คลื่นไหวสะเทือน

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

ประเภทของคลื่นไหวสะเทือน

คลื่นไหวสะเทือนสามารถแบ่งตามลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่นได้สองประเภทได้แก่คลื่นตัวกลาง และคลื่นพื้นผิว

คลื่นตัวกลาง

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

คลื่นปฐมภูมิ

คลื่นปฐมภูมิ (อังกฤษ: primary wave หรือ p wave) เป็นคลื่นตัวกลางที่เกี่ยวข้องกับการบีบอัดและคลายตัวของวัสดุเนื่องจากความยืดหยุ่นเมื่อคลื่นเดินทางผ่านโดยไม่เกิดการหมุน ลักษณะของคลื่นประเภทนี้อาจเทียบได้กับคลื่นเสียงในอากาศ

ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นปฐมภูมิสามารถคำนวณได้จากสมการ
เมื่อ K, μ, ρ แทน โมดูลัสของแรงบีบอัด, โมดูลัสของแรงเฉือน และความหนาแน่นของตัวกลางตามลำดับ

คลื่นทุติยภูมิ

คลื่นทุติยภูมิ (อังกฤษ: secondary wave หรือ s wave) เป็นคลื่นตัวกลางที่เกี่ยวข้องกับการเฉือนและการหมุนของเนื้อวัสดุเมื่อคลื่นเดินทางผ่านโดยไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางปริมาตร
ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นปฐมภูมิสามารถคำนวณได้จากสมการ
เมื่อ μ, ρ แทน โมดูลัสของแรงเฉือน และความหนาแน่นของตัวกลางตามลำดับ
จากสมการความสัมพันธ์ของความยืดหยุ่นและความหนาแน่นของตัวกลางที่มีผลต่อความเร็วของคลื่นในตัวกลาง จะเห็นได้ว่าความเร็วของคลื่นแปรผกผันกับความหนาแน่นของตัวกลาง จากความหนาแน่นของชั้นหินที่เพิ่มขึ้นตามความลึกอาจชี้ว่าความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนลดลงในระดับความลึกที่เพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ดี เนื่องจากค่า Bulk modulus และ Shear modulus เพิ่มขึ้นตามความลึกของชั้นหินด้วยเช่นกันปัจจัยของความยืดหยุ่นของตัวกลางส่งผลต่อความเร็วในสัดส่วนที่มากกว่าเมื่อเทียบกับการหักล้างจากความสัมพันธ์ของความหนาแน่น ทำให้ความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนเพิ่มมากขึ้นในระดับความลึกที่เพิ่มขึ้น

คลื่นพื้นผิว

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

คลื่นเรลีย์

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

คลื่นเลิฟ

คลื่นเลิฟ (อังกฤษ: Love wave,LQ) คือคลื่นที่อนุภาคในตัวกลางเกิดการสั่นในแนวระดับตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นและไม่ก่อให้เกิดการกระจัดในแนวดิ่ง ในลักษณะเดียวกับการเลื้อยของงูไปตามผิวดิน

การใช้ประโยชน์จากคลื่นตัวกลางเพื่อระบุตำแหน่งศูนย์กลางแผ่นดินไหว

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 การเดินทางของคลื่นลึกภายในดาวเคราะห์ที่เร็วกว่าระดับตื้นเรียกว่าหลักของออยแกน (Huygens' Principle) ถึงแม้ความหนาแน่นที่เพิ่มสูงขึ้นในระดับลึกจะเป็นตัวชะลอความเร็วของคลื่น แต่เนื่องจากค่าความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นส่งผลเร่งความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นในสัดส่วนที่มากกว่า นั่นคือคลื่นเดินทางได้เร็วกว่าในชั้นโลกระดับลึกและหมายถึงระยะเวลาที่สั้นกว่า
ระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นจะถูกคำนวณอย่างแม่นยำเพื่อระบุจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว เนื่องจากคลื่นปฐมภูมิเดินทางด้วยความเร็วหลายกิโลเมตรต่อวินาที ความคลาดเคลื่อนในการจับเวลาเพียงครึ่งวินาทีอาจหมายถึงความคลาดเคลื่อนในระยะห่างหลายกิโลเมตร ในทางปฏิบัติจึงจำเป็นต้องใช้ข้อมูลคลื่นปฐมภูมิจากหลายสถานีเพื่อลดความคลาดเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้นนี้ และทำให้สามารถคำนวณจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวได้ใกล้เคียง 10-50 กิโลเมตรเมื่อใช้ข้อมูลจากสถานีวัดแผ่นดินไหวรอบโลก ระบบเครือข่ายสถานีแผ่นดินไหวที่มีจำนวนมากในแคลิฟอร์เนียสามารถคำนวณได้ใกล้เคียงระดับกิโลเมตร และอาจคำนวณได้แม่นยำมากขึ้นเมื่อคำนวณจาก cross-correlation ของไซส์โมแกรมโดยตรง