Le onde sismiche

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Transcript Le onde sismiche

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Le onde sismiche


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Propagazione delle onde sismiche
Ingredienti:
•Sforzo, deformazione
•Legge di Hooke (comportamento elastico)
•Equazione del moto
Ipotesi semplificative:
•gli spostamenti associati alla propagazione delle onde
sono di piccola entità
•Il comportamento meccanico delle rocce è di tipo
“elastico” (ritorno alla posizione di equilibrio una volta
rimossa la sollecitazione esterna)


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Definizione di sforzo
sforzo normale



  lim

A 0

sforzo di taglio


f
A


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Definizione di deformazione
DEFORMAZIO

NE 

Variazione

di lunghezza

lunghezza

ε

ΔL
L

(volume)

(volume)
totale


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Relazione sforzo-deformazione

Per un corpo elastico:
rottura

t = m . e
m = rigidità

Legge di Hooke


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Onde elastiche (sforzo normale)
 n 

d n

x

dx

 n  (  2 m )  e u

n

σ n  Δσ

F  ma

d

con

dx

F 

d
dx
2

a 

d u
dt

2

x  A 

d
dx

V

eu 

n

L
L

2

 

d u
dt

2

  2m d u
2



dx

2

2



d u
dt

Equazione d’onda

2



u
x



du
dx


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Onde P
L’equazione

  2m d u
2



dx

2

2



d u
dt

2

Descrive un’onda che si propaga con velocità

VP 

  2m


Con polarizzazione longitudinale
Tali onde sono chiamate Onde P (o di pressione, o primarie)


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Soluzione dell’equazione delle
onde e velocità di propagazione
2

V

2

d u
dx

2

2



d u
dt

2

La soluzione generale dell’equazione
delle onde è:

u ( x , t )  f ( x  Vt )  f ( x  Vt )
viola il
principio di
causalità

x 0  Vt 0  ( x 0   x )  V ( t 0   t )
x  Vt


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Onde elastiche (sforzo di taglio)
 t 

d t

x

dx

 t  m e v

t

σ t  Δσ t

ev 

F  ma

d

con

dx

F 

d
dx
2

a 

d v
dt

2

x  A 

d
dx

V

2

d v

 

dt

m d v

2

2

 dx

2

2



d v
dt

2

Equazione d’onda

v
x



dv
dx


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Onde S
L’equazione

m d v
2

 dx

2

2



d v
dt

2

Descrive un’onda che si propaga con velocità

VS 

m


Con polarizzazione trasversale
Tali onde sono chiamate Onde S (o di taglio (shear), o secondarie)


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Fronte d’onda - Raggio
La soluzione
dell’equazione d’onda è:

u ( x , t )  f ( x  Vt )
fase
Le superfici in cui la fase è
costante sono dette fronti d’onda
Le curve punto per punto
ortogonali ai fronti d’onda sono
dette raggi


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Onde P e onde S

Polarizzazione onda P
Polarizzazione onda S

v p  vs

In un mezzo poissonian
v p  vs 3

o


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Onde di volume
Onde P (polarizzazione longitudinale)

Onde S (polarizzazione trasversale)


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Il sismogramma: fasi P e fasi S
Campi Flegrei 23/02/1984


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Attenuazione geometrica delle
onde sferiche
Flusso di energia per unità di superficie
ed unità di tempo:

 E  cost  A

2

Il flusso totale di energia che attraversa
i fronti d’onda ad istanti successivi deve
conservarsi:

 E  S t  t

A(r ) 

  E  S t  t

0

0

 t

1

A ( r1 ) 4  r1  A ( r2 ) 4  r2

r

A ( r1 )

2

2

A ( r2 )



r2
r1

2

2


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Propagazione delle onde sismiche
in mezzi complessi

Esempio di traiettoria dei raggi sismici in un modello di
Terra a strati piano-paralleli


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Dromocrone
1

x
t 

v1

x

t

v1

v1

1
v2

2

x
v1

h

t 2

x
2
  h
2
v1

2h
v1

x
2

x
t2

h

v1

l

v2

 xl
2

 h
 2 
v1

l x



l
v2

2

h
v1



x
v2


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Distanza critica
L’onda rifratta non esiste per tutti gli angoli di incidenza, ma a partire dall’angolo critico
xc

v1
h

ic
90°

v2

sin i c



v1
xc  2 h

1
v2
sin i c
cos i c

i c  arcsin
 2h

v1
v2

v1 /v 2
 v1
1  
 v2

 2h





2

v1
v 2  v1
2

2


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Onde di superficie
In un mezzo omogeneo e illimitato si generano e propagano solo onde P ed S
(onde di volume)
In un mezzo stratificato l’impatto delle onde di volume con le superfici di
discontinuità genera onde di superficie che si propagano lungo l’interfaccia:

