Сейсмограф прибор для регистрации. Кто и когда придумал первый сейсмограф для прогнозирования землетрясений. Cтанция прогнозирования землетрясений ATROPATENA]

Анимация

Описание

Сейсмографы (СФ) используют для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. Принцип действия современных СФ основан на свойстве инерции. Любой СФ состоит из сейсмоприемника или сейсмометра и регистрирующего (записывающего) устройства. Главной частью СФ является инерционное тело - груз, подвешенный на пружине к кронштейну, который жестко крепится к корпусу (рис. 1).

Общий вид простейшего сейсмографа для регистрации вертикальных колебаний

Рис. 1

Корпус СФ закреплен в твердой горной породе и поэтому приходит в движение при землетрясении, причем в силу свойства инерции груз-маятник отстает от движения грунта. Для получения записи сейсмических колебаний (сейсмограммы) служит вращающийся с постоянной скоростью барабан самописца с бумажной лентой, прикрепленный к корпусу СФ, и перо, связанное с маятником (см. рис. 1). Вектор перемещения земной поверхности определяется горизонтальными и вертикальной компонентами; соответственно любая система для сейсмических наблюдений состоит из горизонтальных (для регистрации смещений по осям X , Y ) и вертикального (для регистрации смещений по оси Z ) сейсмометров.

Для сейсмометров чаще всего применяют маятники, центр качаний которых сохраняет относительный покой или отстает от движения колеблющейся земной поверхности и связанной с ней осью подвеса. Степень покоя центра качаний сейсмоприемника характеризует его работу и определяется отношением периода T п колебаний почвы к периоду Т собственных колебаний маятника сейсмоприемника. Если T п ¤ T мало, то центр качаний практически неподвижен и колебания почвы воспроизводятся без искажений. При T п ¤ T близком к 1 возможны искажения из-за резонанса. При больших значениях T п ¤ T , когда движения почвы очень медленны, свойства инерции не проявляются, центр качаний движется практически как единое целое с почвой и сейсмоприемник перестает фиксировать колебания почвы. При регистрации колебаний в сейсмической разведке период собственных колебаний составляет несколько сотых или десятых долей секунды. При регистрации колебаний от местных землетрясений период может быть ~ 1 сек, а при удаленных на тыс. км землетрясениях должен иметь порядок 10 сек.

Принцип действия СФ может быть пояснен следующими уравнениями Пусть тело массы М подвешено на пружине, другой конец которой и шкала скреплены с почвой. При перемещении почвы вверх на величину Z вдоль оси Z (переносное движение) масса М из-за инерции отстает и смещается по оси Z вниз на величину z (относительное движение), что порождает силу растяжения в пружине - cz (c - жесткость пружины). Эта сила при движении должна уравновешиваться силой инерции абсолютного движения:

M d 2 z¤ dt 2 = - cz,

где z = Z - z.

Отсюда вытекает уравнение:

d 2 z ¤ dt 2 + cz ¤ M = d 2 Z ¤ dt 2 ,

решение которого связывает истинное смещение почвы Z с наблюдаемым z .

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до -1);

Время существования (log tc от -1 до 3);

Время деградации (log td от -3 до -1);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Горизонтальный сейсмометр типа СКГД

Общий вид горизонтального сейсмометра типа СКГД показан на рис. 2.

Схема горизонтального сейсмометра СКГД

Рис. 2

Обозначения:

2 - магнитная система;

3 - катушка преобразователя;

4 - струбцина подвеса;

5 - подвесная пружина.

Прибор состоит из маятника 1 , подвешенного на струбцине 4 к стойке, укрепленной на основании прибора. Общий вес маятника около 2 кг; приведенная длина около 50см. Пластинчатая пружина напряжена. В укрепленной на маятнике рамке находится плоская индукционная катушка 3 , имеющая три обмотки из медного изолированного провода. Одна обмотка служит для регистрации движения маятника, и к ней подключена цепь гальванометра. Вторая обмотка служит для регулировки затухания сейсмометра, и к ней подключается демпфирующее сопротивление. Кроме того, имеется третья обмотка для подачи контрольного импульса (то же и у вертикальных сейсмометров). На основании прибора укреплен постоянный магнит 2 , в воздушном зазоре которого находятся средние части обмоток. Магнитная система снабжена магнитным шунтом, представляющим собой две пластины из мягкого железа, перемещение которых вызывает изменение силы магнитного поля в воздушном зазоре магнита и, следовательно, изменение постоянной затухания.

