Sismoloji (Seismology)

Sismoloji (; Antik Yunanca'da 'deprem' anlamına gelen σεισμός (sismós) ve 'çalışma' anlamına gelen -λογία (-logía) kelimelerinden gelir) depremlerin bilimsel olarak incelenmesidir...

Sismoloji (; Antik Yunanca'da 'deprem' anlamına gelen σεισμός (seismós) ve 'çalışması' anlamına gelen -λογία (-logía) kelimelerinden türetilmiştir), depremlerin (veya daha genel anlamda depremlerin) ve gezegensel hareketler boyunca elastik dalgaların üretilmesi ve yayılmasıyla ilgili araştırmaları konu alan bilimsel disiplini oluşturur. bedenler. Bu alan aynı zamanda tsunamiler gibi sismik olayların çevresel etkilerine ilişkin araştırmaları da kapsamaktadır; volkanlar, levha tektoniği, buzullar, nehirler, okyanus mikrosismikleri ve atmosferik olaylar dahil olmak üzere diğer doğal sismik kaynaklar; ve patlamalar gibi antropojenik süreçler.

Paleosismoloji, tarihsel depremler hakkında bilgi elde etmek için jeolojik kanıtlardan yararlanan ilgili bir disiplini temsil eder. Sismogram, bir sismograf tarafından üretilen, Dünya'nın hareketinin zamansal kaydı olarak tanımlanır. Sismolog, temel veya uygulamalı sismolojik araştırmalarla uğraşan bir bilim insanıdır.

Geçmiş

Antik ve Klasik Çağlar

Depremlerle ilgili bilimsel araştırmaların kökeni antik çağlara kadar uzanmaktadır. Depremlerin doğal kökenlerine ilişkin ilk hipotezler Miletoslu Thales (c. 585 BCE), Miletuslu Anaximenes (c. 550 BCE), Aristoteles (c. 340 BCE) ve Zhang Heng (132 CE).

MS 132'de, Çin'in Han hanedanından Zhang Heng bilinen en eski sismoskopu tasarladı.

Modern Bilimin Doğuşu

17. yüzyılda Athanasius Kircher, depremlerin, yer altı yangınlarının Dünya'nın iç kanallarından oluşan karmaşık bir sistem içindeki hareketinden kaynaklandığını öne sürdü. Daha sonra Martin Lister (1638–1712) ve Nicolas Lemery (1645–1715), Dünya'da meydana gelen kimyasal patlamaların depremlerin etken maddeleri olduğunu öne sürdüler.

Avrupa'da önemli bilimsel gelişmelerin yaşandığı bir dönemle eş zamanlı olarak meydana gelen 1755 Lizbon depremi, depremlerin davranışını ve etiyolojisini anlamaya yönelik yoğun bilimsel çabaları teşvik etti. İlk katkılar John Bevis (1757) ve John Michell'in (1761) çalışmalarını içeriyordu. Michell, depremlerin Dünya'dan kaynaklandığı ve "kaya kütlelerinin yüzeyin millerce altına kaydırılmasıyla" oluşturulan hareket dalgalarını temsil ettiği sonucuna vardı.

1839'da Comrie, İskoçya yakınlarında meydana gelen bir dizi sismik olayın ardından, Birleşik Krallık'ta gelişmiş deprem algılama metodolojileri geliştirmek üzere bir komite kuruldu. Bu girişim, ilk olarak 1842'de David Milne-Home tarafından bir raporda sunulan James David Forbes tarafından ilk modern sismometrelerden birinin yaratılmasıyla sonuçlandı. Ters sarkaç olan bu alet, kağıdı işaretlemek için sarkacın üzerine yerleştirilen bir kalem kullanarak sismik aktivite ölçümlerini kaydetti. Ancak Milne'nin raporları, önerilen tasarımların etkili olmadığını gösteriyordu.

1857'den itibaren Robert Mallet, modern aletli sismolojinin temel ilkelerini oluşturdu ve patlayıcıları kullanarak sismolojik deneyler yürüttü. Aynı zamanda "sismoloji" terimini icat etmesiyle de tanınır ve yaygın olarak "Sismolojinin Babası" olarak tanınır.

