Микросейсм - Microseism

В сейсмология, а микросейсм определяется как слабый землетрясение вызванные природными явлениями.[1][2] Иногда его называют "гул",[3] его не следует путать с аномальным акустическим явлением то же имя. Этот термин чаще всего используется для обозначения доминирующих фоновых сигналов сейсмического и электромагнитного шума на Земле, которые вызваны 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, микросейсмический сигнал является продолжительным. колебание земли.[9] Самый энергичный сейсмические волны составляющие микросейсмическое поле Волны Рэлея, но Волны любви 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.

Обнаружение и характеристики

Микросейсмы очень хорошо обнаруживаются и измеряются с помощью широкополосного сейсмограф, и может быть записан где угодно на Земле.

Функция плотности вероятности спектральной плотности мощности (цветная шкала справа) в течение 20 лет непрерывных данных вертикальной составляющей сейсмической скорости, записанных в Альбукерке, Нью-Мексико станцией ANMO Консорциум 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 медиану и моду функции плотности вероятности соответственно.

Преобладающие сигналы микросейсмической волны из океанов связаны с характерными периодами волн волн в океане и, таким образом, возникают в диапазоне от 4 до 30 секунд.[10] 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 заметное, непрерывное возбуждение свободных колебаний Земли, или нормальные режимы, с периодами от 30 до 1000 с и часто называемый «земным гудением». Для периодов до 300 с вертикальное смещение соответствует волнам Рэлея, генерируемым как первичные микросейсмы, с той разницей, что оно связано с взаимодействием инфрагравитационные волны с топографией дна океана.[11] Доминирующие источники этого компонента вертикального гула, вероятно, расположены вдоль разлома шельфа, переходной области между континентальными шельфами и абиссальными равнинами.

В результате, от короткопериодных «вторичных микросейсм» до долгопериодных «гул» этот сейсмический шум содержит информацию о состояния 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.

Генерация первичных микросейсм

Детали первичного механизма были впервые даны Клаус Хассельманн,[5] с простым выражением источника микросейсм в частном случае постоянного наклонного дна. Оказывается, что этот постоянный наклон должен быть довольно большим (около 5 процентов или более), чтобы объяснить наблюдаемые амплитуды микросейсмов, 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.[12]

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 модели давления на дне, которое движется намного быстрее, чем океанские волны, и в направлении волн, если их длина L1 короче нижней длины волны L2или 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 /L1 − 1/L2).

Для реального дна с широким спектром сейсмические волны генерируются со всеми длинами волн и во всех направлениях.

Генерация вторичных микросейсм

Взаимодействие двух поездов поверхностные волны разных частот и направлений генерирует группы волн. Для волн, распространяющихся почти в одном 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 это групповая скорость близка к 10 м / с.

В случае противоположного направления распространения группы движутся с гораздо большей скоростью, которая теперь составляет 2π (ж1 + ж2)/(k1 − k2) с k1 и k2 волновые числа взаимодействующих волн на воде.

Группы волн, созданные волнами с одинаковыми направлениями. Синяя кривая - это сумма красного и черного. В анимации обратите внимание на гребни с красными и черными точками. Эти гребни движутся с фазовой скоростью линейные волны на воде, а группы больших волн распространяются медленнее (Анимация )

Для волновых цепей с очень небольшой разницей в частоте (и, следовательно, волновых чисел), этот рисунок групп волн может иметь ту же скорость, что и сейсмические волны, между 1500 и 3000 м / с, и будет возбуждать акустико-сейсмические моды, которые расходятся.

Группы волн, созданные волнами с противоположными направлениями. Синяя кривая - это сумма красного и черного. В анимации обратите внимание на гребни с красными и черными точками. Эти гребни движутся с фазовой скоростью линейные волны на воде, но группы распространяются намного быстрее (Анимация )

Что касается сейсмических и акустических волн, движение океанских волн на глубокой воде зависит от ведущий заказ, что эквивалентно давлению, приложенному к поверхности моря.[5] Это давление почти равно плотности воды, умноженной на волну. орбитальная скорость в квадрате. Из-за этого квадрата значение имеет не амплитуда отдельных волновых цепей (красные и черные линии на рисунках), а амплитуда суммы, групп 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.[6] или близко к берегу из-за отражения от берега.