На конце маятника укреплена плоская стрелка, под которой расположена шкала с миллиметровыми делениями и увеличительная линза, через которую рассматривают шкалу и стрелку. Положение стрелки можно отсчитать по шкале с точностью до 0,1мм. Основание маятника снабжено тремя установочными винтами. Два боковых служат для установки маятника в нулевое положение. Передний установочный винт служит для регулировки периода собственных колебаний маятника. Для защиты маятника от различных помех прибор помещен в защитный металлический футляр.

Применение эффекта

СФ, используемые для регистрации колебаний почвы при землетрясениях или взрывах, входят в состав как постоянно действующих, так и мобильных сейсмических станций. Существование глобальной сети сейсмических станций позволяет с высокой точностью определять параметры практически любых землетрясений, происходящих в разных регионах Земного шара, а также исследовать по характеристикам распространения сейсмических волн различных типов внутреннее строение Земли. К основным параметрам землетрясения прежде всего относятся: координаты эпицентра, глубина очага, интенсивность, магнитуда (энергетическая характеристика). В частности, для расчета координат сейсмического события необходимы данные о временах прихода сейсмических волн как минимум на три сейсмостанции, находящиеся на достаточном расстоянии друг от друга.

Первый сейсмограф придумали еще в 132 году в Китае. Его изобрел астроном Чжан Хен для китайского императора. Простейший сейсмограф успешно использовали в предсказании землетрясений. Прибор представлял собой двухметровую чашу с медным куполом. По кругу чаши находились головы драконов, а внутри подвешивали маятник. В открытые пасти каждого дракона вкладывали бронзовый шарик.

Вокруг чаши сидели бронзовые жабы с открытыми ртами. При малейших сейсмических колебаниях маятник начинал раскачиваться и выбивал шарик из пасти драконов в рты жабам. Оповещением служил громкий звук, образующийся от удара металла. Место падения помогало определить, где находится эпицентр землетрясения. Историки утверждают, что древний инструмент мог улавливать толчки на расстоянии 600 км от места установки.

Сделать сейсмограф своими руками проще, чем кажется. Возьмите металлический груз с заостренным концом и подвесьте его над горизонтальной поверхностью. Присыпьте поверхность мукой или другим порошком и опустите гирю так, чтобы наконечник слегка касался плоскости.

Во время колебаний груз начнет двигаться, а линии, начерченные острым концом, укажут направление и позволят определить силу сейсмических волн.

Вот еще интересные варианты:

Полноценные сейсмографы появились только в конце прошлого века. Сегодня это электронные устройства, умеющие определять малейшие колебания и предсказывать стихию.

Но современное оборудование, используемое профессионалами, работает по тем же принципам. Приборы состоят из сейсмоприемника или сейсмометра и регистрирующего (записывающего) устройства.

Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн .

Конструкция приборов

В большинстве случаев сейсмограф имеет установленный на пружинной подвеске груз, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие - к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).

До недавнего времени в качестве чувствительных элементов сейсмографов в основном использовались механические или электромеханические устройства. Вполне естественно, что стоимость таких инструментов, содержащих элементы точной механики, является настолько высокой, что они практически недоступны для рядового исследователя, а сложность механической системы и, соответственно, требования к качеству её исполнения фактически означают невозможность изготовления подобных приборов в промышленных масштабах.

Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средне- и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микромашинной технологии, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области инфранизких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей).

Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа - замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который, в свою очередь, преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию.

Компьютеризированные сейсмоизмерительные системы

С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.

Напишите отзыв о статье "Сейсмограф"

Ссылки

Примеры сейсмографов:

• .
• . .

