Теневая зона

Сейсмическая теневая зона — это участок поверхности Земли , где сейсмографы не могут обнаружить прямые волны P и/или S волны от землетрясения . Это происходит из-за жидких слоев или структур на поверхности Земли. Наиболее известная теневая зона находится на границе ядро-мантия , где P-волны преломляются, а S-волны останавливаются на жидком внешнем ядре; однако любая граница жидкости или тело может создать теневую зону. Например, резервуары магмы с достаточно высоким процентом расплава могут создавать сейсмические теневые зоны.

Фон

Земля состоит из различных структур: земной коры , мантии , внутреннего ядра и внешнего ядра . Кора, мантия и внутреннее ядро обычно твердые; однако внешнее ядро полностью жидкое. ^[1] Жидкое внешнее ядро было впервые показано в 1906 году геологом Ричардом Олдемом . ^[2] Олдэм наблюдал сейсмограммы различных землетрясений и увидел, что некоторые сейсмические станции не регистрировали прямые S-волны, особенно те, которые находились на расстоянии 120 ° от гипоцентра землетрясения. ^[3]

В 1913 году Бено Гутенберг заметил резкое изменение сейсмических скоростей P-волн и исчезновение S-волн на границе ядро-мантия. Гутенберг объяснил это наличием твердой мантии и жидкого внешнего ядра, назвав это разрывом Гутенберга . ^[4]

Свойства сейсмических волн

Основное ограничение наблюдений при идентификации слоев и/или структур жидкости в недрах связано с сейсмологией . Когда происходит землетрясение, сейсмические волны землетрясения сферически расходятся из гипоцентра . ^[5] По Земле проходят два типа объемных волн: первичные сейсмические волны (P-волны) и вторичные сейсмические волны (S-волны). P-волны движутся в том же направлении, что и волна, а S-волны движутся перпендикулярно распространению волны (поперечно). ^[6]

Волны P преломляются . жидким внешним ядром Земли и не обнаруживаются на расстоянии от 104 ° до 140 ° (приблизительно между 11 570 и 15 570 км или 7 190 и 9 670 миль) от гипоцентра ^[7]^[8] Это связано с законом Снелла , согласно которому сейсмическая волна встречает границу и либо преломляется , либо отражается . В этом случае P-волны преломляются из-за разницы в плотности и значительно уменьшают скорость . ^[7]^[9] Это считается зоной тени P-волны. ^[10]

не S-волны могут пройти через жидкое внешнее ядро и не обнаруживаются на расстоянии более 104 ° (приблизительно 11 570 км или 7 190 миль) от эпицентра . ^[7]^[11]^[12] Это считается зоной тени S-волны. ^[10] Однако волны P, которые проходят через внешнее ядро и преломляются в другую волну P (волну PKP) при выходе из внешнего ядра, могут быть обнаружены в теневой зоне. Кроме того, в теневой зоне также могут быть обнаружены волны S, которые преломляются в волны P при входе во внешнее ядро, а затем преломляются в волну S при выходе из внешнего ядра ( волны SKS ). ^[7]^[13]

Причина этого в том, что скорости P-волн и S-волн определяются различными свойствами материала, через который они проходят, и различными математическими соотношениями, которые они разделяют в каждом случае. Три свойства: несжимаемость ( $k$ ), плотность ( $p$ ) и жесткость ( $u$ ). ^[11]^[14]

Скорость P-волны равна:

${\sqrt {(k+{\tfrac {4}{3}}u)/p}}$

Скорость S-волны равна:

${\sqrt {u/p}}$

Скорость S-волны полностью зависит от жесткости материала, через который она проходит. Жидкости имеют нулевую жесткость, поэтому скорость поперечной волны при движении через жидкость равна нулю. В целом, S-волны — это поперечные волны , а напряжение сдвига — это тип деформации , который не может возникнуть в жидкости. ^[11]^[12]^[14] И наоборот, волны P являются волнами сжатия и лишь частично зависят от жесткости. P-волны по-прежнему сохраняют некоторую скорость (может быть значительно уменьшена) при движении через жидкость. ^[7]^[8]^[14]^[15]

