คลื่นไหวสะเทือน

คลื่นไหวสะเทือน (อังกฤษ: seismic wave) เป็นคลื่นที่ถ่ายทอดพลังงานผ่านภายในโลก อาจเกิดจากแผ่นดินไหว การระเบิด หรือกิจกรรมอื่น ๆ ที่ก่อให้เกิดคลื่นความถี่ต่ำ คลื่นไหวสะเทือนอาจถูกตรวจรับได้ด้วย seismograph, geophone, hydrophone หรือ accelerometer ความเร็วของการกระจายของคลื่นมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นและความยืดหยุ่นของตัวกลาง เนื่องจากความหนาแน่นที่เพิ่มสูงขึ้นในชั้นหินระดับลึก ความเร็วของคลื่นในชั้นหินลึกจึงมีแนวโน้มที่จะสูงกว่าความเร็วของคลื่นบริเวณผิวโลก ความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนอาจแตกต่างกันไปตั้งแต่ 2 ถึง 8 กิโลเมตรต่อวินาทีในชั้นเปลือกโลก และอาจสูงถึง 13 กิโลเมตรต่อวินาทีในชั้นแมนเทิลระดับลึก

แผ่นดินไหวสามารถก่อให้เกิดคลื่นไหวสะเทือนในหลายชนิดที่มีความเร็วแตกต่างกัน นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ผลต่างของระยะเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ของคลื่นเหล่านี้เพื่อระบุพิกัดของศูนย์กลางแผ่นดินไหว ในขณะที่นักธรณีฟิสิกส์อาจใช้สมบัติของการสะท้อนและการหักเหของคลื่นไหวสะเทือนผ่านชั้นหินต่าง ๆ เพื่อวิเคราะห์และตรวจสอบโครงสร้างใต้ดิน

คลื่นไหวสะเทือนสามารถแบ่งตามลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นได้สองประเภทได้แก่คลื่นตัวกลาง และคลื่นพื้นผิว

คลื่นตัวกลาง (อังกฤษ: body wave) คือคลื่นที่เดินทางทะลุผ่านโลก เส้นทางการเคลื่อนที่ของคลื่นอาจหักเหให้เคลื่อนไปจากเส้นตรงเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นและความยืดหยุ่นของโครงสร้างภายในของโลก ในขณะเดียวกันคุณสมบัติเหล่านี้ของชั้นหินอาจเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิ องค์ประกอบ และสถานะ การหักเหของคลื่นไหวสะเทือนเป็นไปในลักษณะเดียวกับคลื่นแสง

คลื่นปฐมภูมิ (อังกฤษ: primary wave หรือ p wave) เป็นคลื่นตัวกลางที่เกี่ยวข้องกับการบีบอัดและคลายตัวของวัสดุเนื่องจากความยืดหยุ่นเมื่อคลื่นเดินทางผ่านโดยไม่เกิดการหมุน ลักษณะของคลื่นประเภทนี้อาจเทียบได้กับคลื่นเสียงในอากาศ ^[1] ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นปฐมภูมิสามารถคำนวณได้จากสมการ

${\displaystyle V_{P}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}\mu }{\rho }}}}$

เมื่อ K, μ, ρ แทน โมดูลัสของแรงบีบอัด, โมดูลัสของแรงเฉือน และความหนาแน่นของตัวกลางตามลำดับ

คลื่นทุติยภูมิ (อังกฤษ: secondary wave หรือ s wave) เป็นคลื่นตัวกลางที่เกี่ยวข้องกับการเฉือนและการหมุนของเนื้อวัสดุเมื่อคลื่นเดินทางผ่านโดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางปริมาตร^[1]

ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นทุติยภูมิสามารถคำนวณได้จากสมการ

