотных колебаний возникла необходимость создать сейсмографы с собственным периодом в несколько десятков минут, что и было реализовано в середине 50-х годов [Собственные колебания..., 1964].
С качественных позиций собственные колебания можно рассматривать в виде суперпозиции волн Рэлея и Лява с различным набором частот [Жарков, 1983; Болт, 1984]. Поверхностные волны как бы обегают вокруг планеты, создавая картину стоячих волн. При этом высокочастотные моды характеризуют преимущественно верхние оболочки (земная кора и верхняя мантия), а низкочастотные — глубинные слои, включая ядро. Изучение собственных колебаний осуществляется как в виде частотного анализа, так и путем разложения по сферическим функциям различного порядка, называемым модами. Если в теле Земли задано распределение упругих параметров и плотности, то решение прямой задачи дает возможность рассчитать спектр собственных колебаний и разложение их по модам. При этом радиальное и крутильное колебания анализируются раздельно по данным записей вертикальных и горизонтальных сейсмографов. Отметим еще, что на радиальные собственные колебания, вызванные землетрясением, накладываются лунно-солнечные приливные деформации. Обратная задача решается путем подбора распределения упругих параметров в Земле (обычно только по радиусу), при котором обеспечивается наилучшее совпадение с данными эксперимента. В процессе подбора оптимальной модели учитывается априорная информация по данным объемных волн.
Наибольшее внимание при изучении собственных колебаний Земли было уделено вычислению модуля сдвига и скорости vs во внутреннем ядре. По современным представлениям [Болт, 1984], скорость vs во внутреннем ядре равна ориентировочно 4,0 км/с. Отсюда следует, что если в низах мантии коэффициент Пуассона равен 0,28, то на кровле внутреннего ядра он увеличивается до 0,43, т. е. более чем в 1,5 раза. Таким образом, материал внутреннего ядра существенно менее жесткий, чем вещество мантии.
