Le onde sismiche sono onde che si propagano attraverso il globo terrestre, generate da un terremoto, da attività vulcanica o artificialmente ad opera dell' uomo tramite un'esplosione o un'altra forma di energizzazione del terreno. Oggi, con il miglioramento della strumentazione geofisica si è scoperto che onde sismiche, con una scala di grandezza ben inferiore, sono generate in maniera continuativa anche dal vento e dal pulsare delle onde oceaniche.

Descrizione di un'onda sismica.

Un'onda può essere definita come un disturbo elastico che si propaga da punto a punto attraverso un materiale o sulla sua superficie senza che ciò implichi uno spostamento definitivo di materiale. Tranne che nelle immediate vicinanze di una sorgente sismica naturale, solitamente una faglia, le rocce tornano nella posizione di partenza, dopo il passaggio dei moti transienti prodotti dalla stessa sorgente. Vibrazioni di questo tipo producono piccole deformazioni elastiche, in risposta alle forze agenti all’interno delle rocce (stress).

La teoria dell'elasticità lineare fornisce le relazioni matematiche per descrivere, mediante deformazioni e stress, il moto del materiale causato da una sorgente sismica. Tale moto è descrivibile attraverso funzioni oscillanti del tempo (onde).

Le onde naturali.

Le onde sismiche naturali si dividono principalmente in due grandi categorie, in funzione di come le onde percorrono il materiale perturbato:

• Onde di corpo
  • Onde P
  • Onde S
• Onde superficiali
  • Onde di Rayleigh
  • Onde di Love

Le onde di corpo.

Le Onde di Corpo o Onde di Volume sono quelle onde che si propagano dalla sorgente sismica, attraverso il volume del mezzo interessato, in tutte le direzioni. Si dimostra che una sorgente sismica genera due tipi di onde di corpo, distinte tra di loro, chiamate rispettivamente.

• Onde P    

• Onde S.

La Onde P sono onde compressioanli, dette anche longitudinali o primarie. Esse sono simili alle onde acustiche e corrispondono a compressioni e rarefazioni del mezzo in cui viaggiano; al loro passaggio le particelle del materiale attraversato compiono un moto oscillatorio nella direzione di propagazione dell'onda. Sono, fra le onde generate da un terremoto, le più veloci, e dunque le prime avvertite ad una stazione sismica, da cui il nome di Onda P (Primaria). La velocità dell'onda è determinata dall' equazione:

v(primaria)= spqr[k+(4/3 * µ)/δ]

con :

• k che rappresenta il modulo di incompressibilità;
• μ è il modulo di rigidità del materiale;
• δ la densità del materiale attraversato dall'onda.

Le Onde S o onde trasversali, sono onde di corpo tali da provocare nel materiale attraversato oscillazioni perpendicolari alla loro direzione di propagazione.

Un'importante caratteristica di queste onde è che non possono propagarsi in mezzi fluidi, in cui il modulo di rigidità (μ) è nullo. Non è possibile dunque riscontrarle nel magma presenti nel serbatoio magmatico di un vulcano o nel nucleo esterno della terra. La velocità delle onde S è determinata dall'equazione

v(secondaria)= spqr (µ/δ)

con:

• μ modulo di rigidità o di taglio del materiale;
• δ densità.

Comparando le due equazioni si vede che la velocità delle Onde S è necessariamente inferiore alla velocità delle Onde P; esse raggiungono velocità che si aggirano solitamente intorno al 60-70% della velocità delle Onde P. Questo è il motivo per cui esse vengono avvertite sempre dopo le Onde P (da cui la denominazione onde S come Secondarie).

Le onde S sono onde rotazionali e possono essere polarizzate in funzione dell'anisotropia del mezzo attraversato. Le onde S sono generate dall'incidenza delle onde P su un'interfaccia esistente al contatto fra due mezzi aventi differenti velocità acustiche, tramite una conversione parziale dell'energia delle P in onde S.

Le onde superficiali.

Le onde superficiali vengono a crearsi a causa dell'intersezione delle onde di corpo con una superficie di discontinuità fisica, la più studiata delle quali è la superficie libera della terra, cioè la superficie di separazione tra la crosta terrestre e l'atmosfera terrestre. Queste onde si propagano guidate lungo la superficie e la loro energia decade esponenzialmente con la profondità (è questo il motivo per cui si dicono superficiali). Queste onde vengono indotte facilmente nelle situazioni in cui la sorgente sismica è poco profonda. È da sottolineare che in caso di terremoto, nell'ipocentro sismico vengono generate direttamente solo Onde P e Onde S, in quanto queste sono le onde di corpo che si propagano all'interno della Terra, attraverso i suoi strati, ma non vengono generate direttamente le onde superficiali.

L'ampiezza e quindi l'energia associata di queste onde è notevolmente maggiore di quella delle onde di corpo. Questo fatto si spiega notando che hanno fronti d'onda cilindrici.

Esistono due tipi di onde di superficie, chiamate coi nomi dei due fisici che per primi le studiarono:

• Onde di Rayleigh;
• Onde di Love.

Onde di Rayleigh

Quando un'onda S assieme ad un'onda P incide sulla superficie libera vengono in parte riflesse ed in parte si genera un'ulteriore onda, data dalla composizione vettoriale delle due, che si propaga sulla superficie stessa, chiamata Onda di Rayleigh.

Queste onde esistono sia in semispazi omogenei che disomogenei. Per meglio visualizzarle possiamo immaginare le Onde di Rayleigh come molto simili a quelle che si creano gettando un sasso nello stagno, provocando quindi uno scuotimento o un sussulto sulla superficie d'acqua. Il loro moto è vincolato in uno spazio verticale contenente la direzione di propagazione dell'onda.

Le onde di Rayleigh non possono essere udite dall'uomo, mentre molti animali (uccelli, ragni e molti mammiferi) possono avvisarne l'arrivo. In occasione del maremoto dell'Oceano Indiano, è stato detto da molte fonti che gli animali presenti in quel luogo hanno potuto salvarsi grazie al fatto di aver sentito arrivare il terremoto in questo modo.

Onde di Love

Le Onde di Love sono onde superficiali, anch'esse generate dall' incontro delle Onde S con superficie libera del terreno, ma vengono generate solo nei mezzi in cui la velocità delle Onde S aumenta con la profondità (quindi siamo in presenza di un mezzo disomogeneo). Le Onde di Love fanno vibrare il terreno sul piano orizzontale in direzione ortogonale rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.

La velocità delle onde di Love è maggiore di quella delle onde S negli strati più superficiali della crosta, ma minore della stessa negli strati più bassi.

Le onde artificiali.

Nelle tecniche per l'esplorazione del sottosuolo con perforazione di pozzi, vengono utilizzate delle onde particolari (onde flessurali), prodotte tramite opportuni trasmettitori, che si muovono asimmetricamente lungo la parete del foro. Queste onde dette onde dipolari o quadripolari, a seconda della forma dei loro lobi energetici, hanno la caratteristica di muoversi alla velocità delle onde S quando sono generate a basse frequenze e di essere polarizzabili, lungo due piani normali fra loro e passanti lungo l'asse del foro, rendendo possibile valutare ed orientare eventuali anisotropie acustiche delle formazioni rocciose attraversate.

La velocità delle onde sismiche.

La velocità di propagazione di queste onde dipende sia dal tipo di onda che dal mezzo di propagazione, ma risulta comunque sempre massima per le Onde P. Il rapporto Vp/Vs è costante e caratteristico per ogni tipo di materiale.