${\displaystyle V_{S}={\sqrt {\frac {\mu }{\rho }}}}$

เมื่อ μ, ρ แทน โมดูลัสของแรงเฉือน และความหนาแน่นของตัวกลางตามลำดับ

จากสมการความสัมพันธ์ของความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของตัวกลางที่มีผลต่อความเร็วของคลื่นในตัวกลาง จะเห็นได้ว่าความเร็วของคลื่นแปรผกผันกับความหนาแน่นของตัวกลาง จากความหนาแน่นของชั้นหินที่เพิ่มขึ้นตามความลึกอาจชี้ว่าความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนลดลงในระดับความลึกที่เพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ดี เนื่องจากค่า Bulk modulus และ Shear modulus เพิ่มขึ้นตามความลึกของชั้นหินด้วยเช่นกันปัจจัยของความยืดหยุ่นของตัวกลางส่งผลต่อความเร็วในสัดส่วนที่มากกว่าเมื่อเทียบกับการหักล้างจากความสัมพันธ์ของความหนาแน่น ทำให้ความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนเพิ่มมากขึ้นในระดับความลึกที่เพิ่มขึ้น

คลื่นพื้นผิว (อังกฤษ: surface wave) คือคลื่นที่เดินทางไปตามผิวโลกโดยไม่แพร่เข้าไปภายในของผิวโลกระดับลึก ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในแผ่นดินไหวระดับตื้น คลื่นพื้นผิวนี้มีแอมพลิจูดสูงกว่าคลื่นในตัวกลางซึ่งหมายถึงระดับพลังงานที่สูงกว่า นั่นคือความเสียหายหลักจากแผ่นดินไหวเกิดจากคลื่นประเภทนี้ในขณะที่คลื่นในตัวกลางจะก่อผลกระทบในระดับที่น้อยกว่า เนื่องจากการเคลื่อนที่ของคลื่นพื้นผิวใน 2 มิติ ซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่น้อยกว่าการเคลื่อนที่ของคลื่นในตัวกลางซึ่งเป็น 3 มิติ คลื่นพื้นผิวที่เป็นที่รู้จักมี 2 ประเภท

คลื่นเรลีย์ (อังกฤษ: Rayleigh wave,L_R) คือคลื่นที่อนุภาคในตัวกลางเกิดการสั่นในแนวดิ่ง พื้นผิวโลกเกิดการเคลื่อนไหวในเชิงวงรีโดยมีแกนหลักในแนวแกนดิ่ง แอมพลิจูดของคลื่นสลายในเชิงเอกซ์โพเนนเชียล

คลื่นเลิฟ (อังกฤษ: Love wave,L_Q) คือคลื่นที่อนุภาคในตัวกลางเกิดการสั่นในแนวระดับตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นและไม่ก่อให้เกิดการกระจัดในแนวดิ่ง ในลักษณะเดียวกับการเลื้อยของงูไปตามผิวดิน

เส้นทางการเดินทางของคลื่นจากจุดศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหวถึงจุดสังเกตการณ์มักจะถูกเขียนในรูปแบบของแผนภาพโดยใช้ลูกศรแสดงทิศทางการเดินทางของคลื่นดังตัวอย่างในภาพ เมื่อพิจารณาการสะท้อนของคลื่นเมื่อเดินทางผ่านตัวกลางชนิดต่าง ๆ จะทำให้เส้นทางการเดินทางของคลื่นที่เป็นไปได้มีจำนวนนับไม่ถ้วน แต่ละรูปแบบที่เป็นไปได้สามารถเขียนแทนได้ด้วยกลุ่มของตัวอักษรภาษาอังกฤษ ตัวอักษรพิมพ์เล็กใช้สื่อถึงเส้นเขตระหว่างสองตัวกลาง (เกิดการสะท้อนของคลื่น) ในขณะที่ตัวอักษรพิมพ์ใหญ่ใช้สื่อถึงตัวกลางที่คลื่นเดินทางผ่านเข้าไป^[2][3]

