Sejsmologia — definicja, metody pomiaru i praktyczne zastosowania

Sejsmologia: metody pomiaru i praktyczne zastosowania — od monitoringu trzęsień i wulkanów po poszukiwanie złóż i analizę warstw ziemi. Poznaj narzędzia i techniki.

Sejsmologia to nauka badająca strukturę i właściwości Ziemi oraz procesy zachodzące w jej wnętrzu poprzez pomiar drgań i fal sejsmicznych rejestrowanych na powierzchni. Sejsmologia obejmuje zarówno obserwacje naturalnych zjawisk (np. trzęsień ziemi, aktywności wulkanicznej), jak i eksperymenty kontrolowane. Osoba zajmująca się tymi badaniami nazywa się sejsmologiem.

Sejsmologia w ramach nauk o Ziemi

Jest to część nauki geofizyki, która bada fizykę procesów odpowiedzialnych za powstawanie i ewolucję Ziemi i innych planet. Sejsmologia dostarcza informacji o warstwach skorupy, płaszcza i jądrze Ziemi oraz pomaga zrozumieć dynamikę tektoniczną i wulkaniczną.

Jak mierzy się drgania ziemi

Sejsmologia jest wykonywana przez sejsmologów i geofizyków za pomocą urządzeń do odbioru wibracji zwanych geofonami, hydrofonami lub sejsmometrami. Urządzenia te rejestrują ruch gruntu w postaci sejsmogramów, które następnie są analizowane w celu wyodrębnienia charakterystycznych fal i parametrów zdarzenia.

Podstawowe typy fal sejsmicznych to:

• fale P (pierwotne) – fale podłużne, najszybsze, przenikają przez ciała stałe i płyny;
• fale S (wtórne) – fale poprzeczne, wolniejsze niż P, nie przechodzą przez płyny;
• fale powierzchniowe (np. Rayleigh i Love) – rozchodzą się w pobliżu powierzchni, często powodują największe zniszczenia przy trzęsieniach ziemi.

Metody: pasywna i aktywna

Sejsmologia może być prowadzona pasywnie, czyli poprzez słuchanie naturalnych wibracji wywołanych trzęsieniami ziemi, erupcjami wulkanów czy mikrodrganiami oceanu, albo aktywnie, wykorzystując kontrolowane źródła fal sejsmicznych (małe ładunki wybuchowe, ciężarówki vibroseis, uderzenia ciężarów) do wysyłania fal w głąb ziemi. Metody aktywne są powszechnie stosowane w badaniach inżynierskich oraz poszukiwaniu surowców.

Przyrządy i zasada działania

Czujniki sejsmiczne występują w różnych typach; niektóre mierzą ruch w górę i w dół (osi pionowej), inne mierzą ruchy poziome (osi boczne). Większość klasycznych urządzeń wykorzystuje elementy magnetyczne i cewki:

• magnes i cewka z drutu tworzą układ, który przekształca ruch względny na sygnał elektryczny;
• hydrofony są używane do rejestracji fal w wodzie (np. w badaniach morskich);
• geofony to czujniki naziemne, często używane w obserwacjach naziemnych i przy badaniach sejsmicznych o niskiej częstotliwości.

Najwcześniejszy sejsmometr został opracowany przez Chińczyków — znanym historycznym przykładem jest konstrukcja wykrywania trzęsień ziemi stosowana w starożytności. Nowoczesne sejsmometry są cyfrowe, wysokoczułe i działają w ramach rozległych sieci stacji, z zapisem danych bezpośrednio w komputerze.

Lokalizacja trzęsień i analiza

Sejsmolodzy lokalizują epicentra trzęsień ziemi, analizując różnice czasów przybycia fal P i S do wielu stacji sejsmicznych — na tej podstawie wyznaczają położenie ogniska (hipocentrum) i jego głębokość. Dodatkowo określa się:

• magnitudę (np. skale momentu sejsmicznego Mw lub historyczną skalę Richtera), która mierzy całkowitą energię uwolnioną podczas zdarzenia;
• intensywność (np. skala makrosejsmiczna Mercallego), opisującą skutki trzęsienia dla danego miejsca.

Zastosowania praktyczne

Sejsmologia ma wiele zastosowań praktycznych, m.in.:

• monitoring i wczesne ostrzeganie przed trzęsieniami ziemi oraz ocena ryzyka sejsmicznego dla planowania i budownictwa;
• badania sejsmiczne w poszukiwaniu złóż ropy naftowej i gazu, wykorzystujące metody odbicia i refrakcji fal;
• monitoring wulkanów w celu wykrywania zmian aktywności i prognozowania erupcji — dostarcza informacji o wewnętrznej strukturze wulkanów;
• kontrola przestrzegania zakazu prób jądrowych — stacje sejsmiczne wykrywają i odróżniają naturalne trzęsienia od eksplozji i były tworzone m.in. do wykrywania podziemnych testów nuklearnych;
• inżynierskie badania gruntu (np. określanie parametrów dynamicznych podłoża) i ocena bezpieczeństwa infrastruktury;
• sejsmiczna tomografia — wykorzystanie fal sejsmicznych do obrazowania struktury wnętrza Ziemi na skalach regionalnych i globalnych.

Sieci sejsmiczne i analiza danych

Sieci lokalne, regionalne i globalne składają się ze stacji rejestrujących, które przesyłają dane do centrów analizy. Współczesna analiza obejmuje przetwarzanie sygnałów, filtrowanie, korelacje, modelowanie numeryczne oraz metody odwrotne (inwersję) do odtwarzania właściwości podłoża. Coraz częściej wykorzystuje się także:

• zintegrowane pomiary GPS do badania deformacji skorupy;
• techniki wykorzystujące hałas sejsmiczny tła (ambient noise tomography) do obrazowania płytko położonych struktur;
• uczenie maszynowe i automatyczne systemy wykrywania zdarzeń.

Podsumowanie

Sejsmologia łączy obserwacje, pomiary i modele fizyczne, aby zrozumieć procesy w Ziemi i zmniejszyć ryzyko związane z zagrożeniami naturalnymi. Zarówno proste geofony, jak i zaawansowane sieci sejsmiczne dostarczają cennych danych wykorzystywanych w geologii, geotechnice, energetyce i ochronie ludności.

Pytania i odpowiedzi

P: Czym jest sejsmologia?

P: Kim jest osoba, która studiuje sejsmologię?

P: Czym jest geofizyka?

P: Jakich urządzeń używa się do wychwytywania drgań w sejsmologii?

P: Jakie są dwa rodzaje detektorów sejsmicznych?

P: Jaki jest cel sejsmometru?

P: Jakie są możliwe zastosowania sejsmologii?

Szukaj według litery