Другие наблюдения и последствия

Хотя граница ядра и мантии отбрасывает самую большую теневую зону, более мелкие структуры, такие как магматические тела, также могут отбрасывать теневую зону. Например, в 1981 году Палл Эйнарссон провел сейсмическое исследование кальдеры Крафла на северо-востоке Исландии. ^[16] В этом исследовании Эйнарссон разместил над кальдерой плотный массив сейсмометров и зафиксировал произошедшие землетрясения. Полученные сейсмограммы показали как отсутствие поперечных волн, так и/или малые амплитуды поперечных волн. Эйнарссон объяснил, что эти результаты вызваны резервуаром магмы. В этом случае резервуар магмы имеет достаточный процент расплава, чтобы вызвать непосредственное воздействие S-волн. ^[16] В областях, где не регистрируются S-волны, S-волны сталкиваются с достаточным количеством жидкости, поэтому твердые зерна не соприкасаются. ^[17] В областях, где присутствуют сильно ослабленные (малая склонность) S-волны, все еще присутствует определенный процент расплава, но соприкасается достаточное количество твердых зерен, где S-волны могут проходить через часть магматического резервуара. ^[12]^[15]^[18]

В период с 2014 по 2018 год геофизик из Тайваня Ченг-Хорнг Линь исследовал резервуар магмы под вулканической группой Татун на Тайване. ^[19]^[20] Исследовательская группа Линя использовала глубокие землетрясения и сейсмометры на вулканической группе Татун или вблизи нее, чтобы выявить изменения форм P- и S- волн . Их результаты показали задержку зубца P и отсутствие зубца S в различных местах. Лин объяснил это открытие наличием резервуара магмы с содержанием расплава не менее 40%, который создает теневую зону S-волны. ^[19]^[20] Однако недавнее исследование, проведенное Национальным университетом Чунг Ченг, использовало плотный массив сейсмометров и выявило только затухание S-волны, связанное с резервуаром магмы. ^[21] В этом исследовании изучалась причина наблюдаемой Лином теневой зоны S-волны, и она объяснялась либо магматическим диапиром над погружающейся плитой Филиппинского моря . Хотя это не был резервуар магмы, все же существовала структура с достаточным количеством расплава/жидкости, чтобы образовать теневую зону S-волны. ^[21]

Существование теневых зон, а точнее теневых зон S-волны, может иметь последствия для извержений вулканов по всему миру. Когда вулканы имеют достаточный процент плавления, чтобы опуститься ниже реологической блокировки (процентная доля кристаллов, когда вулкан извергается или не извергается), это делает вулканы извергающимися. ^[22]^[23] Определение процента таяния вулкана может помочь в прогнозном моделировании и оценке текущих и будущих опасностей. В активно извергающемся вулкане Этна в Италии в 2021 году было проведено исследование, которое показало как отсутствие S-волн в некоторых регионах, так и сильное затухание S-волн в других, в зависимости от того, где расположены приемники над магматическим очагом. . ^[24] Ранее, в 2014 году, было проведено исследование по моделированию механизма, приведшего к извержению 28 декабря 2014 года. Это исследование показало, что извержение может быть вызвано таянием от 30 до 70%. ^[25]

