SZEIZMOLÓGIA A szeizmológia a természetes eredetű földrengések megfigyeléséel és feldolgozásáal foglalkozó tudomány. A becslések szerint Földünkön mintegy háromszázezer földrengés pattan ki éente, ebből azonban legfeljebb öt-hatezret érez a lakosság és mindössze húsz-huszonöt a pusztító rengések száma. A földrengéskutatás legnagyobb jelentősége abban áll, hogy a rengések keletkezési körülményeinek egyre részletesebb megismeréséel ki tudjuk dolgozni az előrejelzés módszereit. A nagyobb földrengések során keletkező rengéshullámok áthaladnak Földünk belső részein is és fontos információkat hoznak a Föld belső felépítéséről. A rengéshullámok tanulmányozása tehát abból a szempontból is rendkíül fontos, hogy jelenleg szinte ez az egyetlen lehetőségünk, hogy köetkeztetni tudjuk a Föld belső szerkezetére és belsejének legfontosabb fizikai paramétereire. Ezen túlmenően a földrengések kipattanásának helye és körülményei alapető információkat szolgáltatnak a Föld tektonikai folyamatairól. A szeizmika a szeizmológiáal ellentétben a mesterségesen keltett rengésekkel foglalkozik. A kéregszerkezet izsgálatára, ásányi nyersanyagok (főként a szénhidrogének) kutatására alkalmazzák; de emellett a mérnökgeofizikában is fontos kutatási módszer. Alapfogalmak A földkérget alkotó kőzetek szilárd rugalmas anyagok. A szilárd testek rugalmassága abban jelentkezik, hogy ha alamely külső erő a test alakját agy méretét megáltoztatni igyekszik, akkor a belsejében olyan irányú feszültségek lépnek fel, amelyek az alak, illete a méretáltozást megakadályozni törekszenek. Ha a külső erő megszűnik, akkor a feszültségek hatására a test isszanyeri eredeti alakját és térfogatát. A feszültségek eközben munkát égeznek, amiből az köetkezik, hogy a deformált állapotban energia halmozódik fel. Ha azonban az alakáltozás bizonyos határt túllép, az anyagban megszűnnek a molekulákat összetartó kohéziós erők: az anyag tönkremegy, eltörik. A törés köetkeztében felszabadul a testben felhalmozott rugalmas energia és részben mozgási (kinetikus) energiáá, részben a belső súrlódáson keresztül hőenergiáá alakul. A töréssel járó elmozdulás pedig megszünteti a deformációt. Ez a jelenség megy égbe a földkéreg kőzeteiben is. A Földet alakító jelenségeknél azonban a tömeg a tér és az idő nem a megszokott hétköznapi méretekben lép fel. Ennek köetkeztében aránylag csekély erők hosszú időn át hata a mindennapi iszonyokhoz képest szokatlan mértékű hatásokat álthatnak ki. A Földet felépítő anyagokra különböző erők hatnak. Az ismert erők közül legfontosabbak a tektonikai erők és a Föld belsejében a mélységgel egyre nöekedő nyomóerő. A kőzetek iselkedése erőhatásokkal szemben Valamely tömegelemre ható külső erő két olyan összeteőre bontható, amely közül az egyik a tömeg határoló felületének elemi darabjára merőleges, a másik pedig a felületelem síkjába esik. Az előbbi aszerint, hogy a tömegtől kifelé agy befelé irányul húzó- agy nyomóerő, a másik a nyíróerő. Az erők hatására a tömeg térfogatáltozást és
