Войти
В сейсмологии микросейсмы определяются как слабые подземные толчки вызвано природными явлениями. Иногда его называют «гудением», его не следует путать с аномальным акустическим явлением с тем же названием. Этот термин чаще всего используется для обозначения доминирующих фоновых сигналов сейсмического и электромагнитного шума на Земле, которые вызываются водными волнами в океанах и озерах. Характеристики микросейсм обсуждаются Бхаттом. Поскольку колебания океанских волн статистически однородны в течение нескольких часов, микросейсмический сигнал представляет собой длительно продолжающиеся колебания земли. Наиболее энергичными сейсмическими волнами, составляющими микросейсмическое поле, являются волны Рэлея, но волны Лява могут составлять значительную часть волнового поля, а объемные волны также легко обнаруживаются с помощью массивов. Поскольку преобразование океанских волн в сейсмические очень мало, амплитуда колебаний грунта, связанных с микросейсмами, обычно не превышает 10 микрометров.
Микросейсмы очень хорошо обнаруживаются и измеряются с помощью широкополосного сейсмографа и могут быть зарегистрированы в любой точке Земли.
Функция плотности вероятности спектральной плотности мощности (цветная шкала справа) в течение 20 лет непрерывных данных вертикальной составляющей сейсмической скорости, зарегистрированных в Альбукерке, штат Нью-Мексико, станцией ANMO консорциума IRIS / USGS Глобальная сейсмографическая сеть. Верхняя и нижняя границы представляют собой типичные пределы шума для сейсмографов, развернутых по всему миру. Сплошные и пунктирные линии обозначают медианное значение и режим функции плотности вероятности, соответственно. Доминирующие сигналы микросейсмических волн из океанов связаны с характерными периодами волн волн в океане и, таким образом, возникают в интервале приблизительно от 4 до 30 секунд. Микросейсмический шум обычно показывает два преобладающих пика. Более слабый характер наблюдается для больших периодов, обычно близких к 16 с, и может быть объяснен влиянием поверхностных гравитационных волн на мелководье. Эти микросейсмы имеют тот же период, что и волны на воде, которые их генерируют, и обычно называются «первичными микросейсмами». Более сильный пик для более коротких периодов также возникает из-за поверхностных гравитационных волн в воде, но возникает из-за взаимодействия волн почти одинаковой частоты, но почти противоположных направлений (clapotis ). Эти толчки имеют период, равный половине периода водных волн, и их обычно называют «вторичными микросейсмами». Незначительное, но обнаруживаемое непрерывное возбуждение свободных колебаний Земли или нормальных мод с периодами в диапазоне от 30 до 1000 с, часто называемое "гулом Земли". Для периодов до 300 с вертикальное смещение соответствует волнам Рэлея, генерируемым как первичные микросейсмы, с той разницей, что оно связано с взаимодействием инфрагравитационных волн с топографией дна океана. Доминирующие источники этого вертикального гудения, вероятно, расположены вдоль отрыва шельфа, в переходной области между континентальными шельфами и абиссальными равнинами.
В результате, от короткопериодных «вторичных микросейсм» до долгопериодных «гул» этот сейсмический шум содержит информацию о состоянии моря. Его можно использовать для оценки свойств океанских волн и их вариаций на временных масштабах отдельных событий (от нескольких часов до нескольких дней) до их сезонной или многолетней эволюции. Однако использование этих сигналов требует базового понимания процессов генерации микросейсм.
Детали первичного механизма были впервые даны Клаусом Хассельманном, с простым выражением источника микросейсм в частном случае постоянной покатое дно. Оказывается, что этот постоянный наклон должен быть достаточно большим (около 5 процентов или более), чтобы объяснить наблюдаемые амплитуды микросейсм, а это нереально. Вместо этого мелкомасштабные топографические особенности дна не должны быть такими крутыми, и генерация первичных микросейсм, более вероятно, является частным случаем процесса взаимодействия волна-волна, в котором одна волна является фиксированной, дно. Чтобы визуализировать, что происходит, проще изучить распространение волн по синусоидальной топографии дна. Это легко обобщается на топографию дна с колебаниями около средней глубины.