См. также

Ссылки

^ Энциклопедия геофизики твердой земли . Харш К. Гупта. Дордрехт: Спрингер. 2011. ISBN 978-90-481-8702-7 . OCLC 745002805 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
^ Брэгг, Уильям (18 декабря 1936). «Посвящение умершим членам Королевского общества» . Наука . 84 (2190): 539–546. дои : 10.1126/science.84.2190.539 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17834950 .
^ Браш, Стивен Г. (сентябрь 1980 г.). «Открытие ядра Земли» . Американский журнал физики . 48 (9): 705–724. дои : 10.1119/1.12026 . ISSN 0002-9505 .
^ Майкл Аллаби (2008). Словарь наук о Земле (3-е изд.). Оксфорд. ISBN 978-0-19-921194-4 . OCLC 177509121 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ «Глоссарий по землетрясениям» . землетрясение.usgs.gov . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Фаулер, CMR (2005). Твердая земля: введение в глобальную геофизику (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-89307-0 . OCLC 53325178 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «ПРИМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 19 Земли (Внутренние части)» . ээду . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Глоссарий по землетрясениям» . землетрясение.usgs.gov . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ «Закон Снеллиуса – Закон преломления» . личный.math.ubc.ca . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Зона сейсмической тени: базовое введение - Объединенные исследовательские институты сейсмологии» . www.iris.edu . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «Почему S-волны не могут проходить через жидкости?» . Земная обсерватория Сингапура . Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Гринвуд, Маргарет Стаутберг; Бамбергер, Джудит Энн (август 2002 г.). «Измерение вязкости и скорости поперечной волны жидкости или суспензии для оперативного управления процессом» . Ультразвук . 39 (9): 623–630. дои : 10.1016/S0041-624X(02)00372-4 . ПМИД 12206629 .
^ Кеннетт, Брайан (2007), «Сейсмические фазы» , Габбинс, Дэвид; Эрреро-Бервера, Эмилио (ред.), Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 903–908, doi : 10.1007/978-1-4020-4423-6_290 , ISBN 978-1-4020-4423-6 , получено 10 декабря 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Дзевонски, Адам М.; Андерсон, Дон Л. (июнь 1981 г.). «Предварительная эталонная модель Земли» . Физика Земли и недр планет . 25 (4): 297–356. дои : 10.1016/0031-9201(81)90046-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бот, Маркус (1957). «Теневые зоны, времена пробега и энергии продольных сейсмических волн при наличии низкоскоростного слоя астеносферы» . Эос, Труды Американского геофизического союза . 38 (4): 529–538. дои : 10.1029/TR038i004p00529 . ISSN 2324-9250 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Эйнарссон, П. (сентябрь 1978 г.). «Тени S-волн в кальдере Крафла на северо-востоке Исландии, свидетельство существования магматического очага в земной коре» . Вулканологический бюллетень . 41 (3): 187–195. дои : 10.1007/bf02597222 . hdl : 20.500.11815/4200 . ISSN 0258-8900 . S2CID 128433156 .
^ Азимоу, Пол Д. (2016), «Частичное плавление» , в книге Уайт, Уильям М. (редактор), Энциклопедия геохимии: всеобъемлющий справочный источник по химии Земли , Серия энциклопедии наук о Земле, Cham: Springer International Издательство, стр. 1–6, doi : 10.1007/978-3-319-39193-9_218-1 , ISBN. 978-3-319-39193-9 , получено 10 декабря 2021 г.
^ Шериф, RE (1975). «Факторы, влияющие на сейсмические амплитуды*» . Геофизическая разведка . 23 (1): 125–138. дои : 10.1111/j.1365-2478.1975.tb00685.x . ISSN 1365-2478 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Линь, Ченг-Хорнг (23 декабря 2016 г.). «Доказательства существования резервуара магмы под мегаполисом Тайбэй на Тайване как по теням S-волны, так и по задержкам P-волн» . Научные отчеты . 6 (1): 39500. дои : 10.1038/srep39500 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5180088 . ПМИД 28008931 . S2CID 968378 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Лин, Ченг-Хорнг; Лай, Я-Чуан; Ши, Мин-Хун; Пу, Синь-Че; Ли, Шианн-Джонг (06 ноября 2018 г.). «Сейсмическое обнаружение резервуара магмы под Черепашьим островом на Тайване с помощью теней и отражений S-волн» . Научные отчеты . 8 (1): 16401. doi : 10.1038/s41598-018-34596-0 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6219605 . ПМИД 30401817 . S2CID 53228649 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Да, Ю-Льен; Ван, Вэй-Хау; Вэнь, Стронг (13 января 2021 г.). «Плотные сейсмические массивы отрицают наличие массивного магматического очага под мегаполисом Тайбэй, Тайвань» . Научные отчеты . 11 (1): 1083. doi : 10.1038/s41598-020-80051-4 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 7806728 . ПМИД 33441717 .
^ Купер, Кари М.; Кент, Адам-младший (16 февраля 2014 г.). «Быстрая ремобилизация магматических кристаллов, хранящихся в холодном хранилище» . Природа . 506 (7489): 480–483. дои : 10.1038/nature12991 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 24531766 . S2CID 4450434 .
^ Марш, Б.Д. (октябрь 1981 г.). «О кристалличности, вероятности возникновения и реологии лавы и магмы» . Вклад в минералогию и петрологию . 78 (1): 85–98. дои : 10.1007/bf00371146 . ISSN 0010-7999 . S2CID 73583798 .
^ Де Гори, Паскуале; Джампикколо, Элизабетта; Кочина, Орнелла; Бранка, Стефано; Дольони, Карло; Кьярабба, Клаудио (12 октября 2021 г.). «Повышенное давление магмы на горе Этна в Италии может питать извержения в течение многих лет» . Связь Земля и окружающая среда . 2 (1): 1–9. дои : 10.1038/s43247-021-00282-9 . ISSN 2662-4435 . S2CID 238586951 .
^ Ферлито, К.; Бруно, В.; Салерно, Г.; Кальтабиано, Т.; Скандура, Д.; Маттиа, М.; Колторти, М. (13 июля 2017 г.). «Купообразное поведение на горе Этна: случай пароксизма юго-восточного кратера 28 декабря 2014 года» . Научные отчеты . 7 (1): 5361. doi : 10.1038/s41598-017-05318-9 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5509668 . ПМИД 28706233 . S2CID 10170141 .