alakáltozást szened, amely áltozásokkal szemben a tömegen belül feszültségek lépnek fel. Az alakáltozásnak háromféle megnyilánulása lehet (megjegyeze, hogy ezek rendszerint nem tisztán, jól elkülöníthető módon jelentkeznek): a) rugalmas az alakáltozás, ha adott behatási idő alatt az alakáltozás a külső erő nöekedéséel egyenes arányban nő; b) képlékeny (plasztikus) az alakáltozás, ha adott nagyságú erő által kiáltott alakáltozás a behatási időtől függ, ennek nöekedéséel nő; c) tönkremenésről beszélünk akkor, ha az alakáltoztató erőel szemben megszűnik az anyag ellenállása. Egyes anyagoknál a rugalmas alakáltozás és a tönkremenés (törés) között képlékeny állapot köetkezik be. Ezek a képlékenyen rugalmas anyagok. Velük szemben a rideg anyagoknál a képlékeny átmeneti állapot hiányzik. A rugalmas alakáltozás és az erőhatás összefüggésének leírásához az anyagokat bizonyos mérőszámokkal jellemezhetjük. A q alapterületű l magasságú kőzethasáb az alap- és a fedőlapjára merőlegesen ható, ellenkező irányú F erő hatására Δ nagyságú relatí hosszáltozást szened; ahol E az anyag rugalmassági Young-modulusa. Az erő hatására azonban a hasáb a hosszirányára merőlegesen is megáltoztatja méretét. Ha a négyzetes alap a oldalhosszának áltozása Δa, akkor a E F q Δa κ Δ a újabb rugalmassági állandó: a Poisson-féle szám. (A negatí előjel arra utal, hogy a Δa és Δl előjele mindig ellentétes; pl. ha az anyag hosszirányban megnyúlik, akkor a keresztmetszete csökken). Ha most az előbbi merőleges hasáb alap- és fedőlapjának síkjában egyenlő nagyságú és ellentétes irányú F nyíróerő hat, akkor ez térfogatáltozás nélkül elferdül, agyis ferde hasábbá deformálódik. Az elferdülés szöge : F γ, μ q ahol µ a nyírási agy torzió modulus. Ha alamely testre minden oldalról felületegységenként ugyanakkora nyomóerõ hat és a test térfogata p nyomáson V, akkor Δp nyomásáltozás köetkeztében az alakját megtarta ΔV V K p relatí térfogatáltozást szened, ahol K a térfogati rugalmassági tényező, agy inkompresszibilitás, amely az anyag térfogatáltoztatással szembeni ellenállásának a mértéke.
A későbbiek során még a λ-al jelölt rugalmassági jellemzőt is fogjuk használni. λ és µ a Lammé-féle állandók. Homogén közegben a rugalmassági paraméterek közül csak kettő független egymástól, így pl. a λ, µ és a K paraméterek kifejezhetők az E Young-modulus és a κ Poisson-szám segítségéel: Eκ λ ( + κ)( κ ) E μ ( + κ) E K 3( κ ) () A () összefüggések gyakorlati jelentőségét az adja, hogy λ és µ a kőzetmintákon közetlenül nem mérhető; a Young-modulust és a Poisson-számot iszont meghatározhatjuk. A kőzetek rugalmassági jellemzőinek értéke a nyomás és a hőmérséklet függénye. Ez azért fontos, mert a Föld belsejében rendkíül magas nyomás és hőmérséklet értékek uralkodnak. Tapasztalataink szerint a hőmérséklet emelkedése csökkenti, a nyomás emelkedése iszont nöeli a rugalmassági jellemzők értékét. A megfigyelés szerint ha az erőhatás bizonyos határt túllép, akkor a kőzetek agy képlékeny alakáltozást mutatnak, agy pedig tönkremennek. Képlékeny állapotban külső erő hatására igen jelentékeny alakáltozások állhatnak elő a tönkremenés előtt. Ennek az alakáltozásnak azonban csak egy része rugalmas (tehát csak bizonyos része szűnik meg az erő megszűnéséel), a másik maradandó (ez a képlékény folyás). A tönkremenés agyis a kőzetek törése akkor köetkezik be, amikor a külső erőktől származó alakáltozás olyan nagy, hogy a test belsejében fellépő nyíróerõk túllépik az anyag törési szilárdságát. Igen nagy hidrosztatikai (minden oldalról ható) nyomás alatt a rideg anyagok is képlékenyen iselkednek. Ezt bizonyítják részben a laboratóriumi kísérletek, részben pedig a réteges kőzetekben sokszor nagy jól szemlélhető gyűrődések. A 0 km-es