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.

Форма волн Рэлея, модифицированных слоем океана: свободные волны и вынужденные волны

Волны, составляющие большую часть вторичного микросейсмического поля: 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Словарь английского языка American Heritage Dictionary (Четвертое изд.), Houghton Mifflin Company, 2000
  2. ^ Эбель, Джон Э. (2002), «Наблюдение за погодой с помощью сейсмографа», Письма о сейсмологических исследованиях, 73 (6): 930–932, Дои:10.1785 / gssrl.73.6.930.
  3. ^ Ардуин, Фабрис, Люсия Гуальтьери и Элеонора Штутцманн. «Как океанские волны качают Землю: два механизма объясняют сейсмический шум с периодами от 3 до 300 с». Geophys. Res. Lett. 42 (2015).
  4. ^ Лонге-Хиггинс, М.С. (1950), «Теория происхождения микросейсм», Философские труды Королевского общества A, 243 (857): 1–35, Bibcode:1950РСПТА.243 .... 1л, Дои:10.1098 / Рста.1950.0012, S2CID  31828394
  5. ^ а б c Хассельманн, К. (1963), "Статистический анализ генерации микросейсм", Rev. Geophys., 1 (2): 177–210, Bibcode:1963РвГСП ... 1..177Ч, Дои:10.1029 / RG001i002p00177
  6. ^ а б Kedar, S .; Лонге-Хиггинс, М.С.; Graham, F. W. N .; Clayton, R .; Джонс, К. (2008), «Происхождение глубоководных микросейсм в северной части Атлантического океана» (PDF), Proc. Рой. Soc. Лондон. А, 464 (2091): 1–35, Bibcode:2008RSPSA.464..777K, Дои:10.1098 / rspa.2007.0277, S2CID  18073415
  7. ^ а б Ardhuin, F .; Stutzmann, E .; Schimmel, M .; Мангени, А. (2011), «Океанские волновые источники сейсмического шума» (PDF), J. Geophys. Res., 115 (C9): C09004, Bibcode:2011JGRC..116.9004A, Дои:10.1029 / 2011jc006952
  8. ^ а б Бхатт, Каушалендра М (2014). «Микросейсмы и их влияние на морской источник электромагнитного сигнала». Журнал геофизических исследований: твердая Земля. 119 (12): 2169–9356. Bibcode:2014JGRB..119.8655B. Дои:10.1002 / 2014JB011024.
  9. ^ "Микросейсм". Получено 2008-08-25.
  10. ^ Ruff, L.J. «Сезон ураганов и микросейсмы». MichSeis. Архивировано из оригинал на 2008-05-29. Получено 2008-08-26.
  11. ^ Ardhuin, F .; Gualtieri, L .; Штутцманн, Э. (2015), «Как океанские волны качают Землю: два механизма объясняют микросейсмы с периодами от 3 до 300 с», Geophys. Res. Lett., 42 (3): 765–772, Bibcode:2015GeoRL..42..765A, Дои:10.1002 / 2014GL062782
  12. ^ Ардуин, Фабрис. «Крупномасштабные силы под поверхностными гравитационными волнами на волнистом дне: механизм генерации первичных микросейсм». Geophys. Res. Lett. 45 (2018), DOI: 10.1029 / 2018GL078855.

Источники

  • Aster, R .; McNamara, D .; Бромирски П. (2008), "Многолетняя климатическая изменчивость микросейсм", Письма о сейсмологических исследованиях, 79 (2): 194–202, Дои:10.1785 / gssrl.79.2.194
  • Rhie, J .; Романович, Б; Романович Б. (2004 г.), "Возбуждение непрерывных свободных колебаний Земли за счет взаимодействия атмосферы, океана и морского дна", Природа, 431 (7008): 552–556, Bibcode:2004 Натур.431..552R, Дои:10.1038 / природа02942, PMID  15457256, S2CID  4388114