为理解地震波建立坚实的基础

2021年4月22日

1906年4月18日,一场巨大的地震袭击了北加州,造成3000人丧生,无家可归,造成了20万人无家可归的人,并引发了旧金山和该地区其他城市的大多数建筑物的火灾。地震刺激了新颖的调查和分析,这导致了新的地震活动概念:哈里·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)的弹性反弹理论。这一理论是我们现代预测和准备地震的现代能力的至关重要的一步。

从这个角度来看,我们看到即使是一种悲惨的经历,我们也可以从中学习。自1906年以来,经验,探究和理论的反馈循环已帮助现代地震学奠定了一个合理的科学基础。基于这种基本的理解,我们可以建立可靠的模型来模拟地震活动。通过使我们能够更好地为未来的地震事件做准备,过去的经验为当前和未来带来了积极的影响。

地球的3D模型,其地图投射到模型的表面上,是红色和黄色的可视化的内核,并在模型的上半部分传播了以黄色可视化的模型的地震波。
一个计算模型,显示地震波通过地球传播。

让我们探索一些历史经验,探究和理论的层次,以支持我们对地球地震活动的理解。

经验:1906年的加利福尼亚地震

1906年的地震当然不是第一次袭击繁忙的城市地区的地震事件,但实际上是第一个被全世界拍摄和见证的地震事件。全景图像显示了震颤和随后的大火对旧金山的影响,当时是一个40万人的城市;美国西部最大。

1906年地震期间,旧金山天际线的一张棕褐色的照片,许多建筑物吸烟并着火。
1906年地震后,旧金山天际线的黑白照片,显示了毁坏的建筑物和瓦砾。

全景图像在地震和随后发生的大火期间和之后旧金山的破坏。Pillsbury图片公司和公共领域的最佳图像通过Wikimedia Commons。Lester C. Guernsey和公共领域的底部图像通过Wikimedia Commons

除了其可怕的人类成本之外,“地震将当代地质学家与大型的水平流离失所和巨大的破裂长度混淆了”美国地质调查。最近发明的地震仪为地震的能量如何散布在地球上提供了宝贵的记录。它的影响记录到了哥廷根大学在德国,如下所示:

1906年在德国记录的1906年地震的一维地震图。
1906年加州地震的地震图在9100公里外的哥廷根大学记录。通过公共领域的图像通过美国地质调查

查询:1908年的劳森报告

自然灾害之后,人们自然而然地问:为什么会发生这种情况,以及如何发生?在大多数历史上,对此类问题的答案本来是纯粹的投机性。但是到20岁初Th世纪,对地震和其他自然现象的实证研究取得了重要的进步。从1700年代中期开始,在葡萄牙发生地震后,对地震活动的观察变得更加客观和系统。到1906年,成熟的大学和观察者为加利福尼亚州对这一事件的调查贡献了20多名地球科学家,称为这一事件州地震调查委员会。它的发现将在1908年报告以团队的负责人地质学家A.C. Lawson的名字命名。

劳森报告的两个观察结果将特别重要:

  1. 柔软地面上的建筑物比基岩建造的建筑物受到更多的伤害
  2. 地面清楚地沿着可见的接缝朝相反的方向移动,而不仅仅是在旧金山附近的地震的中心

实际上,接缝长将近300英里,地面在我们现在称为圣安德烈亚斯断层的两侧都急剧移动。

1906年的灰度照片显示,院子位于圣安德烈亚斯断层线上,栅栏中有8英尺的突破。

1906年的地震越过圣安德烈亚斯断层的围栏被置于8英尺以上,从而形成了照片中心显示的缝隙。通过美国地质调查

第一个发现暗示了地震能如何通过不同的材料来不同。第二个会导致弹性反弹理论约翰·霍普金斯大学教授兼委员会成员哈里·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)

理论:弹性反弹,板块构造和地震波的行为

哈里·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)的弹性反弹理论是在1908年劳森(Lawson)报告中首次提出的,然后在1910年的一篇论文中正式化,这给了我们一个新的概念,即导致地震的原因。现在,这个概念是如此熟悉,以至于很难想象它曾经是多么开创性(双关语)。

哈利·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)的黑白肖像。

哈里·菲尔丁·里德(Harry Fielding Reid)。查尔斯的图像将通过赖特和在公共领域Wikimedia Commons

如上所述,该委员会对4月18日的地面如何破裂进行了详细的观察。这些裂缝是地震的原因还是影响?长期以来,人们一直认为断层线是地震活动的结果:地震的能量波已经裂开了固体地面。但是,如果地面不像我们想象的那么扎实怎么办?

