Resumen
La Presente disertación presentada FUE Por El autor de una Raíz Una estancia de las Naciones Unidas Año en la Universidad Nacional Autónoma de México. La fértil Relación Entre las ciencias de la tierra de América Latina con Alemania sí Remonta a Alejandro von Humboldt. Se analizan algunos Aspectos de la Evolución de la sismología en general, y en particular, en Jena, Que Tocan el Desarrollo de la Teoría de ondas y específicamente, de las ondas superficiales. El Trabajo FUE presentado en el Gran Auditorio de la Universidad Federico Schiller en Jena, Alemania, Como Una Conferencia invitada en Ocasión de la Celebración del centésimo Aniversario de la Investigación Sismológica en Jena.
Introducción
En una carta a Schiller (1800), Johann Wolfgang von Goethe llamada la ciudad de Jena un "crisol de conocimiento". Científicos con visión de futuro, como Heinrich v Eggeling, Straubel Rudolf y Adolf Winkelmann pionero en la investigación sismológica en Jena. Aunque el tema puede parecer más bien exótico en el tiempo-y todavía lo es, al menos en algunas partes de Europa-se ajustaba a la universalidad del genio de Goethe. Una celebración de cien años de sismología en Jena es muy oportuna, ya que me permite expresar nuestra deuda con el gran naturalista Alexander von Humboldt (17691859, consulte Ertel, 1953). Debemos a Humboldt un tratamiento precoz monográfico de algunos terremotos específicos y geólogo Leopold von Buch (1774-1853) la teoría terremoto más temprana científico basado en la suposición de una relación causal con la actividad volcánica.
El concepto de vulcanismo era entonces más amplia de lo que es hoy, como los procesos tectónicos fueron incluidos. La asociación de la ciencia terremoto de Jena se hace evidente cuando se tiene en cuenta el interés de Humboldt en los clásicos. En una carta de 1806 dirigida a Karoline von Wolzogen, recuerda:
"Ya lo profundo de la selva amazónica o en las altas cumbres de los Andes pude percibir, de polo a polo, el mismo pulso de la vida en las rocas, las plantas y los animales que anima el espíritu humano. Dondequiera que se sentía transportado por los fuertes sentimientos que nacen de mi experiencia Jena: como profundas ideas de Goethe sobre la naturaleza me había elevado a un estado en el que me sentía como si dotado de nuevos órganos de los sentidos ".
Humboldt fue muy activo en la etapa de desarrollo de la geofísica en un momento en sismología y otras disciplinas geofísicas fueron convirtiendo en campos independientes. Por desgracia se le impidió hacer contribuciones más importantes al campo porque murió antes de sismología había surgido plenamente como una ciencia.
Emil Wiechert (1861-1928) formuló en 1902 el objetivo de la investigación sismológica de la siguiente manera: "Un temblor en los rendimientos de rock señales desde lejos: nos permiten descifrar el mensaje!". Con el fin de alcanzar plenamente este objetivo noble, primero debemos entender el comportamiento de las ondas sísmicas y la teoría de estos fenómenos. Contribuciones independientes en este campo se han logrado en Jena un poco tarde: así me siento justificado al señalar algunos hitos alcanzados en otras partes, aunque sin ninguna pretensión de exhaustividad. La base de la teoría de las ondas sísmicas es, sin duda, la teoría de las ondas elásticas. Elástica de onda teoría comenzó a estancarse hacia el final de la 19 ª siglo, después del experimento de Michelson 1887 había descartado la existencia de éter elástico como un portador de fenómenos de ondas electromagnéticas. Hablando de Jena, vale la pena mencionar que este experimento crucial, ya que fue el desarrollo de la física, se duplicó en Jena por Georg Joos (1894-1959), con márgenes de error más estrechas.
En términos generales, podemos entender olas como fenómenos de propagación en el espacio y el tiempo que satisfacen la ecuación diferencial general de tipo hiperbólico total de
□ donde es el operador de d'Alembert.