c	คลื่นสะท้อนที่แก่นโลกชั้นนอก
d	คลื่นสะท้อนที่เกิดเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องที่ความลึก d
g	คลื่นที่เดินทางผ่านเปลือกโลกเท่านั้น
i	คลื่นสะท้อนที่แก่นโลกชั้นใน
I	คลื่นปฐมภูมิที่เดินทางผ่านแก่นโลกชั้นใน
h	คลื่นสะท้อนเนื่องจากความไม่ต่อเนื่องภายในเปลือกโลกชั้นใน
J	คลื่นทุติยภูมิที่เดินทางผ่านแก่นโลกชั้นใน
K	คลื่นปฐมภูมิที่เดินทางผ่านแก่นโลกชั้นนอก
L,LQ	คลื่นเลิฟ
n	คลื่นที่เดินทางไปตามผิวสัมผัสระหว่างแก่นโลก (ชั้นนอก) และแมนเทิล
P	คลื่นปฐมภูมิที่เดินทางผ่านชั้นแมนเทิล
p	คลื่นปฐมภูมิที่เดินทางจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวแล้วสะท้อนกลับผิวโลก
R,LR	คลื่นเรลีย์
S	คลื่นทุติยภูมิที่เดินทางผ่านชั้นแมนเทิล
s	คลื่นทุติยภูมิที่เดินทางจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวแล้วสะท้อนกลับที่ผิวโลก
w	คลื่นสะท้อนที่ก้นสมุทร

ตัวอย่าง

• คลื่น ScP คือคลื่นไหวสะเทือนที่เริ่มต้นเดินทางจากศูนย์กลางแผ่นดินไหวในรูปของคลื่นทุติยภูมิ ผ่านชั้นแมนเทิล แล้วสะท้อนที่แก่นโลกชั้นนอก และเดินทางผ่านชั้นแมนเทิลกลับขึ้นมาสู่สถานีตรวจแผ่นดินไหวที่ผิวโลกในรูปของคลื่นปฐมภูมิ
• คลื่น sPKIKP คือคลื่นไหวสะเทือนที่เดินทางจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวในรูปของคลื่นทุติยภูมิขึ้นมาที่ผิวโลก ก่อนที่จะสะท้อนกลับลงไปในชั้นแมนเทิลในรูปของคลื่นปฐมภูมิ เดินทางผ่านแก่นโลกชั้นนอก แก่นโลกชั้นใน แล้วทะลุเข้าสู่แก่นโลกชั้นนอกอีกฝั่งหนึ่ง และเดินทางผ่านชั้นแมนเทิลอีกฝั่งหนึ่งในรูปของคลื่นปฐมภูมิ

ในพื้นที่ใกล้ศูนย์กลางแผ่นดินไหว เราสามารถใช้ผลต่างของเวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิเพื่อหาระยะห่างของศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหวกับพื้นที่นั้น ในกรณีของแผ่นดินไหวที่พลังงานถูกปลดปล่อยทั่วไปในระดับโลก เวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นปฐมภูมิซึ่งถูกบันทึกจากสถานีวัดการเกิดแผ่นดินไหวอย่างน้อยสี่สถานีสามารถนำมาใช้เพื่อคำนวณหาตำแหน่งของจุดศูนย์กลางรวมถึงเวลาของการเกิดแผ่นดินไหว