[1] Энциклопедия геофизики твердой земли . Харш К. Гупта. Дордрехт: Спрингер. 2011. ISBN 978-90-481-8702-7 . OCLC 745002805 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )

[2] Брэгг, Уильям (18 декабря 1936). «Посвящение умершим членам Королевского общества» . Наука . 84 (2190): 539–546. дои : 10.1126/science.84.2190.539 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17834950 .

[3] Браш, Стивен Г. (сентябрь 1980 г.). «Открытие ядра Земли» . Американский журнал физики . 48 (9): 705–724. дои : 10.1119/1.12026 . ISSN 0002-9505 .

[4] Майкл Аллаби (2008). Словарь наук о Земле (3-е изд.). Оксфорд. ISBN 978-0-19-921194-4 . OCLC 177509121 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[5] «Глоссарий по землетрясениям» . землетрясение.usgs.gov . Проверено 10 декабря 2021 г.

[6] Фаулер, CMR (2005). Твердая земля: введение в глобальную геофизику (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-89307-0 . OCLC 53325178 .

[:0-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и «ПРИМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 19 Земли (Внутренние части)» . ээду . Проверено 10 декабря 2021 г.

[:1-8] Перейти обратно: ^а ^б «Глоссарий по землетрясениям» . землетрясение.usgs.gov . Проверено 10 декабря 2021 г.

[9] «Закон Снеллиуса – Закон преломления» . личный.math.ubc.ca . Проверено 10 декабря 2021 г.

[:2-10] Перейти обратно: ^а ^б «Зона сейсмической тени: базовое введение - Объединенные исследовательские институты сейсмологии» . www.iris.edu . Проверено 10 декабря 2021 г.

[:3-11] Перейти обратно: ^а ^б ^с «Почему S-волны не могут проходить через жидкости?» . Земная обсерватория Сингапура . Проверено 10 декабря 2021 г.

[:4-12] Перейти обратно: ^а ^б ^с Гринвуд, Маргарет Стаутберг; Бамбергер, Джудит Энн (август 2002 г.). «Измерение вязкости и скорости поперечной волны жидкости или суспензии для оперативного управления процессом» . Ультразвук . 39 (9): 623–630. дои : 10.1016/S0041-624X(02)00372-4 . ПМИД 12206629 .

[13] Кеннетт, Брайан (2007), «Сейсмические фазы» , Габбинс, Дэвид; Эрреро-Бервера, Эмилио (ред.), Энциклопедия геомагнетизма и палеомагнетизма , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 903–908, doi : 10.1007/978-1-4020-4423-6_290 , ISBN 978-1-4020-4423-6 , получено 10 декабря 2021 г.

[:5-14] Перейти обратно: ^а ^б ^с Дзевонски, Адам М.; Андерсон, Дон Л. (июнь 1981 г.). «Предварительная эталонная модель Земли» . Физика Земли и недр планет . 25 (4): 297–356. дои : 10.1016/0031-9201(81)90046-7 .

