к вопросу о физике землетрясения.

К ВОПРОСУ О ФИЗИКЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
В.В.Кузнецов
Пузыревские чтения,
Новосибирск - 2009
Одна из десяти тайн Вселенной по версии экспертов и читателей
популярного журнала LiveScience сформулирована так:
«Что происходит в сердце землетрясения?».
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ:
Сейсмический момент Мо = µuA - модуль сдвига горных пород (порядка
30 ГПа)  средняя подвижка  площадь разрывов.
Интенсивность землетрясения - определяется в баллах одной из
принятых сейсмологических шкал интенсивности.
Магнитуда землетрясения (от лат. magitudo - величина) - численная
характеристика, определяемая по амплитудам сейсмических волн,
рождающихся в очаге.
Очаг землетрясения - область возникновения подземного удара в толще
земной коры или верхней мантии, являющегося причиной землетрясения.
Эпицентр землетрясения - (греч. ἐπι на, лат. cetrum центр круга) проекция
гипоцентра (фокуса) землетрясения на поверхность планеты. Для
определения местоположения эпицентра (эпицентральной области)
используют записи сейсмических станций.
Закон повторяемости - lg N = A – γ lgE – для энергии; lg N = a - bM – для
магнитуды.
Свойства сейсмических волн в дальней зоне.
Смещение частиц среды в Р-волне:
uP (x, t) ~ 1/4ρ21/rX0(t – r/),
аналогично, для смещения частиц в S-волне:
uS(x, t) ~ 1/4ρ21/rX0(t – r/),
где  и  скорости VP и VS – соответственно.
Отсюда следует, что отношение амплитуд смещения частиц в этих
волнах:
uP (x, t)/ uS(x, t) ~ (VS / VP)2,
примерно в 3 раза меньше в Р-волне, чем в S-волне.
Разность времен прихода волн четко связано с расстоянием от
источника до точки приема. Это свойство используется для оценки
координат эпицентра землетрясения по данным сети сейсмостанций.
Размер очага (разлома) и длительность фронта землетрясения
ГЛАВНЫЙ ВОПРОС:
Как очаг землетрясения размером до 1000 км может
излучать сейсмические волны как «точка»?
МОДЕЛИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ:
STICK-SLIP И SHOCK-WAVE
po = uVS - для slip-velosity
р = uc, - массовая скорость за
фронтом УВ.
Расположение GPS станций (точки) в момент Нортриджского землетрясения.
Звезда – эпицентр землетрясения, выделенный прямоугольник – область
сильных движений, черный прямоугольник – специальный полигон VNC,
стрелки показывают направления горизонтальных движений грунта. Слева, на
вставке, - направление сжимающих и растягивающих сил в районе разлома
Сан-Андреас.
ФИЗИКА ОЧАГА
Модель разрывов Нортриджского землетрясения (справа) (Somerville et al., 1996;
Zeng, Anderson, 1996) (в центре). В левой части рисунка - распределение
скоростей P-, S-волн и ударной волны со - по глубине (Shen et al., 1996). В правой
– афтершоки Нортриджского землетрясения (Wald et al., 1996).
ФИЗИКА ОЧАГА
«Сейсмические гвозди» в зоне субдукции Японии. Черные треугольники –
вулканы (Вадковский, Веселовский, 2000).
ФИЗИКА ОЧАГА
ФИЗИКА ОЧАГА
Диаграмма р, V, иллюстрирующая различные случаи распространения
ударной волны при полиморфном превращении вещества (I),
Расщепление ударной волны (II), Профиль давления в случае
расщепления ударной волны (III).
ФИЗИКА ОЧАГА
Сейсмические разрезы земной коры по данным скоростей Р-волн в Муйском
районе Байкальской рифтовой зоны (Крылов и др., 1993) – а, и в районе разлома
Сан Андреас (SAF) в Калифорнии
ФИЗИКА ОЧАГА
ОБРАЗОВАНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Акустическое сверхизлучение
) Скорость образования трещин в диабазе при действии на образец
постоянного дноосного сжимающего напряжения.
Число зарегистрированных пар фотонов как функция задержки между
моментами регистрации двух фотонов. Плоский участок отвечает
случайным совпадениям между некоррелированными фотонами, пик
соответствует квантовой запутанности (Aspect, 2002).
АКУСТИЧЕСКИЙ «ПОРТРЕТ» ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
АКУСТИЧЕСКИЙ «ПОРТРЕТ» ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Инфразвуковые сигналы (датчики I и P) и сейсмограммы (вертикальный
канал Z, с/с "Акташ") землетрясений 5 ноября (a,b) и 8 ноября (c). Верхние
кривые - акустика, нижние - сейсмические записи.
АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ В МОМЕНТ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Взаимные корреляционные функции (ВКФ) между инфразвуковым (P) и
электрическим (E) сигналами. Временной сдвиг порядка 6 мс, т.е. сигналы P и
E практически синфазные
ОБРАЗОВАНИЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Когерентное сложение акустических импульсов в точке 0. Метод
пересекающихся характеристик (Жуков, 1960). Рис. 21-14-б. Модель
укручения и «опрокидывания» солитона (Заславский, Сагдеев, 1988)
Образование ударной волны на разрыве характеристики среды.
Уравнение дивергентного вида: ∂ρ/∂t + ∂f(ρ)/∂x = 0,
с условием на линии разрыва: -D(ρ1 – ρ2) + f(ρ1) – f(ρ2) = 0,
где ρ1 и ρ2 – значения плотности на разрыве, а D = dx(t)/dt - наклон
линии разрыва – скорость УВ: D = Δρ/ρ Δx/ Δt. Увеличение плотности
среды (на 10 %, Δρ/ρ = 0.1) происходит в слое толщиной Δx = 10 см, за
время порядка Δt = 10-6 с. D = 10 км/с.
Е = 51022 эрг = 51012 кДж ~ 1 Мт (TNT). S = 5010 км2 = 51012 см2.
Плотность энергии ~ 1 кДж/см2, или 0.1 кДж/см3, или 0.03 кДж/г.
Энергия ВС  3 кДж/г, следовательно, ВС занимают объем  1%.
А) Изменение удельного объема (ΔV/V = 4 %) в калисинaите (гидрокарбонат
калия) при давлении 3.2 GPa . Б, В) Изменение пространственной структуры
калисинита. (Allan et al., 2007).
Особенности водородных связей. Кооперативность.
Н - связь
энергия
ккал/моль
расстояние в Å
А-В
расстояние в Å
А - Н...В
слабая
0.1 - 1.0
3.0 - 3.5
2.0 - 2.5
средняя
5.0 - 15.0
2.7 - 3.0
1.7 - 2.0
сильная
20 - 60
2.2 - 2.5
1.1 - 1.2
Гидриды:
Т плав. ( С)
Т кип. (С)
Мол. вес:
1
H2 Te
- 60
-5
129.6
2
H2 Se
- 65
- 40
81
3
H2 S
- 85
- 60
34
4
H2 O
- 95
- 70
18
5
H2 O
0
100
18
Водородные связи
имеются в HF, Н2О,
NH3, но их нет в HCl,
Н2S, PH3
Особенности водородных связей.
Водородные связи (точки, слева) и
структура льда (справа).
Молекулы воды с двумя
положительными и двумя
отрицательными зарядами,
образующими тетраэдр, являются
основой для образования "жидких
кристаллов" элементов
структурированной воды. Наиболее
стабильный жидкий кристалл
состоит из 8 тетраэдрических
молекул и называется Stella
Octangula.
Задачи
Численное моделирование выхода ударной волны (УВ) на
поверхность. Создание двумерной модели «сильных движений»
грунта в момент выхода УВ. Определение глубины разрыва грунта в
момент землетрясения, оценка условий «квазижидкой» среды. Оценка
возможности «разрушения» УВ при подходе к поверхности (проблема
защиты от землетрясения).
Численное моделирование механизма распространения УВ от
гипоцентра землетрясения до поверхности Земли. Генерация slipвекторов и возникновение зон растяжения – сжатия.
Используя сейсмологические базы данных, выяснить реальность
постулируемой в УВ- модели землетрясения связи особенностей
морфологии области формирования УВ на глубине гипоцентра с
акустическими особенностями очага и разломными диаграммами.
Исследовать присутствует ли водород в эпицентре Чуйского
землетрясения.
Исследовать имеется ли взаимосвязь межу землетрясениями и
вариациями атмосферного электрического поля.
Исследовать изменение акустического и электромагнитного фона
перед землетрясением.
И самая главная…
Создать установку для экспериментального исследования
явления акустического сверхизлучения возникающего в
образцах горных пород при испытании их на прессах.
Выяснить возникает ли режим кооперативности на одном, двух и
более образцах.
Выяснить имеется ли связь между акустическим сверхизлучением
и возникновением ударной волны.
Проведение этих исследований позволит более определенно
ответить на поставленный вопрос: что происходит в сердце
землетрясения.
Благодарю за внимание!