Co to są fale sejsmiczne?

Energia sejsmiczna wyzwolona w czasie trzęsienia ziemi rozprzestrzenia się w jej wnętrzu w postaci fal. Wyróżniamy dwa podstawowe typy fal sejsmicznych: fale przestrzenne i fale powierzchniowe.


Fale przestrzenne (ang. body waves) rozchodzą się od ogniska trzęsień ziemi we wszystkich kierunkach. Dzielimy je na fale podłużne (P) i fale poprzeczne (S). Drgania podłużne i poprzeczne biegną z różną prędkością, podłużne są blisko dwa razy szybsze od poprzecznych. Dzięki tej różnicy fale P i S wychodzące jednocześnie z punktu wzbudzenia (ogniska) przybywają do danego punktu w różnym czasie, przy czym im dłuższą odbywają drogę, tym większa jest różnica w czasie ich przybycia.
Gdy fale sejsmiczne dotrą do powierzchni ziemi, wzbudzają inny rodzaj drgań zwany falami powierzchniowymi.


Fale podłużne (ang. primary, compressional, push-pull) – ich ruch polega na zmianie objętości. Mogą rozprzestrzeniać się zarówno w ciałach stałych, cieczach, jak i w gazach. W wyniku propagacji tych fal zachodzi proces okresowych zgęszczeń i rozrzedzeń cząsteczek ośrodka (stąd są zwane również falami dylatacyjnymi lub zgęszczeniowo-rozrzedzeniowymi), a zmiany te odbywają się w kierunku rozchodzenia się fali. Fale podłużne poruszają się z największą prędkością i zazwyczaj osiągają powierzchnię ziemi jako pierwsze, dlatego są nazywane primary waves lub w skrócie fale „P".

 sejsm 02 01 p

Fale poprzeczne (ang. secondary, shear, shake) są wynikiem przenoszenia się zmian postaci (kształtu) cząsteczek ośrodka, a ich ruch odbywa się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się drgań. Fale poprzeczne rozchodzą się wyłącznie w ciałach stałych. Prędkość ich propagacji jest mniejsza niż fal podłużnych, dlatego są nazywane secondary waves lub po prostu fale „S".

 sejsm 02 02 s

Fale powierzchniowe (ang. surface waves) w przeciwieństwie do fal przestrzennych rozchodzą się na granicy dwóch ośrodków, a szczególnie na powierzchni ziemi. Składają się one z dwóch rodzajów drgań – fal Rayleigha i Love'a.


Fale Rayleigha – ich nazwa pochodzi od nazwiska Lorda Rayleigha (John William Strutt), który w 1885 roku na podstawie obliczeń matematycznych przewidział istnienie tego typu fal. Fale Rayleigha są typu grawitacyjnego, tzn. drgają tak, jak powierzchnia wody, gdy rzuci się na nią kamień. Ruch cząstek odbywa się po elipsie pionowej, ustawionej w kierunku biegu fali. Większość wstrząsów odczuwanych w trakcie trzęsienia ziemi jest wywołana falami Rayleigha.

sejsm 02 03 ray


Fale Love’a – nazwane tak na część brytyjskiego matematyka A.E.H. Love’a, który w 1911 roku opracował matematyczny model tego rodzaju fal. Fale Love’a polegają na drganiach poziomych a prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Mimo że przemieszczają się stosunkowo wolno, są bardzo destruktywne. To właśnie one są odpowiedzialne za większość zniszczeń na obszarze dotkniętym trzęsieniem ziemi.

 sejsm 02 04 lov

Zagrożeń naturalnych, takich jak trzęsienia ziemi, erupcje wulkaniczne, uaktywniania się osuwisk, nie da się prognozować.
Przewidywanie zagrożeń środowiska geologicznego jest trudne, ponieważ litosfera podlega wielu zmianom zarówno na poziomie lokalnym, jak i globalnym. Trzeba poznać przyczyny powstawania wstrząsów sejsmicznych i mechanizm ich przebiegu.
Zbliżające się trzęsienie ziemi często jest poprzedzone deformacjami gruntu, zmianami przyśpieszenia siły ciężkości, zmianami natężenia pola magnetycznego i zmianami poziomu wód w otworach pomiarowych, zmianami w poziomie emanacji radonu, zmianami temperatury wód termalnych, zmianami w prędkościach podłużnych i poprzecznych fal sejsmicznych i innych czynników. Zmiany te są spowodowane kumulacją naprężeń i ciśnienia w sprężystym ośrodku geologicznym w rejonie przyszłego hipocentrum. Poprzedzają one fizyczną destrukcję ośrodka, następującą w wyniku przekroczenia krytycznych wartości modułu Younga i gwałtownego uwolnienia skumulowanej energii w postaci wstrząsu i fali sejsmicznej. Dotychczas nie udało się ustalić jednoznacznego i precyzyjnego związku pomiędzy wymienionymi czynnikami poprzedzającymi trzęsienie ziemi, które są często nieznaczące (niewielkie), a wystąpieniem zjawiska. Niezależnie od wszystkiego blisko połowa zjawisk sejsmicznych nie jest poprzedzona żadnymi przesłankami.
Jedynymi wiarygodnymi metodami przewidywania trzęsień ziemi jest predykcja statystyczna i ocena zagrożenia zwana hazardem sejsmicznym (prognoza statystyczna).
Metody statystyczne polegają na badaniu okresowości występowania zjawisk geodynamicznych w czasie i przestrzeni. Metody te dobrze będą się sprawdzać tam, gdzie aktywność sejsmiczna jest udokumentowana historycznie, a współczesne zjawiska sejsmiczne występują często. Przykładem może być obszar Morza Śródziemnego lub rejon Wysp Japońskich. Częściej zdarza się, że baza statystyczna jest niewielka, a skala czasowa zjawisk współcześnie występujących jest bardzo długa. Znane są miejsca kolizji płyt tektonicznych, ale umieszczenie odpowiednich przyrządów pomiarowych badających naprężenia w płytach tektonicznych jest niemożliwe.


Hazard sejsmiczny jest definiowany jako prawdopodobieństwo wystąpienia zjawisk wiązanych z trzęsieniem ziemi, takich jak drgania i gruntu, tsunami, lawiny, osuwiska i inne.


Ryzyko sejsmiczne to prawdopodobieństwo wystąpienia szkodliwych skutków spowodowanych trzęsieniem ziemi: ofiar w ludziach, zniszczeń w infrastrukturze budowlanej, transportowej, energetycznej na danym obszarze.

 

Grzegorz Wróbel