Примечания

Отрывок, характеризующий Сейсмограф

Прошедший век подарил миру открытие Б.Б. Голицыным гальванометрического способа наблюдений сейсмических явлений. Последующий прогресс сейсмометрии был связан с этим открытием. Продолжателями дела Голицына были русский ученый Д.П. Кирнос, американцы Вуд-Андерсен, Пресс-Юинг. Русская школа сейсмометрии при Д.П. Кирносе отличалась тщательностью проработки аппаратуры и методики метрологического обеспечения сейсмических наблюдений. Записи сейсмических событий стали достоянием сейсмологии при решении не только кинематических, но и динамических задач. Естественным продолжением развития сейсмометрии было использование электронных средств снятия информации с пробной массы сейсмометров, ее использование в осциллографии и в цифровых методах измерения, накопления и обработки сейсмических данных. Сейсмометрия всегда пользовалась плодами научно-технического прогресса ХХ века. В России в 70-80 гг. разработаны электронные сейсмографы, перекрывающие частотный диапазон от сверхнизких частот (формально от 0 Гц) до 1000 Гц.

Введение

Землетрясения! Для тех, кто живет в активных сейсмических зонах, это не пустой звук. Люди спокойно живут, забыв о предыдущей катастрофе. Но вот неожиданно, чаще всего ночью, приходит ОНО. Сначала только толчки, даже выбрасывающие из постели, звон посуды, падение мебели. Затем грохот рушихся перекрытий, некапитальных стен, пыль, темнота, стоны. Так было в 1948 году в г. Ашхабаде. Страна об этом узнала много позже. Жарко. Почти раздетый Сотрудник института Сейсмологии в Ашхабаде в ту ночь готовился к выступлению на республиканской конференции по сейсмичности и писал доклад. Около 2 часов началось. Он успел выскочить во двор. На улице в клубах пыли и темной южной ночи ничего не было видно. Его супруга, тоже специалист-сейсмолог, успела встать в дверной проем, который тут же с двух сторон был закрыт рухнувшими перекрытиями потолка. Ее сестра, спавшая по причине жары на полу, была накрыта платяным шкафом, дверцы которого раскрылись, предоставив " убежище " для тела. Но ноги были зажаты верхом шкафа.

В Ашхабаде погибло несколько десятков тысяч жителей по причине ночного времени и отсутствия антисейсмических построек (Я слышал оценки достигающие 50000 чел. Погибшими. Во всяком случае так говорил Г.П.Горшков - зав. кафедрой динамической геологии МГУ. Прим. Ред.) Хорошо уцелело здание, за перерасход при постройке которого был осужден архитектор, его проектировавший.

Сейчас на памяти человечества насчитываются десятки исторических и современных катастрофических землетрясений, унесшие миллионные человеческие жизни. Из сильнейших землетрясений можно перечислить такие как Лиссабонское 1755 г., Японское 1891 г., Ассамское (Индия) 1897 г., в Сан-Франциско 1906 г., Мессинское (Сицилия-Калибрия) 1908 г., Китайское 1920 и 1976 г. . (Уже много позже Ашхабата в 1976 г. в Китае землетрясение унесло 250000 жизней, да и индийское прошлого года тоже не менее 20000 Прим. Ред.) , Японское 1923, Чили 1960 г., Агадир (Морокко) 1960 гю, Аляска, 1964 г., Спитак (Армения) 1988 г. После землетрясения на Аляске Беньеофом, американским специалистом в области сейсмометрии была получена запись собственных колебаний Земли как шара, по которому ударили. Перед и, особенно, после сильного землетрясения происходит серия - сотни и тысячи - более слабых землетрясений (афтершоков). Наблюдение за ними чувствительными сейсмографами позволяют оконтурить область основного толчка, получить пространственное описание очага землетрясений.

Есть два средства избежания больших потерь от землетрясений: антисейсмическое строительство и заблаговременное оповещение о возможном землетрясении. Но оба способа остаются неэффективными. Не всегда антисейсмическое строительство адекватн о тем колебаниям, которые вызываются землетрясениями. Есть странные случаи необъяснимого разрушения железобетона, как это было в Кобе, Япония. Структура бетона нарушается настолько, что бетон рассыпается в местах пучностей стоячих волн в пыль. Происходят вращения зданий, как это наблюдалось в Спитаке, Ленинакане, в Румынии.

