Микросейсм
В сейсмологии микросейсмой вызванное называют слабое сотрясение земли, природными явлениями. [1] [2] Иногда его называют «гулом». [3] его не следует путать с одноименным аномальным акустическим явлением . Этот термин чаще всего используется для обозначения доминирующих фоновых сейсмических и электромагнитных шумовых сигналов на Земле, которые вызываются водными волнами в океанах и озерах. [4] [5] [6] [7] [8] Характеристики микросейсм обсуждаются Бхаттом. [8] Поскольку колебания океанских волн статистически однородны в течение нескольких часов, сигнал микросейсм представляет собой длительно продолжающиеся колебания грунта. [9] 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 волны очень слабое, амплитуда движений грунта, связанных с микросейсмами, обычно не превышает 10 микрометров.
Обнаружение и характеристики
[ редактировать ]Как отмечалось в начале истории сейсмологии, [10] Микросейсмы очень хорошо обнаруживаются и измеряются с помощью долгопериодного сейсмографа . Этот сигнал можно записать в любой точке Земли.
Преобладающие сигналы микросейсм, поступающие из океанов, связаны с характерными периодами волнения океана и, таким образом, происходят примерно от 4 до 30 секунд. [11] Микросейсмический шум обычно имеет два преобладающих пика. Более слабый эффект 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 водные волны, которые их порождают, и обычно называются «первичными микросейсмами». Более сильный пик для более коротких периодов также обусловлен поверхностными гравитационными волнами в воде, но возникает в результате взаимодействия волн почти одинаковой частоты, но почти противоположных направлений ( клапотис ). Эти толчки имеют период, составляющий половину периода волн на воде, и их обычно называют «вторичными микросейсмами». Незначительное, но обнаруживаемое непрекращающееся возбуждение свободных колебаний Земли, или нормальных мод , с периодами в диапазоне от 30 до 1000 с, часто называемое «гудом Земли». [12] Для периодов до 300 с вертикальное смещение соответствует волнам Рэлея, генерируемым подобно первичным микросейсмам, с той лишь разницей, что оно связано с взаимодействием инфрагравитационных волн с рельефом дна океана. [13] Доминирующие источники этого компонента вертикального шума, вероятно, расположены вдоль разлома шельфа, переходной области между континентальными шельфами и абиссальными равнинами.
В результате, от кратковременных «вторичных микросейсм» до долгопериодных «гулов», этот сейсмический шум содержит информацию о состоянии моря . Его можно использовать для оценки свойств океанских волн и их изменений во временных масштабах отдельных событий (от нескольких часов до нескольких дней). их сезонной или многодесятилетней эволюции. Однако использование этих сигналов требует базового понимания процессов генерации микросейсм.
Генерация первичных микросейсм
[ редактировать ]Детали первичного механизма впервые были даны Клаусом Хассельманном , [5] с простым выражением источника микросейсма в частном случае постоянного наклонного дна. Оказывается, что этот постоянный наклон должен быть довольно большим (около 5 процентов или более), чтобы объяснить наблюдаемые амплитуды микросейсм, а это нереально. Вместо этого мелкомасштабные топографические особенности дна не обязательно должны быть такими крутыми, а генерация первичных микросейсм является, скорее, частным случаем процесса взаимодействия волн с волнами, в котором фиксируется одна волна — донная. Чтобы визуализировать происходящее, проще изучить распространение волн по синусоидальному рельефу дна. Это легко обобщается на топографию дна с колебаниями вокруг средней глубины. [14]
Для реалистичной топографии морского дна, имеющей широкий пространственный спектр, генерируются сейсмические волны всех длин волн и во всех направлениях. Поскольку динамическое давление океанских волн экспоненциально падает с глубиной, механизм первичного микросейсмического источника ограничивается более мелкими областями мирового океана (например, менее нескольких сотен метров для энергии волн 14–20 с).
Генерация вторичных микросейсм
[ редактировать ]Взаимодействие двух шлейфов поверхностных волн разных частот и направлений порождает волновые группы . Для волн, распространяющихся почти в одном направлении, это дает обычные наборы волн, движущихся с групповой скоростью, которая медленнее фазовой скорости волн на воде (см. анимацию). Для типичных океанских волн с периодом около 10 секунд эта групповая скорость близка к 10 м/с.
В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь равна 2π( f 1 + f 2 )/( k 1 − k 2 ) с k 1 и k 2 волновыми числами взаимодействующих водных волн.
Для волновых последовательностей с очень небольшой разницей в частоте (и, следовательно, волновых числах) 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 вдаль.
Что касается сейсмических и акустических волн, то движение океанских волн на глубокой воде в главном порядке эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря. [5] волны Это давление почти равно произведению плотности воды на квадрат орбитальной скорости . Из-за этого квадрата значение имеет не амплитуда отдельных цугов волн (красная и черная линии на рисунках), а амплитуда суммы, групп волн (синяя линия на рисунках).