1889'da Ernst von Rebeur-Paschwitz, Japonya'daki bir depremden kaynaklanan ve Almanya'nın Potsdam kentinde tespit edilen ilk telesismik deprem sinyalini başarıyla kaydetti.

1894'te Fusakichi Omori, deprem artçı şoklarının sıklığının, deprem sonrasında azaldığını gösterdi. ana şok, 1889 Kumamoto, 1891 Mino-Owari ve 1893 Kagoshima depremlerinin analizinden elde edilen bir sonuç.

1897'ye gelindiğinde, Emil Wiechert'in teorik hesaplamaları, onu Dünya'nın iç kısmının demir bir çekirdeği çevreleyen silikat bir mantodan oluştuğu sonucuna varmasına yöneltti.

1906'da Richard Dixon Oldham, P dalgalarının farklı varış zamanlarını belirledi; S dalgaları ve sismogramlardaki yüzey dalgaları, böylece Dünya'nın merkezi çekirdeğinin varlığına dair ilk açık kanıtı sağlıyor.

1909 yılında, modern sismolojinin gelişiminde önemli bir figür olan Andrija Mohorovičić, Mohorovičić süreksizliğini keşfetti ve resmi olarak tanımladı. Yaygın olarak "Moho süreksizliği" veya basitçe "Moho" olarak adlandırılan bu sınır, Dünya'nın kabuğunu mantosundan ayırır. Tanımı, değişen kaya yoğunluklarına sahip bölgelerden geçen sismolojik dalgaların hızlarındaki belirgin değişime dayanmaktadır.

1910'da, Nisan 1906 San Francisco depremini incelemesinin ardından, Harry Fielding Reid, çağdaş tektonik çalışmaların temel taşı olmaya devam eden "esnek geri tepme teorisini" geliştirdi. Bu teorinin formülasyonu önemli ölçüde elastik malzeme davranışının anlaşılmasında ve matematik alanında daha önceki önemli gelişmelere bağlıydı.

Ocak 1920 Xalapa depremi, yıkıcı bir sismik olayın ardından meydana gelen artçı şoklarla ilgili ilk bilimsel araştırmalardan birine yol açtı. Depremin ardından 80 kg'lık (180 lb) bir Wiechert sismografı demiryoluyla Meksika'nın Xalapa kentine nakledildi. Bu cihaz daha sonra meydana gelen artçı sarsıntıları belgelemek için kullanıldı. Sonuçta sismograftan elde edilen veriler, ana şokun sığ bir kabuk fayı boyunca meydana geldiğini ortaya çıkardı.

Harold Jeffreys, 1926'da, mantonun altında yer alan Dünya'nın çekirdeğinin sıvı halde bulunduğunu öne süren ilk kişi oldu; bu, deprem dalgaları analizinden elde edilen bir sonuçtu.

Inge Lehmann'ın 1937'deki araştırması, Dünya'nın sıvı dış katmanında katı bir iç çekirdeğin varlığını ortaya çıkardı. çekirdek.

Michael S. Longuet-Higgins, 1950'de, küresel arka planda sismik mikrosisizm oluşturan okyanus süreçlerini açıkladı.

1960'lara gelindiğinde, Yer bilimlerindeki ilerlemeler, sismik olayların ve jeodezik hareketlerin oluşumunu açıklayan kapsamlı bir teorinin entegrasyonuyla doruğa ulaştı ve artık yaygın olarak kabul edilen levha tektoniği teorisini oluşturdu.

Sismik Dalga Türleri

Sismik dalgalar, katı veya akışkan ortamlarda yayılan elastik bozulmalar olarak tanımlanır. Bu dalgalar üç ana türe ayrılır: Malzemelerin iç yapısından geçen cisim dalgaları; Farklı malzemeler arasındaki sınırlar veya arayüzler boyunca yayılan yüzey dalgaları; ve bir tür duran dalgayı temsil eden normal modlar.