Ondas periódicas, un caso particular importante, están representados por la ansatz monocromática
u = A ( x, y, z) e iωt
donde la amplitud A satisface la ecuación de Helmholtz
A menudo representado por la expresión para ondas planas
A ( x, y, z ) = A 0 exp [i k ( n 1 + n x 2 + y + n 3 z ]
con n 1 2 + n 22 + n 32 = 1,
que contiene todas las propiedades principales de las ondas sísmicas. En términos del comportamiento del número de onda k y los componentes del vector unitario en la dirección de propagación de las ondas podemos clasificar como sigue:
• longitudinalmente amortiguado, cuando amortiguada en la dirección de propagación,
• oblicuamente amortiguado, cuando amortiguado en un ángulo a la dirección de propagación, y
• transversalmente amortiguado, cuando amortiguado normalmente a la dirección de propagación.
El fenómeno de la onda de superficie también puede ser explicada por las ondas amortiguadas transversalmente.Mientras que las ondas progresivas son siempre en forma
vibraciones son cambios de estado de una cantidad que es una función periódica de tiempo, como φ ( t ) = A sen ( ωt + ψ ). Debe quedar claro que los sismogramas de todo tipo son siempre las grabaciones de vibraciones, ya que se obtienen en una estación fija mientras que las ondas son procesos más complicados en el espacio y el tiempo. La teoría de las vibraciones es un campo independiente de la física con importantes aplicaciones en ingeniería de la sismología. Un ex miembro y director del instituto de Jena, Hans Martin (1899-1991), se ocupó intensamente con las vibraciones en su tesis y regresó más tarde a este tema. Su capítulo pendiente en "vibraciones mecánicas" en el manual popular de la física experimental de Wien y Harms (1934) merece un lugar importante en la literatura relevante.
El teleseism registró por primera vez fue un récord terremoto japonés obtiene v Rebeur-Paschwitz en Potsdam un tanto casualmente el 17 de abril de 1889 ( Figura 1 ). Alrededor de la vuelta del siglo había ya una grabación continua en Jena. Un ejemplo es el registro N-S del péndulo horizontal Wiechert de un terremoto en Jan Mayen a kilómetros de distancia 2500 ( Figura 2 ). Los arribos de las ondas de cuerpo y ondas superficiales se ven claramente. Ambos tipos de ondas son predichas por las ecuaciones de movimiento en un semiespacio elástico.Ellos representan la respuesta de la Tierra a una excitación a la fuente.
Un tratamiento por separado de estos tipos de onda está condicionado históricamente: se hace también por razones prácticas. La Tierra es excitado por un terremoto y rinde oscilaciones normales como las provocadas al golpear una campana. Este concepto no es nuevo, pero el análisis teórico tuvo un largo período de tiempo y sigue siendo (Dahlen y Tromp, 1998). Oscilaciones normales de la Tierra se representan como complicados armónicos esféricos tales como los mostrados en la Figura 3 para el grado sexto y el orden primero.
Tales oscilaciones permanentes pueden ser usados para sintetizar la propagación de las ondas sísmicas como se observa en la Tierra. A la inversa, las ondas de superficie que han completado por lo menos un camino alrededor de la Tierra pueden ser usados para sintetizar los modos normales por superposición. En su tesis "Velocidad de propagación y absorción de las ondas del terremoto", W. Pechau discutido la propagación de estas ondas en 1912 en Jena.
Los procesos extremadamente complejos que se producen después de un terremoto puede ser ilustrado por el programa informático SeisWave por Alan J. Jones. Figura 4 muestra una instantánea de un terremoto en Nueva Zelanda en 1994. Algunos sismogramas de estaciones de todo el Pacífico se muestran en la parte superior. Las ondas de superficie se ven como delgadas círculos concéntricos alrededor de Nueva Zelanda, y las fases SS, S y PP se muestran como círculos en negrita (abajo, izquierda). La figura de la derecha inferior representa las trayectorias de las ondas de cuerpo diferentes en una sección a través de la Tierra.