Землетрясения сопровождаются другими явлениями. Свечение атмосферы, нарушение радиосвязи и не менее страшным явлением цунами, морские волны которого иногда возникают, если центр (очаг) землетрясения происходит в глубоководном желобе мирового океана (не все землетрясения происходящие на склонах глубоководного желоба являются цунамигенными, но последние выявляют с помощью сейсмографов по характерным признакам смещения в очаге). Так было в Лиссабоне, на Аляске, в Индонезии. Особенно опасны они тем, что практически внезапно волны появляются на берегу, на островах. Пример - Гавайские острова. Волна от Камчатского землетрясения 1952 года пришла неожиданно через 22 часа. Волна цунами незаметна в открытом море, но с выходом на берег она приобретает крутизну переднего фронта, уменьшается скорость движения волны и происходит нагон воды, что приводит к росту волны иногда до 30 м в зависимости от силы землетрясения и рельефа берега. Такой волной был начисто смыт поздней осенью 1952 года город Северо-Курильск, который находится на берегу пролива между о. Парамушир и о. Шумшу. Сила удара волны и ее движения вспять были настолько сильными, что танки, находившиеся в порту, попросту были смыты и исчезли "в неизвестном направлении" . Очевидец рассказал, что проснулся от колебаний сильного землетрясения и не смог быстро уснуть. Вдруг он услышал со стороны порта сильный гул низкой частоты. Выглянув в окно и ни секунды не думая, прямо в чем был выскочил на снег и бежал на возвышение, сумев обогнать наступавшую волну.

На приведенной карте показан наиболее активный в сейсмическом отношении Тихоокеанский тектонический пояс. Точками нанесены эпицентры сильных землетрясений только за ХХ век. Карта дает представление об активной жизни нашей планеты, а ее данные много говорят о возможных причинах землетрясений вообще. Существует много гипотез о причинах тектонических проявлений на лике Земли, но до сих пор нет надежной теор ии глобальной тектоники, однозначно определяющей теор ию явления.

Для чего нужны сейсмографы?

Прежде всего для изучения самого явления, далее надо определить инструментальным способом силу землетрясения, его место возникновения и частоту происхождения этих явления в данном месте и преимущественные места их возникновения. Возбуждаемые землетрясением упругие колебания подобно лучу света от прожектора способны осветить детали строения Земли.

Возбуждаются четыре основных типа волн: продольные, имеющие максимальную скорость распространения и приходящих к наблюдателе в первую очередь, затем поперечные колебания и наиболее медленные - поверхностные волны с колебаниями по эллипсу в вертикальной плоскости (Рэлея) и в горизонтальной плоскости (Лява) в направлении распространения. Разность времени первых вступлений волн используется для определения расстояния до эпицентра, положения гипоцентра и выяснения внутреннего строения Земли и местонахождения источника землетрясений. С помощью записи сейсмических волн, прошедших через ядро Земли удалось определить его строение. Внешнее ядро оказалось в жидком состоянии. В жидкости распространяются только продольные волны. Твердое внутреннее ядро обнаружено с помощью поперечных волн, которые возбуждаются продольными волнами, попавшими на границу раздела жидкость-твердость. По картине записываемых колебаний и типов волн, по временам вступлений сейсмических волн сейсмографами на поверхности Земли удалось определить размеры составных частей ядра, их плотности.

Решаются и другие задачи по определению энерги и землетрясений (магнитуды по шкале Рихтера, нулевая магнитуда соответствует энерги и 10(+5) Джоулей, максимально наблюдавшаяся магнитуда соответствует энерги и 10(+20-+21) Дж), спектрального состава для решений задачи сейсмостойкого строительства, для обнаружения и контроля за подземными испытаниями ядерного оружия, сейсмического контроля и аварийного отключения на таких опасных объектах как АЭС, железнодорожный транспорт и даже лифтов в высотных зданиях, контроля гидротехнических сооружений. Неоценима роль сейсмических приборов в сейсморазведке полезных ископаемых и, в частности, для поиска " резервуаров " с нефтью. Применялись они и при расследовании причин гибели Курска, именно с помощью этих приборов были установлены время и мощность первого и второго взрывов.