Настоящие океанские волны состоят из бесконечного числа волновых последовательностей, и всегда существует некоторая энергия, распространяющаяся в противоположном направлении. Кроме того, поскольку сейсмические волны намного быстрее волн на воде, источник сейсмического шума изотропен: одинаковое количество энергии излучается во всех направлениях. На практике источник сейсмической энергии наиболее силен, когда значительное количество волновой энергии движется в противоположных направлениях. Это происходит, когда зыбь от одного шторма встречается с волнами того же периода от другого шторма. [6] или близко к побережью из-за прибрежного отражения.
В зависимости от геологического контекста шум, регистрируемый сейсмической станцией на суше, может быть репрезентативным для состояния моря вблизи станции (в пределах нескольких сотен километров, например, в Центральной Калифорнии) или для всего океанского бассейна (например, на Гавайях). ). [7] Таким образом, чтобы понять свойства шума, необходимо понять распространение сейсмических волн.
Волны Рэлея составляют большую часть вторичного микросейсмического поля. Как вода, так и твердые частицы Земли смещаются волнами по мере их распространения, и слой воды играет очень важную роль в определении скорости, групповой скорости и передачи энергии от поверхностных волн воды к волнам Рэлея. Генерация волн Лява вторичного микросейсма включает преобразование мод с помощью неплоской батиметрии и, внутри, за счет однородности скорости сейсмических волн внутри Земли. [15]
Сезонные и вековые вариации микросейсма
[ редактировать ]Сезонные изменения микросейсм дают ценную информацию о динамике поверхностных и подземных процессов Земли. Наблюдаемые во всем мире микросейсмы генерируются океанскими волнами. Сезонные изменения океанических и атмосферных условий, таких как высота волн, штормовая активность и характер ветра, способствуют наблюдаемым изменениям интенсивности и частотного содержания микросейсм. Например, зимой в северном и южном полушариях штормовая активность и энергия волн в соответствующих зимних полушариях в среднем выше, а сигналы микросейсм становятся более выраженными. Напротив, летом в полушарии, когда океанические и атмосферные условия относительно спокойны, микросейсмический сигнал демонстрирует самую низкую годовую интенсивность. Изучая сезонные изменения микросейсм, исследователи могут лучше понять основные физические процессы и их влияние на динамические системы Земли. [16] Поскольку они вызваны энергией океанских волн, микросейсмические сигналы вокруг Земли также демонстрируют большие изменения в пространственном масштабе, которые отражают среднюю энергию волн на больших пространствах мирового океана.
Исследования десятилетнего масштаба показали, что энергия микросейсм растет по мере того, как глобальные штормы и связанные с ними волны увеличиваются в интенсивности. [17] из-за повышения температуры в океанах и атмосфере, вызванного антропогенным глобальным потеплением [18] [19] [20]
Микросейсмы объемных волн
[ редактировать ]Микросейсмы объемных волн — это тип сейсмической волны, которая распространяется через недра Земли, в отличие от поверхностных волн. Эти микросейсмы генерируются различными источниками, включая колебания атмосферного давления, взаимодействия с океаном и антропогенную деятельность. В отличие от поверхностных волн, которые преимущественно распространяются вдоль поверхности Земли, микросейсмы объемных волн распространяются через более глубокие слои Земли. Сообщалось о сезонных колебаниях объемного волнового шума, что соответствует различиям в штормовой активности между северным и южным полушариями. [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Словарь английского языка американского наследия (четвертое изд.), Houghton Mifflin Company, 2000 г.
- ^ Эбель, Джон Э. (2002), «Наблюдение за погодой с помощью сейсмографа» , Письма о сейсмологических исследованиях , 73 (6): 930–932, Бибкод : 2002SeiRL..73..930E , doi : 10.1785/gssrl.73.6.930 .
- ^ Ардуин, Фабрис, Люсия Гуальтьери и Элеонора Штуцманн. «Как океанские волны раскачивают Землю: два механизма объясняют сейсмический шум с периодами от 3 до 300 с». Геофиз. Рез. Летт. 42 (2015).