Todos los fenómenos de ondas de superficie se puede entender como casos especiales de fenómenos de guía de ondas. Cuando se habla de las ondas de superficie, el trabajo pionero de Lord Rayleigh (18421919) no debe ser omitido. Ya en 1885 se predijo la existencia de ondas guiadas en la superficie libre (ahora conocida como ondas de Rayleigh) y brillante reconoce su importancia en los terremotos de principios básicos. Otros tipos de ondas superficiales fueron descubiertos por Augustus EH Amor (1863-1940), Horacio Cordero (1849-1934) y otros, y son conocidos por sus descubridores ( Figura 5 ).
Tomografía sísmica siguió al éxito de la tomografía médica. Se ha producido avances impresionantes en los últimos veinte años para la exploración del interior de la Tierra. Figura 6 muestra una aplicación del manto tomografía por Wei-jia Su laboratorio de la Universidad de Harvard sismológico, utilizando las ondas P y S. La tectónica de placas es impulsado por convección, y la figura muestra cómo el material más ligero se eleva en los centros de expansión de la subida del océano.
La tendencia actual en la tomografía es hacia el análisis de la sismograma conjunto ("forma de onda tomografía"), en lugar de de tipos de onda individuales. A pesar de la única cabo el siguiente, entre muchos otros. Snieder y Trampert (1999) señalan la importancia de la no linealidad en la tomografía. En la Figura 7 , las trayectorias de los rayos en un experimento tomográfica se muestran con velocidad uniforme (a la izquierda), con una inclusión de baja velocidad (en el centro), y con una inclusión de alta velocidad (a la derecha). En el segundo caso, los caminos se doblan alrededor la inclusión, mientras que en el tercer caso, hay una zona de sombra en la estación central. Ambos casos presentan problemas de interpretación.
Wielandt (1992) señala el hecho sorprendente de que el pensamiento poco se ha dado a la interpretación de los campos de ondas no uniformes. ¿Cuál es el significado de la velocidad de fase en este caso? Resulta que uno debe distinguir cuidadosamente entre una dinámica y un número de onda estructural. Es importante recordar que cada reflexión de las ondas por delante del reflector genera un complicado dependiente del tiempo patrón de interferencia. Figura 8 muestra un ejemplo de incidencia oblicua (j = 10 °), donde las olas transformadas no se muestran.
Incluso para el caso simple de incidencia vertical de la superposición de las ondas directa y reflejada genera un campo de ondas de velocidad de fase no uniforme, en donde se podría hablar de "aceleradas" ondas. Ondas develocidad de fase dependiente del tiempo y la amplitud puede ser descrito por las siguientes expresiones no publicados previamente:
cos ( kx - ωt) + r cos (k + x ω t) = A ( t ) cos [ k x-d ( t )]
donde r es el coeficiente de reflexión, A es la amplitud
y la velocidad de fase variable es
Estos efectos deben ser considerados en investigaciones más precisas.
Las observaciones anteriores son de carácter general. Como información complementaria se presentan algunos primeros trabajos hechos en Alemania y Suiza sobre la teoría y la observación de las ondas superficiales. K. Uller (1914, 1918, 1928) aportaron contribuciones nuevas y no convencionales para la teoría de las ondas de superficie, algunos de los cuales fueron mal interpretadas o desacreditados. Una evaluación final desde un punto de vista moderno se encuentra pendiente. Hay contribuciones a la teoría de las ondas de amor por E. Meissner (1921, 1922, 1927). Tanto Angenheister G. (1906) y O. Meissner (1913) discuten la extinción de las ondas sísmicas de superficie como resultado de anelasticidad. También contribuyeron las observaciones de las ondas de superficie a lo largo de las rutas oceánicas y continentales [O. Meissner (1915), G. Angenheister (1921)].Además, O. Meissner (1929) investigó el problema de la dependencia de la distancia período.