mélységben uralkodó kb. 3 0 8 N/m nyomásérték mellett például a mészkő és a márány már plasztikus. Hasonló a helyzet más kőzetekkel, illetőleg kőzetalkotó ásányokkal; legfeljebb a szükséges nyomás nagyobb. Kiétel pl. a karc, amely még 3 0 9 N/m nyomás mellett is rideg anyagként iselkedik. Az elmondottakból köetkezik, hogy a Föld nagyobb mélységeiben törés csak kiételesen fordulhat elő, amikor a kőzetekben alamilyen okból olyan egyirányú feszültség lép fel, amely túllépi a hidrosztatikai nyomást. Miel a felszín közelében csekélyebb a hidrosztatikai nyomás, itt ilyen egyirányú feszültségek könnyebben felléphetnek. A földrengések kipattanása és jellemzőik A különböző tektonikai és egyéb folyamatok eredményeként a Föld kőzeteiben feszültségek és ezzel rugalmas energia halmozódik fel. A feszültség-felhalmozódás folyamata elemi kicsiny rugalmas alakáltozással kezdődik, majd éges deformációba megy át. Ezt plasztikus alakáltozás köeti, és égül a szilárdsági határok túllépése után a 3
Föld belsejében törési zónák jönnek létre. Bár a rugalmas energiakészlet kis részének felszabadulása a törési zónák kialakulása előtt, a plasztikus állapotban megindul, azonban az energia döntő része a törés pillanatában szabadul fel, és alakul át rugalmas hullámmozgássá. Ezeket a rugalmas hullámokat neezzük földrengéshullámoknak. A legnagyobb energiakészletek a tektonikus erők hatására halmozódnak fel, így a földrengések döntő része tektonikus eredetű. A földrengéseket kiáltó egy-egy törési zóna a Föld méreteihez képest iszonylag kis területre terjed ki, ezért a Föld belsejében a földrengéshullámok toaterjedését úgy foghatjuk fel, mintha a hullámok egyetlen pontból indultak olna ki. A Föld belsejében azt a helyet, ahol a rengés kipattan a rengés fészkének agy hipocentrumának híjuk és H-al jelöljük. Miel a hipocentrumban még az összes rengéshullám együtt an, szokásos elneezés a fókusz is. A fészeknek az. ábrán látható felszíni etületét a földrengés epicentrumának neezzük és E-el jelöljük. Az E epicentrum és a H hipocentrum közötti táolság a h fészekmélység. A Föld felszínén alamely állomásnak az epicentrumtól mért szögtáolsága a Δ epicentrális táolság.. ábra. A földrengések leírásának alapfogalmai A tapasztalatok szerint a földrengés energiája a fészekben olyan röid idő alatt szabadul fel, hogy ez jó közelítéssel pillanatszerűnek tekinthető; emiatt beszélünk a földrengés t o kipattanási idejéről. A hipocentrumból kiinduló rugalmas hullámok különbözõ pályák mentén terjede bemerülnek a Föld mélyébe, majd felbukkannak a felszínre. Az. ábrán látható, hogy a nagyobb epicentrális táolságokban felbukkanó hullámok egyre mélyebben merülnek a Földbe. Valamely adott földrengéshullám h bemerülési mélysége az a maximális mélység, amennyire a hullám a terjedése során a Föld felszínétől eltáolodik. Az az idő, amely alatt a földrengéshullám a hipocentrumból alamely földfelszíni pontba ér (a futási idő agy menetidő) az út hosszától és az út menti terjedési sebességektõl függ. A menetidőket úgy kapjuk meg, hogy a izsgált hullám t beérkezési idejéből leonjuk a rengés t o kipattanási idejét. Ha ezt a Δ epicentrális táolság függényében ábrázoljuk, akkor az alapetően fontos menetidőgörbékhez jutunk. A földrengéshullámok terjedését a A földrengéshullámok fajtái u x u + y u + z u t hullámegyenlet írja le, ahol u az elmozdulás-, agy hullámfüggény, pedig a kérdéses rugalmas hullám terjedési sebessége az adott kőzetben. 4