- ^ Лонге-Хиггинс, MS (1950), «Теория происхождения микросейсм», Philosophical Transactions of the Royal Society A , 243 (857): 1–35, Бибкод : 1950RSPTA.243....1L , doi : 10.1098 /rsta.1950.0012 , S2CID 31828394
- ^ Перейти обратно: а б с Хассельманн, К. (1963), «Статистический анализ генерации микросейсм», Rev. Geophys. , 1 (2): 177–210, Бибкод : 1963RvGSP...1..177H , doi : 10.1029/RG001i002p00177 , hdl : 21.11116/0000-0007-DD32-8
- ^ Перейти обратно: а б Кедар, С.; Лонге-Хиггинс, MS ; Грэм, FWN; Клейтон, Р.; Джонс, К. (2008), «Происхождение глубоководных микросейсм в северной части Атлантического океана» (PDF) , Proc. Р. Сок. Лонд. A , 464 (2091): 1–35, Bibcode : 2008RSPSA.464..777K , doi : 10.1098/rspa.2007.0277 , S2CID 18073415
- ^ Перейти обратно: а б Ардуин, Ф.; Штуцманн, Э.; Шиммель, М.; Мангени, А. (2011), «Источники сейсмического шума в океане» (PDF) , J. Geophys. Рез. , 115 (C9): C09004, Bibcode : 2011JGRC..116.9004A , doi : 10.1029/2011jc006952
- ^ Перейти обратно: а б Бхатт, Каушалендра М (2014). «Микросейсма и ее влияние на электромагнитный сигнал морского управляемого источника» . Журнал геофизических исследований: Solid Earth . 119 (12): 2169–9356. Бибкод : 2014JGRB..119.8655B . дои : 10.1002/2014JB011024 .
- ^ «Микросейсма» . Проверено 25 августа 2008 г.
- ^ Гутенберг, Бено (1936). «О микросейсмах». Бюллетень Сейсмологического общества Америки . 26 (2). дои : 10.1785/BSSA0260020111 .
- ^ Рафф, Ж.Дж. «Сезон ураганов и микросейсмы» . МихСейс. Архивировано из оригинала 29 мая 2008 г. Проверено 26 августа 2008 г.
- ^ Ри, Дж.; Романович, Б. (2004). «Возбуждение непрерывных свободных колебаний Земли связью атмосфера-океан-морское дно». Природа . 431 (7008): 552–556. дои : 10.1038/nature02942 .
- ^ Ардуин, Ф.; Гуальтьери, Л.; Штуцманн, Э. (2015), «Как океанские волны раскачивают Землю: два механизма объясняют микросейсмы с периодами от 3 до 300 с» , Geophys. Рез. Летт. , 42 (3): 765–772, Bibcode : 2015GeoRL..42..765A , doi : 10.1002/2014GL062782
- ^ Ардуин, Фабрис. «Крупномасштабные силы под действием поверхностных гравитационных волн на волнистом дне: механизм генерации первичных микросейсм». Геофиз. Рез. Летт. 45 (2018), номер документа: 10.1029/2018GL078855.
- ^ Гуальтьери, Люсия (9 ноября 2020 г.). «Происхождение вторичных микросейсмических волн Лява» . Труды Национальной академии наук . 117 (47): 29504–29511. Бибкод : 2020PNAS..11729504G . дои : 10.1073/pnas.2013806117 . ПМЦ 7703644 . ПМИД 33168742 .
- ^ Шиммель, М.; Штуцманн, Э.; Ардуин, Ф.; Галларт, Дж. (июль 2011 г.). «Окружающий микросейсмический шум поляризованной Земли: ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИЙ ШУМ» . Геохимия, геофизика, геосистемы . 12 (7): н/д. дои : 10.1029/2011GC003661 . hdl : 10261/171829 . S2CID 58926177 .
- ^ Регеро, Борха; Лосада, Иниго Дж.; Мендес, Фернан Дж. (2019). «Недавнее увеличение глобальной мощности волн как следствие потепления океана» . Природные коммуникации . 10 :205. дои : 10.1038/s41467-018-08066-0 . ПМК 6331560 .
- ^ Астер, Ричард С.; Макнамара, Дэниел Э.; Бромирски, Питер Д. (2008). «Многодесятилетняя климатическая изменчивость микросейсм». Письма о сейсмологических исследованиях . 79 (2): 94–202. дои : 10.1785/gssrl.79.2.194 .
- ^ Бромирски, Питер (2023). «Вызванная климатом десятилетняя изменчивость высоты океанских волн в результате микросейсм: 1931–2021 гг.» . Журнал геофизических исследований: Океаны . 128 : e2023JC019722. дои : 10.1029/2023JC019722 .
- ^ Астер, Ричард С.; Ринглер, Адам Т.; Энтони, Роберт Э.; Ли, Томас А. (2023). «Увеличение энергии океанских волн наблюдается в сейсмическом волновом поле Земли с конца 20 века» . Природные коммуникации . 14 . дои : 10.1038/s41467-023-42673-w . ПМЦ 10620394 .
- ^ Копер, К.Д.; де Фой, Б. (1 декабря 2008 г.). «Сезонная анизотропия кратковременного сейсмического шума, зарегистрированного в Южной Азии» . Бюллетень Сейсмологического общества Америки . 98 (6): 3033–3045. Бибкод : 2008BuSSA..98.3033K . дои : 10.1785/0120080082 . ISSN 0037-1106 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