Non si ha trasmissione di onde al di là della superficie libera perché le costanti
elastiche dell’atmosfera sono di alcuni ordini di grandezza inferiori a quelle delle
rocce (o degli oceani)


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Onde di superficie
Onde di Rayleigh (moto ellittico retrogrado)

Onde di Love (moto trasversale orizzontale)


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Fenomeno della dispersione
Per un’onda di Rayleigh:

ω =2πf=2π

vf
λ

s  ω ,z   µ A o e

-ω α z

=A o e

|s   ,z  | è lo spettro di am piezza

-2πf  z

 z ha le dim ensioni dell'inverso d i una lunghezza

vf velocità di propagazione ne l m ezzo

Si definisce profondità di penetrazione
dell’onda il v alore Z0 della profondità
per il quale l’ampiezza dell’onda si
riduce di 1/e

ω µ z 0 =1  2π

vf
λ

α z 0 =1  zo=

λ
2πfα


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Velocità di fase e di gruppo
• Velocità di fase:
Lo spazio percorso da un piano di uguale
fase dell’onda di pulsazione  fissata
nell’unità di tempo
ω

vf =

con k=

k


λ

num ero d'onda

• Velocità di gruppo:
Rappresenta la velocità di una superficie
dell’onda di ampiezza fissata
vg =


dk

dalla definizione della velocità di grup p o
e tenendo conto che per le varie fasi:
ω = 2πf= 2π
v g = v+

1

v
λ

= vk

dv

λ d  1/λ 

se

dv
dk

< 0 allora v g < v

C aso delle onde superficiali in m ezzo di spersivo


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Attenuazione geometrica delle
onde di superficie
 E  cost  A

 E  S t  t

0

2

  E  S t  t

0

 t

A ( r1 ) 2  r1 Z  A ( r2 ) 2  r2 Z
2

A ( r1 )

A(r ) 

1
r

A ( r2 )

2



r2
r1


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Onde di superficie nella
registrazione di un telesisma
Taiwan 20/9/1999 Ms=7.6 D=10000Km

S

P

Onde di superficie


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Attenuazione anelastica delle onde
sismiche
La non perfetta elasticità della Terra produce un’attenuazione nell’ampiezza
delle onde con la distanza.
Per un’onda monocromatica, si ha:

A ( x , Q ,  )  A0 e



ωx
2 VQ

Q è detto fattore di qualità ed è legato alla quantità di energia dissipata per ciclo
d’onda:

1
Q



E
2 E


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Sviluppo in serie di Fourier
È possibile dimostrare che una funzione periodica, di periodo T, che soddisfa
certe condizioni, può essere rappresentata come la sovrapposizione di un numero
(infinito) di funzioni seno e coseno con frequenze 1/T, 2/T, 3/T, …
Sia f(t) una funzione periodica di periodo T


f (t )  a 0 

 a

n

cos( n  t )  b n sin( n  t ) 

n 1

2 n

n 

T
a0 
an 
bn 

1
T
1
T
1
T



T



T

f ( t ) dt

0

f ( t ) cos( n  T ) dt

0



T

0

f ( t ) sin( n  T ) dt


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Sviluppo in serie di Fourier
e e
ix

sin x 

 ix

2i
e e
ix

cos x 

 ix

2



f (t ) 



n  

Cn e

i  nt


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Trasformata di Fourier
Data una funzione continua f(t), la sua trasformata di Fourier è:

F ( ) 

1
2







f (t ) e

i t

dt

Tale trasformata è reversibile, ovvero esiste un’operazione di
antitrasformata di Fourier:

f (t ) 







F ( ) e

 i t

d


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Spettro di ampiezza e spettro di
fase
La trasformata di Fourier è in generale una quantità complessa:

F ( )  A ( )  iB ( )

F ( ) 

A ( )  B ( ) spettro di ampiezza
2

2

 B ( ) 
 spettro di fase
 ( )  arctan 
 A ( ) 


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Un esempio