Pasemos ahora a describir el desarrollo de la investigación en la superficie de onda en Jena. Los primeros estudios sistemáticos de las ondas de superficie centrada en las determinaciones de velocidad de grupo a través del "pico y valle" método para terremotos Eurasia ( Figura 9 ) por D. Güth (1962).
Más tarde, la investigación sobre las ondas de superficie se expandió de manera significativa y una red de estaciones sísmicas estándar se construyó en 1969 ( Figura 10 ). Funcionó durante 15 años y ha producido muchos resultados, algunos de los cuales deben ser mencionados aquí. Neunhöfer (1985) obtuvieron curvas de dispersión media de las velocidades de fase ( Figura 11 ) para el sur y el norte Varisco pre-Varisco de la antigua República Democrática Alemana. Se encontraron algunas diferencias significativas procedentes de la corteza y manto superior. Una línea de investigación diferente preocupa el comportamiento de las ondas de superficie en los medios anisótropos. Anisotropía perturba la división de las ondas de superficie en ondas Rayleigh y Love produciendo así las familias generalizadas de ondas superficiales. Neunhöfer y Malischewsky (1981) estudiaron un evento en Nueva Zembla y tuvo éxito en la extracción de un componente z anormal de ondas Love ( Figura 12 ).Otro evento de Kyushu, Japón, mostró un efecto similar. Era tentador suponer que la causa de estas anomalías era anisotropía en la parte norte del continente euroasiático.
Muchas investigaciones sobre la reflexión de las ondas de superficie en las discontinuidades que se ha hecho en Jena. Figura 13 se presenta un ejemplo de Neunhöfer (1985), que obtuvieron los grupos de ondas reflejadas por un terremoto en el sur de América. También intentó localizar los elementos reflectantes para estos grupos de ondas, que deben ser colocados en una elipse por razones geométricas.
Después de 1970 hubo una considerable investigación sobre la teoría de ondas de superficie en Jena, porque la teoría disponible no había explicado todos los efectos de la propagación de las ondas de superficie en guías de onda perturbados. Los siguientes son algunos de los principales resultados de esta investigación:
• Combinación de las ondas de Rayleigh y Love en un sistema homogéneo función propia
• Ortogonalidad y exhaustividad
• Investigación sobre las ondas de superficie reflejada y transmitida
• Formulación de las ecuaciones integrales singulares con la consideración de las ondas de cuerpo
• Tratamiento de las estructuras de guía de ondas complejas
• Análisis de la relación de Poisson críticos
• Los problemas de las ondas superficiales en superficies curvas.
Los resultados obtenidos hasta 1986 se exponen en una monografía de Malischewsky (1987). Las aplicaciones incluyen la costura de carbón sísmica y guías de onda ópticas. Posteriormente, la investigación en grupos de ondas reflejadas se amplió de manera significativa por Meier, quien sucedió en la producción de una base más sólida teórica y experimental para la tomografía de ondas superficiales se refleja y dispersa utilizando ultrasonido experimentos (Meier et al., 1997). GRSN datos se utilizaron ampliamente, y los coeficientes de reflexión experimentales fueron obtenidos para la región de Europa Central. Figura 14 ilustra la importancia de las estructuras geológicas y las nuevas ideas se pueden obtener de esta manera.
Recientemente Meier y Malischewsky (2000) estudiaron el modo de conversión de ondas superficiales en un margen continental pasivo en una Tierra curva. Por último, Malischewsky (2000) revisó las fórmulas antiguas conocidas por la reflexión de las ondas de cuerpo en una superficie libre en términos de su relación con las ondas de Rayleigh. Los nuevos resultados se obtuvieron.
Para concluir me permito citar a William Blake (1757-1827): . todo lo posible para ser creída es una imagen de la verdad Con una reverencia a Blake Yo sostengo que no todo lo que ofrece como verdad por el 3-D tomografía sísmica es posible ser cree, a menos que la estructura fina de la teoría de la onda ha sido considerado.
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