A hullámegyenlet megoldása szerint szilárd rugalmas közegben két fajta térhullám terjedhet: nyomási agy longitudinális és nyírási agy transzerzális hullám.. ábra. Longitudinális (P) hullámok terjedése A longitudinális hullámok jellemzője, hogy az anyag részecskéi a hullámterjedés irányában égeznek rezgőmozgást. Ha az anyagban még a deformáció előtt képzeletben kijelölünk egy téglatestet és ezt kis elemi kockákra osztjuk, akkor a longitudinális hullámok terjedése során az elemi kockák a. ábrán látható módon deformálódnak. A rugalmas hullámok terjedésének irányát nyíl mutatja. Transzerzális hullámok esetén az anyag részecskéi a 3. ábrán látható módon a hullámterjedés irányára merőlegesen mozognak. Az azonos fázisban (nyugalmi helyzetüktõl azonos táolságra) leő részeket összekötő felületeket hullámfrontoknak neezzük, a hullámfrontokra merőleges görbék pedig a hullámpályák. 3. ábra. Transzerzális (S) hullámok terjedése A hullámegyenlet megoldása szerint, a longitudinális és a transzerzális hullámok terjedési sebessége különböző: λ + μ long. P () ϑ μ tr. S (3) ϑ ahol ϑ a kőzet sűrűsége, λ és µ pedig a már ismert Lammé-féle rugalmassági állandók. (A későbbiek szempontjából fontos megjegyeznünk, hogy a folyadékok és a gázok nyírási modulusa zérus: (μ 0), ezért a (3) szerint folyadékokban és gázokban a transzerzális hullámok nem terjednek.) A () és a (3) alapján látható, hogy long. > tr. ; így földrengések esetén adott megfigyelési helyen elsőnek mindig a longitudinális hullámok érkeznek be, majd ezeket csak bizonyos idő múla köetik a transzerzális hullámok. Ennek megfelelően a szeizmológiai gyakorlatban a P (Primary) és az S (Secondary) hullám elneezéseket használjuk. A () és a (3) alapján a terjedési sebességek aránya: 5
P S λ + μ (4) amelynek számértéke a földköpenyben 3 körül adódik. A rugalmas test belsejében terjedő longitudinális és transzerzális hullámok mellett a test felszínén is terjednek hullámok, amelyek amplitúdója a közeg belseje felé gyorsan csökken. Ezeket felületi hullámoknak neezzük, bár nem csak a test felületén, hanem a Föld belsejében is bármely szeizmikus határfelület mentén kialakulhatnak és terjedhetnek. A felületi hullámokat elsőként RAYLEIGH tanulmányozta és a hullámegyenlet alapján leírta iselkedésüket. 4. ábra. Rayleigh-hullámok terjedése A felületi hullámok szempontjából tekinte a transzerzális (S) hullámoknak két áltozata an. Az egyik esetben a részecskék elmozdulása ertikális-, a másikban horizontális sík mentén történik. Az előbbieket SV, az utóbbiakat SH hullámoknak híjuk. A Rayleigh-féle hullámok lényegében ée a P és az SV hullámok interferenciájából alakulnak ki. A Rayleigh-hullámok terjedését a 4. ábra szemlélteti. Az ábrán látható, hogy nemcsak a felületi, hanem a mélyebb részek is részt esznek a mozgásban azonban a hullámegyenlet megoldása szerint a részecskék mozgásának amplitúdója a mélység és a frekencia szorzatáal exponenciálisan csökken. Ugyanabban a közegben a Rayleighhullámok terjedési sebessége kisebb mint a transzerzális hullámoké. 5. ábra. Loe-hullámok terjedése LOVE izsgálatai szerint a felületi hullámoknak másik típusa is an. Ennek létezéséhez az szükséges, hogy a felszínen két különböző rugalmasságú réteg legyen. Az elmélet szerint a Loe-hullámok SH típusú hullámokból alakulnak ki és a részecskék mozgásának amplitúdója ugyancsak exponenciálisan csökken a mélység és a frekencia szorzatáal. A Loe-hullámok terjedését az 5. ábra szemlélteti. A Loe-hullámokat általában L, a Rayleigh-hullámokat pedig R betűkkel szokták jelölni. A felületi hullámok terjedésének fontos jelensége a diszperzió, mely annak az eredménye, hogy a különböző frekenciájú rugalmas hullámok nem azonos sebességgel terjednek. 6