里德(Reid)的理论得到了偏移的照片和调查的支持,是裸露的断层线揭示了原因地震,而不仅仅是其影响。

根据美国地质调查

[The elastic rebound theory] describes how the earth’s crust gradually and elastically distorts with accumulating plate motion until it is suddenly returned to its undistorted state by rapid slip along a fault, releasing the years of accumulated strain and, in the process, generating seismic waves that produce shaking.

对该理论的解释是从我们的时代,而不是劳森报告的解释。散发出现代性的线索是“积累板运动”一词。因为虽然里德(Reid)可以阐明地震是如何由沿断层线的暴力运动导致的,但尚未有人想象过断层,因为岩石的“板”之间的划分在地球表面上移动。

表面的现代理论板块构造直到几十年来进一步询问后才出现。地壳下面的东西也大多是未知的,但是很快,另一个伟大的理论家将有助于回答这个问题。

通过弹性反弹理论,里德通过从经验研究中仔细的推断来抵消了常见的误解。1936年,丹麦地球物理学家和地震学家英格·雷曼通过研究地震波行为的研究“找到”地球的固体核心,从而实现了可比的飞跃。

英格·莱曼(Inge Lehmann)的棕褐色肖像。
英格·莱曼(Inge Lehmann)于1932年。图片撰写的图像,皇家图书馆,丹麦国家图书馆和哥本哈根大学图书馆,并获得许可CC BY-SA 4.0通过Wikimedia Commons

地震波可以归类为:

  • p波
    • 也称为主要或压力波
    • 地震后首先要检测到
    • 可以穿过气体,液体和固体
  • S波
    • 也称为次要或剪切波
    • 旅行较慢,因此在P波之后检测到它们
    • 垂直于它们的旅行方向振荡,因此,“剪切”

对于Inge Lehmann的作品而言,S波的最重要的是,S-Waves不会通过粘度非常低的液体传播。

在1920年代后期,人们普遍同意地球的坚固地壳和地幔包围了完全液态芯。但是,p波和s波的行为存在不一致之处,另有建议。雷曼的调查最终在1936年的论文中达到了“p。”在她的论文中,她提出地球结构中的不连续性可以解释观察到的地震波活动的模式。

表面上的波动活动如何告诉莱曼地球中心是什么?她对地震记录的仔细研究表明P波阴影区,这表明存在地球的固体核心。

基于地震学的基础,模拟

科学史上的硬元课程有助于支持进一步的探索。例如,ComsolMultiphysics®软件中的声学模块结合了我们对波浪行为的理188金宝搏优惠解。这通过地球教程模型传播地震波可视化不同压力和剪切波跨过地球内部结构的产生和传播。该模型还捕获了所有其他类型的弹性波,例如表面和界面波。

观看此视频,该视频基于新模型的几何形状,以查看P-Wave阴影区域如何帮助我们“找到”地球的固体核心。

此处的模型使用了2D轴对称公式弹性波,时间显式界面以及压力声学,时间明确配方以分析地震波如何通过地球传播。

该模型可以轻松磨合流体和固体,并实现深度依赖性材料特性。这也是一个大型型号,解决了1720万度的自由度!

下一步

通过地球教程模型下载地震波的传播,以通过下面的按钮自己尝试(包括PDF文档中的分步说明):


NASA Goddard太空飞行中心图像撰写的RetoStöckli(陆地,浅水,云层)。罗伯特·西蒙(Robert Simmon)的增强(海洋颜色,合成,3D地球仪,动画)。数据和技术支持:MODIS土地组;MODIS科学数据支持团队;MODIS气氛组;MODIS海洋组其他数据:USGS EROS数据中心(地形);USGS陆地遥感弗拉格斯塔夫田(Antarctica);国防气象卫星计划(城市灯)。


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