Vücut Dalgaları

Cisim dalgaları iki farklı kategoriden oluşur: basınç dalgaları olarak da bilinen birincil dalgalar (P dalgaları) ve ikincil dalgalar (S dalgaları) veya kayma dalgaları. P dalgaları, dalga yayılma yönüne paralel olarak meydana gelen sıkıştırma ve genişleme parçacık hareketi ile karakterize edilen uzunlamasına dalgalardır. Katı ortamdaki en hızlı sismik dalgalar olan P dalgaları, her zaman bir sismogramda kaydedilen ilk varışlardır. Tersine, S dalgaları, parçacık hareketinin dalganın yayılma yönüne dik olduğu, kayma deformasyonunu içeren enine dalgalardır. S dalgaları, P dalgalarından daha yavaş hızlar sergiler ve dolayısıyla sismogramlarda daha sonra ortaya çıkar. Akışkanlar, doğal kayma mukavemeti eksikliği nedeniyle, enine elastik dalgaları sürdürme kabiliyetine sahip değildir; bu nedenle S dalgaları yalnızca katı malzemeler aracılığıyla yayılır.

Yüzey Dalgaları

Yüzey dalgaları, P dalgaları ve S dalgalarının Dünya yüzeyiyle etkileşiminden kaynaklanır. Bu dalgalar dağılım sergiliyor, bu da hızlarının frekansa göre değiştiğini gösteriyor. Yüzey dalgalarının iki ana türü, hem sıkıştırma hem de kayma hareketleriyle karakterize edilen Rayleigh dalgaları ve yalnızca kayma hareketi gösteren Love dalgalarıdır. Rayleigh dalgaları, yüzeydeki P dalgaları ile dikey polarize S dalgalarının etkileşiminden kaynaklanır ve herhangi bir katı ortamda yayılabilir. Aşk dalgaları, yüzeyle etkileşime giren yatay olarak polarize edilmiş S dalgaları tarafından üretilir ve katı bir ortamda var olmak için elastik özelliklerde derinliğe sahip bir değişiklik gerektirir; bu, sismolojik bağlamlarda tutarlı bir şekilde karşılanan bir durumdur. Yüzey dalgaları, Dünya yüzeyiyle etkileşimi içeren dolaylı yayılma yollarının bir sonucu olarak, hem P dalgalarından hem de S dalgalarından daha yavaş hızlarda yayılır. Yüzeye hapsolmaları nedeniyle enerjileri cisim dalgalarından daha yavaş zayıflar (1/uzaklık³ ilişkisinden ziyade 1/uzaklık² ilişkisini takiben). Sonuç olarak, yüzey dalgalarının neden olduğu yer hareketi tipik olarak cisim dalgalarının neden olduğu hareketten daha belirgindir ve çoğu zaman yüzey dalgalarının deprem sismogramlarında en belirgin sinyaller olmasına neden olur. Yüzey dalgaları, yüzeysel depremler veya yüzeye yakın patlamalar gibi sığ kaynaklar tarafından güçlü bir şekilde uyarılır, ancak daha derin sismik kökenler için önemli ölçüde zayıflar.

Normal Modlar

Hem cisim hem de yüzey dalgaları fenomeni yayarken, önemli depremler küresel bir salınımı tetikleme kapasitesine sahiptir ve Dünya'nın rezonans ziline benzer şekilde 'çalmasına' neden olur. Bu salınım tepkisi, ayrı frekanslar ve genellikle bir saat veya daha kısa sürelerle karakterize edilen normal modların bir üst üste binmesini içerir. Olağanüstü büyük depremlerden kaynaklanan normal moddaki yer değiştirmeler, olaydan bir ay sonrasına kadar devam edebilir ve tespit edilebilir. Normal modlara ilişkin ilk gözlemler 1960'larda, daha yüksek doğruluklu cihazların geliştirilmesiyle ve yirminci yüzyılın en güçlü iki sismik olayıyla aynı zamana denk geldi: 1960 Valdivia depremi ve 1964 Alaska depremi. Bu keşiflerin ardından, Dünya'nın normal modları, gezegenin derin iç yapısının anlaşılmasında önemli kısıtlamalar sağladı.

Depremler

1755 Lizbon depremi, sismik olaylarla ilgili ilk bilimsel araştırmalardan birini başlattı. 1857 Basilicata, 1906 San Francisco, 1964 Alaska, 2004 Sumatra-Andaman ve 2011 Büyük Doğu Japonya depremleri gibi daha sonraki önemli depremler, sismoloji alanında önemli ilerlemelere yol açtı.