Механические сейсмические приборы

Принцип действия сейсмических датчиков - сейсмометров - образующих систему сейсмографа, в которую входят такие узлы - сейсмометр, преобразователь его механического сигнала в электрическое напряжение и регистратор - накопитель информации, основан сразу на первом и третьем законе Ньютона - свойстве масс к инерции и к тяготению. Главным элементом устройства любого сейсмометра является масса, имеющая некий подвес к основанию прибора. В идеале масса не должна иметь каких либо механических или электромагнитных связей с корпусом. Просто висеть в пространстве! Однако это пока нереализуемо в условиях притяжения Земли. Различают вертикальные и горизонтальные сейсмометры. В первых, масса имеет возможность перемещения только в вертикальной плоскости и обычно вывешена с помощью пружины для противодействия силе притяжения Землей. В горизонтальных сейсмометрах масса имеет степень свободы только в горизонтальной плоскости. Положение равновесия массы сохраняется как с помощью гораздо более слабой пружины подвеса (как правило плоские пластины) и, обратите особое внимание, возвращающей силой притяжения Земли, которая сильно ослаблена реакцией почти вертикально расположенной осью подвеса и действует в почти горизонтальной плоскости перемещения массы.

Наиболее древние устройства для фиксации актов землетрясения обнаружены и восстановлены в Китае [Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П., 1955] . Прибор не имел средств записи, а только помогал определению силы землетрясения и направление на его эпицентр. Такие приборы называются сейсмоскопами. Древний китайский сейсмоскоп относится к 123 г. нашей эры и представляет собой произведение скусства и инженерной техники. Внутри художественно оформленного сосуда находился астатический маятник. Масса такого маятника располагается выше упругого элемента, который поддерживает маятник в вертикальном положении. В сосуде по азимутам расположены пасти драконов, в которых помещены металлические шарики. При сильном землетрясении маятник ударял по шарикам и они сваливались в маленькие сосуды в форме лягушек с открытыми ртами. Естественно, максимальные удары маятника приходились вдоль азимута на очаг землетрясения. По шарикам, обнаруживаемым в лягушках можно было определить, откуда пришли волны землетрясения. Подобные приборы называются сейсмоскопами. Они широко используются и сейчас, давая ценную информацию о сильных землетрясениях в массовых масштабах на большой территории. В Калифорнии (США) размещены тысячи сейсмоскопов с записью астатическими маятниками на сферическом стекле, покрытом сажей. Обычно, видна сложная картина движения острия маятника по стеклу, в которой можно выделить колебания продольных волн, указывающие направление на очаг. А максимальные амплитуды траекторий записи дают представление о силе землетрясении. Период колебаний маятника и его затухание заданы таким образом, чтобы моделировать поведение типичных построек и, таким образом, оценивать балльность землетрясений. Балльность землетрясений определяется по внешним характеристикам воздействия колебаний на человека, животных, деревья, типичные здания, мебель, посуду и т.п. Существую разные шкалы балльности. В средствах массовой информации применяется " балльность по шкале Рихтера " . Это определение рассчитано на массового жителя и не соответствует научной терминологии. Правильно говорить - магнитуда землетрясения по шкале Рихтера. Она определяется по инструментальным измерениям с помощью сейсмографов и условно обозначает логарифм максимальной скорости записи, отнесенное к очагу землетрясения. Такая величина условно показывает выделившуюся энерги ю упругих колебаний в очаге землетрясения.

Подобный сейсмоскоп сделал в 1848 году итальянец Каччиаторе, в котором маятник и шарики заменены ртутью. При колебаниях грунта ртуть выливалась в сосуды, расположенные равномерно по азимутам. В России используются сейсмоскопы С.В.Медведева, в Армении разработаны сейсмоскопы АИС А.Г.Назарова, в которых применены несколько маятников, имеющих разные частоты. Они дают возможность грубо получать спектры колебаний, т.е. зависимость амплитуды записей от частот колебаний при землетрясении. Это ценная информация для проектировщиков антисейсмических построек.

Первый сейсмограф, имевший научное значение, был построен 1879 г. в Японии Юингом. В качестве груза для маятника было чугунное кольцо весом 25 кг, подвешенное на стальной проволоке. Общая длина маятника составила почти 7 метров. За счет длины получен момент инерции в 1156 кг ּ м 2 . Относительные перемещения маятника и грунта записывались на закопченном стекле, вращающемся вокруг вертикальной оси. Большой момент инерции способствовал снижению влияния трения острия маятника о стекло. В 1889 г. японский сейсмолог опубликовал описание горизонтального сейсмографа, послужившего прототипом для большого числа сейсмографов. Подобные сейсмографы изготавливались в Германии в 1902-1915 гг. При создании механических сейсмографов задача повышения чувствительности могла быть решена только с помощью увеличительных рычагов Архимеда. Сила трения при записи колебаний преодолевалась за счет огромной массы маятника. Так сейсмограф Вихерта имел маятник с массой 1000 кг. При этом достигалось увеличение всего 200 для периодов записываемых колебаний не выше собственного периода маятника 12 сек. Наибольшей массой обладал вертикальный сейсмограф Вихерта, вес маятника которого был 1300 кг, подвешенный на мощных винтовых пружинах из 8 мм стальной проволоки. Чувствительность составила 200 для периодов сейсмических волн не выше 5 сек. Вихерт был великим изобретателем и конструктором механических сейсмографов и построил несколько разных и остроумных приборов. Запись относительного движения инертной массы маятников и грунта осуществлялась на закопченной бумаге, вращаемой непрерывной лентой часовым механизмом.