A rengéshullámok terjedése A rugalmas hullámok különböző kõzetekben különböző sebességgel terjednek. A terjedési sebesség a rugalmassági jellemzőktől és a sűrűségtől a () és a (3) összefüggés szerint áltozik. Azonban a kőzetek rugalmassági paraméterei és ennek megfelelően a rengéshullámok terjedési sebessége is különböző hatásokra jelentősen megáltozhatnak. Ezek közül legfontosabb a nyomás, a hőmérséklet, agy pl. a kőzetek szerkezete. Igen érdekes pl. a kristályos palák sebesség-anizotrópiája, melyeknél a rétegzettséggel párhuzamos irányban mért sebesség jóal (néha 0-70%-kal is) nagyobb, mint a rétegzettségre merőleges irányban. Az. táblázatban a nagyságrendi tájékozódás céljából megadtuk a longitudinális hullámok terjedési sebességét néhány fontosabb kőzettípusban. A köetkezőkben megizsgáljuk a földrengéshullámok terjedésének fontosabb szabályait.. táblázat. A longitudinális hullámok terjedési sebessége különböző kőzetekben kőzet sebesség [m/s] száraz homok 00-600 nedes homok, kaics 00-000 agyag 00-800 mészkő, dolomit 000-650 íz 430-590 gránit 5600 diorit 6400 gabbró 6800 bazalt 5400 peridotit 7400 Végtelen kiterjedésű, homogén, izotróp közegben az egy pontból kiinduló hullámok frontjai koncentrikus gömbök, a hullámpályák pedig ezen gömbökre merőleges sugarak. Amennyiben a földrengéshullámok két közeg határfelületéhez érnek, akkor azon túlmenően, hogy megtörnek és isszaerődnek, a 6. ábrán látható módon kölcsönösen keltik is egymást. A törés és a isszaerődés szögét a Snellius-Descartes-törény alapján a sinα sinα (5) egyenletből határozhatjuk meg. Az α P szöggel beeső P hullám mint P hullám szintén α P szöggel erődik issza. Azonos hullámra néze tehát a beesési szög egyenlő a isszaerődési szöggel. A P hullám azonban a határfelületen S hullámot is gerjeszt, amely már a sinα sinα S P S P 7
egyenletből adódó α S szöggel erődik issza. Ugyanakkor a megtört P hullám α P szöggel halad toább, amely értéke a sinα P P sin P α P összefüggésből határozható meg. Ha a sebesség lefelé nöekszik ( P > P ) akkor ( α P > αp ) ; azaz a hullám a beesési merőlegestől, ellenkező esetben pedig a beesési merőlegeshez törik. A határon keltett és megtört S hullám a sinα α S S S sin P sin P P α P egyenletből számítható α S szöggel halad toább a második közegben. 6. ábra. Rengéshullámok törése és isszaerődése Teljesen hasonlóan tárgyalható az az eset, amikor S hullám érkezik a határfelülethez. A határfelület ebben az esetben is megsokszorozza a hullámokat. Közelíte a Föld belsejében aló terjedési iszonyok tárgyalásához, alkalmazzuk az (5) törési törényt koncentrikus, homogén héjakból felépülő gömb esetére. A 7. ábrán a H pontból kiinduló rugalmas hullám i szöggel érkezik a határfelületen leő P pontba, ahol ε szöggel megtöre toább halad, majd i szöggel érkezik a köetkező határfelületre és így toább. A törési törény szerint sin i sin ε (6) az OPQ háromszögből pedig a szinusz-tétel szerint sin ε sin i r r (7) 8
