Fale sejsmiczne – czym są? Cechy i rodzaje fal

Fale sejsmiczne to nic innego jak drgania, które powstają na skutek trzęsień ziemi i przemieszczają się przez skorupę ziemską. To, jak silne są one i jakie uszkodzenia mogą spowodować, zależy od wielu czynników, takich jak siła trzęsienia, jego źródło, a także głębokość i miejsce, gdzie powstało. Właśnie dlatego badanie fal sejsmicznych jest tak istotne – pozwala nam zrozumieć, jak działa nasza planeta i jakie zagrożenia niesie ze sobą trzęsienie ziemi. Czy wiesz, że fale sejsmiczne można wykorzystać do poznania wnętrza Ziemi i do określenia, jakie składniki znajdują się kilka kilometrów pod powierzchnią naszej planety?

Czym dokładnie są fale sejsmiczne?

Fale sejsmiczne to drgania powstałe w wyniku trzęsień ziemi, wstrząsów wulkanów, erupcji jądrowych, lub innych źródeł energii. Te drgania przenoszą się przez skorupę ziemską i powodują powstawanie fali. Fale sejsmiczne są wykorzystywane do badania budowy wewnętrznej Ziemi, ponieważ ich prędkość i kierunek zmieniają się w zależności od głębokości i rodzaju skał, przez które przechodzą. Są one również wykorzystywane do prognozowania trzęsień ziemi i oceny ryzyka związanego z trzęsieniami ziemi.

Definicja według Wikipedii:

Fale sejsmiczne – fale sprężyste rozchodzące się w Ziemi. Mogą powstać wskutek wielu czynników, np. trzęsień ziemi, eksplozji materiałów wybuchowych, działalności górniczej, sztormów na morzu.

Rodzaje fal sejsmicznych

Fale przestrzenne (ang. body waves) rozchodzą się w wszystkich kierunkach od epicentrum trzęsienia ziemi. Są one podzielone na dwa typy: fale podłużne (P) i fale poprzeczne (S). Fale podłużne poruszają się szybciej niż fale poprzeczne i dlatego, gdy dotrą do danego miejsca, robią to w różnych momentach. Wraz z oddalaniem się od epicentrum, różnica w czasie przybycia fali P i S rośnie. Po dotarciu fali sejsmicznych na powierzchnię ziemi, powodują one powstanie kolejnego typu drgań – fal powierzchniowych.
Fale podłużne (ang. primary, compressional, push-pull) charakteryzują się zmianami objętości podczas propagacji. Te fale są w stanie rozchodzić się w różnych rodzajach ośrodków, takich jak stałe ciała, ciecze, a także gazy. Ich ruch powoduje powtarzające się procesy zgęszczania i rozrzedzania cząsteczek w środku, co sprawia, że są również nazywane falami dylatacyjnymi lub zgęszczeniowo-rozrzedzeniowymi. Zmiany te zachodzą w kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne poruszają się z największą prędkością i zazwyczaj docierają na powierzchnię ziemi jako pierwsze. Dlatego też są często nazywane fala pierwotna lub skrótowo “P”.

Fale poprzeczne (ang. secondary, shear, shake) to drgania, które powodują zmiany kształtu cząstek materii, a ich ruch jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Te fale sejsmiczne są jedynie obecne w ciałach stałych i przenoszą się z mniejszą prędkością niż fale podłużne. Z tego powodu nazywa się je również falami drugorzędnymi lub skrótowo “S”.

Fale powierzchniowe (ang. surface waves), inaczej zwane falami zewnętrznymi, powstają na styku dwóch różnych ośrodków i przemieszczają się głównie na powierzchni ziemi. Są to drgania złożone z dwóch rodzajów fali: fali Rayleigha i Love’a. 

Fale Rayleigha – fale nazwane na cześć Lorda Rayleigha – John William Strutt, który jako pierwszy przewidział ich istnienie poprzez matematyczne obliczenia w 1885 roku. Są one typu grawitacyjnego, co oznacza, że drgania przypominają ruch powierzchni wody po rzuceniu kamienia na nią. Ruch cząstek występuje po elipsie pionowej w kierunku rozchodzenia się fali. Wiele trzęsień ziemi jest odczuwanych przez ludzi dzięki falom Rayleigha.

Fale Love’a to fale o nazwie pochodzącej od brytyjskiego matematyka, A.E.H. Love’a, który opracował model matematyczny dla tego rodzaju fal w 1911 roku. Love’a waves są charakterystyczne dla drgań w kierunku poziomym, prostopadłym do kierunku rozchodzenia się drgań. Chociaż są one znacznie wolniejsze w ruchu, są one bardzo szkodliwe, odpowiedzialne za większość szkód powstałych podczas trzęsienia ziemi.

Jak badane są fale sejsmiczne?

Fale sejsmiczne są najczęściej badane za pomocą sejsmografów. Są to specjalne urządzenia, które rejestrują drgania ziemi, wywołane przez trzęsienie ziemi, wybuch wulkanu lub inne źródła drgań. Sejsmografy zamocowane są na powierzchni ziemi, pod ziemią, na platformach oceanicznych lub na satelitach.

Po zarejestrowaniu drgań, dane są przesyłane do centrum przetwarzania danych, gdzie są analizowane i wykorzystywane do określenia lokalizacji, intensywności i charakteru źródła drgań. Możliwe jest również określenie głębokości i charakteru warstw geologicznych, na których znajdują się źródła drgań, co jest przydatne dla inżynierów i geologów w projektowaniu i planowaniu budowy budynków, mostów i innych struktur, które muszą być odporne na trzęsienia ziemi.

Według Wikipedii:

Sejsmograf – urządzenie do wykrywania i rejestracji drgań skorupy ziemskiej (przemieszczeń, prędkości lub przyspieszenia) wywołanych wstrząsami naturalnymi lub sztucznymi.

W niektórych przypadkach stosuje się także geofony, które są specjalnymi instrumentami wbijanymi w ziemię, aby rejestrować drgania. Geofony są często używane do badania głębokich warstw geologicznych, które nie są dostępne dla powierzchniowych sejsmometrów.

Według Wikipedii:

Geofon – urządzenie wykorzystywane w geofizyce, służące do rejestrowania drgań sejsmicznych i przetwarzania ich na impulsy elektryczne. Jest to w zasadzie rodzaj sejsmografu

Oprócz sejsmometrów i geofonów, do badania fal sejsmicznych wykorzystywane są także metody georadarowe, które polegają na wysyłaniu fali radiowych w głąb ziemi i analizie odbitych fal. Ta metoda jest szczególnie przydatna do badania głębokich warstw geologicznych i tworzenia trójwymiarowych map geologicznych.

Źródło:

1. https://www.pgi.gov.pl/mogepl-home/monitoring-geodynamiczny/sejsmologia/9724-co-to-sa-fale-sejsmiczne.html