"Я не могу не чувствовать, что сейсмология еще долгие годы будет оставаться в центре науки о твердой земле. Радость сейсмолога приходит к вам, когда вы находите что-то новое о недрах Земли из наблюдений сейсмических волн, полученных на поверхности, и понимаете, что вы сделали это, не проникая в землю, не прикасаясь и не изучая ее напрямую."
Кейти Аки, обращение президента к Сейсмологическому обществу Америки, 1980 г.
Сейсмические волны генерируются у источника, который может быть естественным, например, землетрясение, или искусственным, например, взрыв. Полученные волны распространяются через среду, некоторую часть земли, и регистрируются на приемнике.
Сейсмограмма, представляющая собой запись движения грунта на приемнике, называемом сейсмометром, содержит информацию как об источнике, так и о среде. Эта информация может принимать различные формы. Волны дают информацию о местоположении и характере источника, который их создал.
Если время начала излучения, когда волны покинули источник, известно, то время их поступления в приемник дает время прохождения, необходимое для прохождения через среду, и, следовательно, информацию о скорости, с которой они двигались, и, информацию о физических свойствах среды.
Кроме того, поскольку амплитуда и форма волновых импульсов, покинувших источник, зависят от распространения через среду, сигналы, наблюдаемые на сейсмограммах, дают дополнительную информацию о среде.
Сейсмология является основным инструментом для изучения недр Земли, поскольку лишь небольшая часть планеты доступна для непосредственного наблюдения.
Информация о более глубоких глубинах, вплоть до центра Земли (около 6371 км), получена в основном косвенными методами. Сейсмология, являющаяся наиболее мощным из таких методов, используется для картирования недр Земли и изучения распределения физических свойств.
Существование мелководной земной коры, более глубокой мантии, жидкого наружного ядра и твердого внутреннего ядра определяется колебаниями сейсмической скорости с глубиной. Представления об их химическом составе, в том числе о предполагаемых местах изменения структуры минералов в связи с увеличением давления, с увеличением глубины, также основываются на сейсмологических данных.
Приповерхностная сейсмология предоставляет подробные изображения земной коры, которые раскрывают информацию о местоположении экономических ресурсов, таких как нефть и минералы.
В более глубоких слоях земного шара сейсмология предоставляет основные данные для понимания истории и эволюции Земли, включая процесс мантийной конвекции.
Сейсмология также является основным методом исследования землетрясений. Большая часть информации о характере разломов во время землетрясения определяется по полученным сейсмограммам. Эти наблюдения полезны для нескольких целей.
Поскольку землетрясения обычно происходят в результате движений плит, составляющих литосферу Земли, которые являются поверхностным выражением конвекции в пределах мантии Земли, знание направления и величины движения плит имеет большое значение для описания движений плит и вызывающих их сил.
Анализ сейсмограмм также позволяет исследовать физические процессы, происходящие до, во время и после разломов. Такие исследования полезны для оценки социальных опасностей, связанных с землетрясениями.
Изучение Земли сейсмическими волнами концептуально похоже на восприятие окружающего нас мира с помощью света и звука. Например, вы читаете это, получая отраженный от бумаги свет. Мы видим цвет, потому что свет имеет разную длину волны.
Еще более близкой аналогией является использование звуковых волн летучими мышами, дельфинами и подводными лодками, чтобы "увидеть" свое окружение.
Сейсмология дает детальные изображения строения Земли, так же как звуковые волны (ультразвук) и электромагнитные волны (рентгеновские лучи) используются в медицине для изучения человеческого тела.
Известным свойством света является то, что он изгибается при движении между материалами, в которых его скорость различается. Объекты, вставленные в воду, выглядят криволинейными, потому что световые волны перемещаются в воде медленнее, чем в воздухе. Призмы и линзы используют этот эффект, называемый преломлением. Это явление происходит на Земле, поскольку скорости сейсмических волн, как правило, возрастают с увеличением глубины.
Волновые пути сгибаются от вертикали по мере того, как они углубляются в землю, со временем становятся горизонтальными ("дно"), поворачиваются вверх и возвращаются на поверхность.
Таким образом, волновые пути используются для того, чтобы сделать вывод об изменении сейсмической скорости и, следовательно, состава и физических свойств материала с глубиной залегания в земле.
Подобно тому, как световые волны отражаются в зеркале, сейсмические волны отражаются на границах, через которые изменяются физические свойства, например, на границе между мантией и ядром Земли. Поскольку амплитуды отраженных и переданных сейсмических волн зависят от скоростей и плотности материала по обе стороны границы, анализ сейсмических волн дает информацию о природе границы раздела.
Помимо преломления и отражения, волны также подвергаются дифракции. Подобно тому, как звук преломляется за углом здания, позволяя нам слышать то, что мы не видим, сейсмические волны сгибаются вокруг "препятствий", таких как земное ядро.
Основными данными для исследований являются сейсмограммы, записи движения грунта в результате прихода преломленных, отраженных и дифракционных сейсмических волн. Сейсмограммы включают точное время, чтобы можно было определить время прохождения. Реакция сейсмометра известна, поэтому сейсмограмма может быть привязана к фактическому движению грунта. Поскольку движение грунта является вектором, обычно регистрируются три различных компонента (север-юг, восток-запад и нисходящий). Поэтому,