A (6) és a (7) kifejezést összeszoroza és átrendeze, az r sin sin i r i összefüggést kapjuk. Ez az összefüggés minden héjra onatkozólag teljesül és fennáll akkor is, ha a sebesség egy héjon belül folytonosan áltozik. 7. ábra. A megtört földrengéshullám útja A rugalmas hullámok tehát úgy haladnak a Föld belsejében, hogy az r sin i p áll. (8) összefüggés ugyanazon hullámpályára onatkozóan a hullámpálya minden pontjában teljesül. (Természetesen a (8) összefüggés bármely más hullámpályára is teljesül, csak más p érték mellett.) A p értéket az adott hullám paraméterének neezzük. Ha öesen homogén, agy akár folyamatos sebességeloszlással rendelkező közegben a sebesség lefelé nöekszik, akkor a beesési merőlegestől aló folytonos törés eredményeként a hullámpályák teljesen isszahajlanak, azaz felülről néze a 8. ábrán látható módon konká görbék lesznek. Valójában ez tapasztalható Földünk esetében is. 8 ábra. Hullámpályák a Föld belsejében 9
Miel a (8) összefüggés a felszínre is érényes, fenn kell állnia az r0 sin i 0 0 p (9) összefüggésnek, amelyben r o a gömb alakúnak képzelt Föld sugara, i o a felszínre érkező hullám beesési szöge, o pedig a felszínközeli sebesség. A 9. ábrán azonban látható, hogy az. hullám felszínre érkezésének pillanatában a szomszédos. hullám még csak a C pontban an és csak dt idő múla érkezik a felszínre, o dt út megtétele után. Közben a rugalmas hullám a földfelszíni megfigyelő számára A-ból B-be jutott f sebességgel, amit felszíni látszólagos sebességnek neezünk. Az ABC háromszögből tehát 0dt 0 sin i0 (0) dt f f ahol a felszíni látszólagos sebesség: f AB dθ r0 () dt dt ha dθ az AB íhez tartozó középponti szög. A (0) és a () összefüggést a (9)-be helyettesíte : égül figyelembe ée a (8) összefüggést: p dθ dt r sin i dθ dt ahol a jobb oldal a megfigyelés helyére onatkozik. 9. ábra. A felszíni látszólagos sebesség meghatározása 0
A szeizmikus hullám a pályájának legmélyebb pontján nyilánalóan merőlegesen halad a sugárra, azaz i 90 o ; tehát ebben a pontban dθ rh dt h rh f r 0 () Miel a látszólagos felszíni sebesség a megfigyelések adataiból leezethető, a () alkalmas a h mélységben a rugalmas hullámok terjedési sebességének meghatározására. Ehhez azonban szükségünk an még a rengéshullám h bemerülési mélységének-, agyis a hullám pályájának mélypontjához tartozó r h r 0 h sugár meghatározására is, amelyet ugyancsak a felszíni mérések eredményeiből kell leezetnünk. Az r h értéke az alábbi összefüggéssel határozható meg: ahol Δ s 0 h π r0 Δ 0 r ln qdδ (3) r sin( i0 ) Δ q Arch (4) sin( i ) 0 S A (4)-ben ( i0 ) S a felszíni beesési szög a fészektől Δ s epicentrális táolságban, ( i 0 ) Δ pedig ugyanez a közbenső 0<Δ<s epicentrális táolságban leő megfigyelési pontokban. A (3)-ban szereplő integrál gyakorlati megoldása úgy történik, hogy képezzük az adott helyre onatkozó ( i 0 ) Δ és a közbülső s epicentrális táolságú állomásokon megfigyelt ( i0 ) S beesési szögek szinuszának hányadosát, majd ennek Arch értékét. Az így kapott q értékeket a Δ epicentrális táolság függényében ábrázoljuk, majd meghatározzuk a görbe és a Δ tengely közé eső területet. Ezzel grafikusan előállítható a q dδ szorzat integrálja, tehát a (3) jobb oldala most már ismert. Ebből az r kiszámítható, majd az r h ismeretében a () felhasználásáal meghatározható h mélységben a rengéshullámok h terjedési sebessége is.