[:6-15] Перейти обратно: ^а ^б Бот, Маркус (1957). «Теневые зоны, времена пробега и энергии продольных сейсмических волн при наличии низкоскоростного слоя астеносферы» . Эос, Труды Американского геофизического союза . 38 (4): 529–538. дои : 10.1029/TR038i004p00529 . ISSN 2324-9250 .

[:7-16] Перейти обратно: ^а ^б Эйнарссон, П. (сентябрь 1978 г.). «Тени S-волн в кальдере Крафла на северо-востоке Исландии, свидетельство существования магматического очага в земной коре» . Вулканологический бюллетень . 41 (3): 187–195. дои : 10.1007/bf02597222 . hdl : 20.500.11815/4200 . ISSN 0258-8900 . S2CID 128433156 .

[17] Азимоу, Пол Д. (2016), «Частичное плавление» , в книге Уайт, Уильям М. (редактор), Энциклопедия геохимии: всеобъемлющий справочный источник по химии Земли , Серия энциклопедии наук о Земле, Cham: Springer International Издательство, стр. 1–6, doi : 10.1007/978-3-319-39193-9_218-1 , ISBN. 978-3-319-39193-9 , получено 10 декабря 2021 г.

[18] Шериф, RE (1975). «Факторы, влияющие на сейсмические амплитуды*» . Геофизическая разведка . 23 (1): 125–138. дои : 10.1111/j.1365-2478.1975.tb00685.x . ISSN 1365-2478 .

[:8-19] Перейти обратно: ^а ^б Линь, Ченг-Хорнг (23 декабря 2016 г.). «Доказательства существования резервуара магмы под мегаполисом Тайбэй на Тайване как по теням S-волны, так и по задержкам P-волн» . Научные отчеты . 6 (1): 39500. дои : 10.1038/srep39500 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5180088 . ПМИД 28008931 . S2CID 968378 .

[:9-20] Перейти обратно: ^а ^б Лин, Ченг-Хорнг; Лай, Я-Чуан; Ши, Мин-Хун; Пу, Синь-Че; Ли, Шианн-Джонг (06 ноября 2018 г.). «Сейсмическое обнаружение резервуара магмы под Черепашьим островом на Тайване с помощью теней и отражений S-волн» . Научные отчеты . 8 (1): 16401. doi : 10.1038/s41598-018-34596-0 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6219605 . ПМИД 30401817 . S2CID 53228649 .

[:10-21] Перейти обратно: ^а ^б Да, Ю-Льен; Ван, Вэй-Хау; Вэнь, Стронг (13 января 2021 г.). «Плотные сейсмические массивы отрицают наличие массивного магматического очага под мегаполисом Тайбэй, Тайвань» . Научные отчеты . 11 (1): 1083. doi : 10.1038/s41598-020-80051-4 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 7806728 . ПМИД 33441717 .

[22] Купер, Кари М.; Кент, Адам-младший (16 февраля 2014 г.). «Быстрая ремобилизация магматических кристаллов, хранящихся в холодном хранилище» . Природа . 506 (7489): 480–483. дои : 10.1038/nature12991 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 24531766 . S2CID 4450434 .

[23] Марш, Б.Д. (октябрь 1981 г.). «О кристалличности, вероятности возникновения и реологии лавы и магмы» . Вклад в минералогию и петрологию . 78 (1): 85–98. дои : 10.1007/bf00371146 . ISSN 0010-7999 . S2CID 73583798 .

[24] Де Гори, Паскуале; Джампикколо, Элизабетта; Кочина, Орнелла; Бранка, Стефано; Дольони, Карло; Кьярабба, Клаудио (12 октября 2021 г.). «Повышенное давление магмы на горе Этна в Италии может питать извержения в течение многих лет» . Связь Земля и окружающая среда . 2 (1): 1–9. дои : 10.1038/s43247-021-00282-9 . ISSN 2662-4435 . S2CID 238586951 .

[25] Ферлито, К.; Бруно, В.; Салерно, Г.; Кальтабиано, Т.; Скандура, Д.; Маттиа, М.; Колторти, М. (13 июля 2017 г.). «Купообразное поведение на горе Этна: случай пароксизма юго-восточного кратера 28 декабря 2014 года» . Научные отчеты . 7 (1): 5361. doi : 10.1038/s41598-017-05318-9 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5509668 . ПМИД 28706233 . S2CID 10170141 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]