Интерференция океанских волн с фиксированной топографией дна. Здесь волны с периодом 12 с взаимодействуют с волнами дна с длиной волны 205 м и амплитудой 20 м на средней глубине воды 100 м. Эти условия приводят к возникновению картины давления на дне, которая движется намного быстрее, чем океанские волны, и в направлении волн, если их длина L 1 короче длины волны дна L 2, или в противоположном направлении, если их длина волны больше, как в данном случае. Движение точно периодическое по времени, с периодом океанских волн. Большая длина волны в придонном давлении составляет 1 / (1 / L 1 - 1 / L 2).Для реального дна, которое имеет широкий спектр, сейсмические волны генерируются со всеми длинами волн и во всех направлениях..
Взаимодействие двух последовательностей поверхностных волн разных частот и направлений порождает группы волн. Для волн почти распространяющихся в том же направлении, это дает обычные наборы волн, которые движутся с групповой скоростью, которая ниже, чем фазовая скорость водных волн (см. анимацию). Для типичных океанских волн с периодом около 10 секунд эта групповая скорость близко к 10 м / с.
В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь составляет 2π (f 1 + f 2) / (k 1 - k 2) с k 1 и k 2 волновыми числами взаимодействующих волны на воде.
Группы волн, генерируемые волнами с одинаковыми направлениями. Синяя кривая представляет собой сумму красного и черного. Нимация, обратите внимание на гребни с красными и черными точками. Эти гребни движутся с фазовой скоростью линейных волн на воде, а группы больших волн распространяются медленнее (Анимация )Для последовательностей волн с очень небольшой разницей в частоте (и, следовательно, волновых чисел), эта структура групп волн может иметь ту же скорость, что и сейсмические волны, от 1500 до 3000 м / с, и будет возбуждать акустико-сейсмические моды, которые расходятся.
Группы волн, генерируемые волнами с противоположными направлениями. Синяя кривая - это сумма красного и черного. В анимации наблюдайте за гребнями с красными и черными точками. Эти гребни движутся с фазовой скоростью линейных волн на воде, но группы распространяются намного быстрее (Анимация )Что касается сейсмических и акустических волн, движение океанских волн в глубокой воде в ведущем порядке эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря. Это давление почти равно плотность воды, умноженная на квадрат орбитальной скорости волны . Из-за этого квадрата это не амплитуда o f отдельные волновые поезда, которые имеют значение (красные и черные линии на рисунках), но амплитуда суммы, группы волн (синяя линия на рисунках).
Настоящие океанские волны состоят из бесконечного числа цепочек волн, и всегда есть энергия, распространяющаяся в противоположном направлении. Кроме того, поскольку сейсмические волны намного быстрее, чем волны на воде, источник сейсмического шума изотропен: во всех направлениях излучается одинаковое количество энергии. На практике источник сейсмической энергии наиболее силен, когда значительное количество волновой энергии распространяется в противоположных направлениях. Это происходит, когда зыбь от одного шторма встречается с волнами того же периода от другого шторма или близко к берегу из-за отражения от берега.
В зависимости от геологического контекста, шум, зарегистрированный сейсмической станцией на суше, может быть репрезентативным для состояния моря вблизи станции (в пределах нескольких сотен километров, например, в Центральной Калифорнии) или для всего океана бассейн (например на Гавайях). Таким образом, чтобы понять свойства шума, необходимо понять распространение сейсмических волн.
Волны, которые составляют большую часть вторичного микросейсмического поля, - это волны Рэлея. Как вода, так и твердые частицы Земли перемещаются волнами по мере их распространения, и водный слой играет очень важную роль в определении скорости, групповой скорости и передачи энергии от поверхностных водных волн к волнам Рэлея.
Источники