โดยปกติแล้ว นักวิทยาศาสตร์เลือกที่จะอ้างอิงจากข้อมูลของหลายสิบสถานีเพื่อความแม่นยำในการระบุจุดเหนือศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหว เราเรียกความต่างระหว่างระยะเวลาที่ใช้หากแผ่นดินไหวเกิดที่จุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว (บนผิวโลก) กับระยะเวลาที่ใช้จริงว่าเรสิดวล (residual) โดยปกติแล้วเรสิดวลจะมีค่าประมาณ 0.5 วินาทีหรือน้อยกว่านั้น โดยจะมีค่าเพียง 0.1-0.2 สำหรับแผ่นดินไหวในวงแคบ นั่นคือความแตกต่างของคลื่นแผ่นดินไหวไม่ว่าจะเกิด ณ ศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหว หรือเกิด ณ จุดเหนือศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหวมีค่าไม่ต่างกันมากนัก โดยทั่วไปแล้วโปรแกรมคอมพิวเตอร์จะถูกสร้างให้คำนวณโดยตั้งสมมุติฐานเริ่มต้นว่าแผ่นดินไหวเกิดขึ้นที่ระดับลึกที่ 33 กิโลเมตร แล้วจึงลดค่าเรสิดวล (เพิ่มความแม่นยำ) โดยการเปลี่ยนระดับความลึก แผ่นดินไหวส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ระดับความลึกไม่เกิน 40 กิโลเมตร และมีบางกรณีที่เกิดที่ระดับความลึกที่ 700 กิโลเมตร

วิธีการที่รวดเร็วสำหรับใช้หาระยะห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหวถึงสถานีสำรวจสำหรับกรณีแผ่นดินไหวเกิดขึ้นไม่ไกลว่า 200 กิโลเมตรสามารถทำได้โดยใช้ผลต่างของระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุตยภูมิในหน่วยวินาทีแล้วคูณด้วย 8 กิโลเมตรต่อวินาที ระบบวัดคลื่นไหวสะเทือนสมัยใหม่ใช้เทคนิคที่ซับซ้อนกว่านี้

สำหรับแผ่นดินไหวที่ห่างจากสถานีวัดมากๆ คลื่นปฐมภูมิแรกที่วัดได้จะเป็นคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านชั้นแมนเทิล และในบางกรณีอาจเคลื่อนที่ไกลถึงชั้นแก่นโลกชั้นนอกก่อนที่จะเคลื่อนที่กลับขึ้นมาสู่สถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวที่ผิวโลก คลื่นไหวสะเทือนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ในระดับลึกชั้นแมนเทิลได้เร็วกว่าการเคลื่อนที่ไปตามชั้นเปลือกโลก การเดินทางของคลื่นลึกภายในดาวเคราะห์ที่เร็วกว่าระดับตื้นเรียกว่าหลักการของเฮยเคินส์ ถึงแม้ความหนาแน่นที่เพิ่มสูงขึ้นในระดับลึกจะเป็นตัวชะลอความเร็วของคลื่น แต่เนื่องจากค่าความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นส่งผลเร่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นในสัดส่วนที่มากกว่า นั่นคือคลื่นเดินทางได้เร็วกว่าในชั้นโลกระดับลึกและหมายถึงระยะเวลาที่สั้นกว่า

ระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นจะถูกคำนวณอย่างแม่นยำเพื่อระบุจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว เนื่องจากคลื่นปฐมภูมิเดินทางด้วยความเร็วหลายกิโลเมตรต่อวินาที ความคลาดเคลื่อนในการจับเวลาเพียงครึ่งวินาทีอาจหมายถึงความคลาดเคลื่อนในระยะห่างหลายกิโลเมตร ในทางปฏิบัติจึงจำเป็นต้องใช้ข้อมูลคลื่นปฐมภูมิจากหลายสถานีเพื่อลดความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้นนี้ และทำให้สามารถคำนวณจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวได้ใกล้เคียง 10-50 กิโลเมตรเมื่อใช้ข้อมูลจากสถานีวัดแผ่นดินไหวรอบโลก ระบบเครือข่ายสถานีแผ่นดินไหวที่มีจำนวนมากในแคลิฟอร์เนียสามารถคำนวณได้ใกล้เคียงระดับกิโลเมตร และอาจคำนวณได้แม่นยำมากขึ้นเมื่อคำนวณจาก cross-correlation ของไซส์โมแกรมโดยตรง

• วิทยาแผ่นดินไหว