Kontrollü Sismik Kaynaklar

Jeofizikte, patlamalar veya hassas bir şekilde kontrol edilen titreşimli kaynaklar tarafından üretilen sismik dalgalar, indüklenmiş polarizasyon ve manyetotellürikler gibi çeşitli elektromanyetik metodolojileri tamamlayan, yeraltı araştırmaları için temel bir teknik oluşturur. Kontrollü kaynak sismolojisi, tuz domları, antiklinaller, diğer petrol içeren kaya tuzakları, faylar, çeşitli kaya türleri ve antik, derin gömülü çarpma kraterleri gibi jeolojik özelliklerin tanımlanmasında etkili olmuştur. Dikkate değer bir örnek, dinozorların neslinin tükenmesi olayıyla bağlantılı bir çarpma yapısı olan Chicxulub Krateridir. İlk olarak Orta Amerika'da Kretase-Paleojen sınırındaki püskürme analizi yoluyla kesin olarak belirlenmiş ve daha sonra petrol arama verilerinden elde edilen sismik haritalamayla doğrulanmıştır.

Sismik Dalga Algılama

Sismometreler, elastik dalgalardan kaynaklanan karasal hareketi tespit etmek ve kaydetmek için tasarlanmış özel sensörlerdir. Bu cihazlar, Dünya yüzeyi, sığ yer altı tonozları, sondaj kuyuları veya su altındaki yerler dahil olmak üzere çeşitli ortamlara yerleştirilebilir. Sismik sinyalleri kaydedebilen kapsamlı bir enstrümantasyon sistemine sismograf denir. Küresel sismograf ağları, yer hareketlerini sürekli olarak izleyerek, dünya çapındaki depremlerin ve diğer sismik olayların sürekli analizine ve gözetimine olanak tanır. Sismik dalgaların tsunami dalgalarından önemli ölçüde daha hızlı yayıldığı göz önüne alındığında, depremlerin yerinin hızlı bir şekilde belirlenmesi, tsunami uyarılarının verilmesi açısından büyük önem taşıyor.

Sismometreler, tektonik olayların ötesinde, deprem dışındaki çeşitli kaynaklardan gelen sinyalleri de yakalar. Bunlar arasında nükleer ve kimyasal patlamalar, rüzgar veya insan faaliyetlerinden kaynaklanan yerel çevresel gürültü, deniz tabanı ve kıyı şeritleriyle etkileşime giren okyanus dalgalarının ürettiği kalıcı sinyaller (küresel mikrosisizm olarak bilinir) ve önemli buzdağları ve buzullarla bağlantılı kriyosferik olaylar yer alır. Sismograflar, okyanusların üzerinde meydana gelen meteor çarpmalarını, enerjilerinin 4,2 × 10¹³ J'ye ulaştığını belgelemiştir; bu, on kilotonluk bir TNT patlamasıyla karşılaştırılabilecek bir enerji çıkışıdır. Ayrıca bu cihazlar, adli sismoloji olarak adlandırılan özel bir araştırma alanı olan çeşitli endüstriyel kazaları ve terör eylemlerini kaydetmektedir. Küresel sismografik izleme ağlarının kurulmasına yönelik önemli ve kalıcı bir ivme, nükleer silah testlerinin tespiti ve analizi olmuştur.

Dünyanın İç Kısmının Haritasını Çıkarma

Sismik dalgalar, verimli yayılmaları ve Dünya'nın iç yapısıyla etkileşimleri nedeniyle, gezegenin içini araştırmak için yüksek çözünürlüklü, müdahalesiz teknikler sunuyor. İlk olarak 1906'da Richard Dixon Oldham tarafından önerilen ve 1926'da Harold Jeffreys tarafından kesin olarak gösterilen çok önemli bir erken keşif, Dünya'nın dış çekirdeğinin sıvı durumunu ortaya koydu. S dalgalarının sıvıları geçemediği göz önüne alındığında, sıvı bir çekirdeğin varlığı, gezegenin depremin karşı tarafında, doğrudan S dalgalarının bulunmadığı bir "gölge bölgesi" oluşturur. Üstelik P dalgaları, mantoya kıyasla dış çekirdekten geçerken önemli ölçüde düşük bir hız sergiliyor.

Sismologlar, çok sayıda sismometreden gelen verileri işlemek için sismik tomografi kullanarak, Dünya'nın mantosu için birkaç yüz kilometrelik bir haritalama çözünürlüğü elde ettiler. Bu gelişmiş teknik, çekirdek-manto sınırı yakınında yer alan, belirgin, büyük, düşük kayma hızına sahip bölgeler de dahil olmak üzere, konveksiyon hücrelerinin ve diğer kapsamlı jeolojik özelliklerin tanımlanmasını kolaylaştırmıştır.

Sismoloji ve Toplum

Deprem Tahmini

5 Nisan 2009'da meydana gelen 6,3 büyüklüğündeki L'Aquila depremi, İtalyan yetkililerin altı sismolog ve bir hükümet yetkilisini kasıtsız adam öldürmeyle suçlamasıyla, deprem tahminiyle ilgili kamuoyunda önemli bir tartışmayı tetikledi. *Nature* dergisinde yayınlanan bir rapor, bu iddianamenin hem yurt içinde hem de yurt dışında yaygın olarak depremi tahmin edememekten kaynaklanan bir dava olarak algılandığını ve bu durumun Amerikan Bilimi Geliştirme Derneği ve Amerikan Jeofizik Birliği gibi kuruluşlar tarafından kınanmasına yol açtığını belirtti. Bununla birlikte yayın, L'Aquila sakinlerinin iddianameyi deprem tahminindeki başarısızlığa değil, bilim adamlarının riski etkili bir şekilde değerlendirme ve iletme konusundaki iddialarına atfettiklerini de kaydetti. İddianamede, depremden önceki hafta L'Aquila'da düzenlenen özel bir toplantı sırasında bilim adamlarının ve yetkililerin, deprem riski ve hazırlık konusunda yeterli bilgiyi yaymak yerine halka güven vermeye öncelik verdikleri özellikle ileri sürüldü.

Mümkün olduğu takdirde tarihi kayıtlar, olası sismik olayların zamanlamasını, yerini ve büyüklüğünü tahmin etmek için kullanılabilir. Ancak, çeşitli yorumlayıcı faktörlerin dikkate alınması gerekir. Geçmiş depremlerin merkez üsleri, odak noktaları ve büyüklükleri yoruma tabidir; sonuç olarak, tarihsel kayıtlarda 5-6 Mw olarak tanımlanan olaylar, başka yerlerden kaynaklanan ancak belgelenen yerleşim alanlarında orta derecede hissedilen daha büyük depremleri temsil ediyor olabilir. Ayrıca, tarihsel belgeler seyrek veya eksik olabilir ve potansiyel olarak depremin coğrafi boyutunun kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını sağlayamayabilir. Ek olarak, tarihsel kayıtlar yalnızca birkaç yüzyıllık sismik faaliyetleri kapsayabilir; bu, tipik bir sismik döngü içinde çok kısa bir dönemi oluşturur.

Mühendislik Sismolojisi

Mühendislik sismolojisi, mühendislik hedeflerine yönelik sismolojik ilkelerin incelenmesini ve pratik uygulamasını içerir. Bu alan öncelikle deprem mühendisliği uygulamalarını bilgilendirmek için belirli bir saha veya bölgenin sismik tehlikesini değerlendirmeye odaklanır ve böylece yer bilimi ile inşaat mühendisliği arasında disiplinler arası bir bağlantı görevi görür. Disiplin iki ana bileşenden oluşur. Bunlardan ilki, potansiyel depremleri, özelliklerini ve meydana gelme sıklıklarını belirlemek için tarihsel ve aletsel sismisite katalogları ve bölgesel tektoniği de içeren deprem geçmişini analiz etmeyi içerir. İkinci bileşen, gelecekteki olaylardan beklenen sarsıntıları karşılaştırılabilir niteliklerle tahmin etmek için depremlerin ürettiği kuvvetli yer hareketlerinin araştırılmasını gerektirir. Bu güçlü yer hareketleri, ivmeölçer veya sismometre gözlemlerinden türetilebilir veya çeşitli metodolojiler kullanılarak hesaplamalı olarak simüle edilebilir. Bunlar daha sonra yer hareketi modelleri olarak da bilinen yer hareketi tahmin denklemlerini formüle etmek için sıklıkla kullanılır.

Araçlar

Sismolojik enstrümantasyon, aşağıdaki gibi sistemler tarafından işlenen önemli miktarda veri üretebilir:

Sismoloji (Seismology)