Сейсмографы с гальванометрической регистрацией

Переворот в технике сейсмометрии произвел блестящий ученый в области оптики, математики князь Б.Б.Голицын. Он изобрел способ гальванометрической записи землетрясений. Россия - основоположница в мире сейсмографов с гальванометрической регистрацией. Впервые в мире им разработана теор ию сейсмографа в 1902 году , создан сейсмограф и организовал первые сейсмические станции, на которых были установлены новые приборы. Германия имела опыт производства сейсмографов и первые сейсмометры Голицына были изготовлены там. Однако записывающий аппарат был спроектирован и изготовлен в мастерских Российской Академии Наук в Петербурге. И до сих пор этот аппарат носит все характерные черты первого регистрира. Барабан, на котором закреплялась фотобумага длиной почти 1 м и шириной 28 см, приводился во вращательное движение со смещением при каждом обороте на выбранное и сменяемое согласно задаче наблюдений расстояние вдоль оси барабана. Разделение сейсмометра и средства записи относительных движений инертной массы прибора было настолько прогрессивным и удачным, что подобные сейсмографы получили всемирное признание на многие десятилетия вперед. Б.Б.Голицын выделил следующие преимущества нового способа регистрации.

1. Возможность простым приемом получать большую по тем временам чувствительность .

2. Осуществление регистрации на расстоянии от места установки сейсмометров. Удаленность, сухое помещение, доступность к сейсмическим записям для дальнейшей их обработки придали новое качество процессу сейсмических наблюдений и исключение нежелательных воздействий на сейсмометры со стороны персонала сейсмической станции.

3. Независимость качества записи от дрейфа нуля сейсмометров.

Эти главные преимущества и определили на многие десятилетия развитие и использование гальванометрической регистрации во всем мире.

Вес маятника уже не играл такого значения как в механических сейсмографах. Было только одно явление, которое надо было учитывать - магнитоэлектрическая реакция рамки гальванометра, находящейся в воздушном зазоре постоянного магнита, на маятник сейсмометра. Как правило, эта реакция уменьшала затухание маятника, что приводило к возбуждению лишних собственных его колебаний, искажавших волновую картину записываемых волн от землетрясений. Поэтому Б.Б.Голицын использовал массу маятников порядка 20 кг, чтобы пренебречь обратной реакцией гальванометра на сейсмометр.

Катастрофическое землетрясение 1948 года в Ашхабаде стимулировало финансирование расширение сети сейсмических наблюдений в СССР. Для оснащения новых и старых сейсмических станций профессором Д. П. Кирносом совместно с инженером В.Н.Соловьевым были разработаны гальванометрические сейсмографы общего типа СГК и СВК вместе с гальванометром ГК-VI . Работы были начаты в стенах Сейсмологического института Академии Наук СССР и его инструментальных мастерских. Приборы Кирноса отличались тщательной научно-технической проработкой. Методика калибровки и эксплуатации была доведена до совершенства, что обеспечило высокую точность (около 5%) амплитудной и фазовой частотной характеристики (АЧХ) при записи событий. Это позволило сейсмологам ставить и решать не только кинематические, но и динамические задачи при интерпретации записей. Этим школа Д.П.Кирноса выгодно отличалась от американской школы аналогичных инструментов. Д.П.Кирносом была совершенствована теор ия сейсмографов с гальванометрической регистрацией введением коэффициента связи сейсмометра и гальванометра, позволившая построить амплитудную частотную характеристику сейсмографа для записи смещения грунта сначала в полосе 0,08 - 5 Гц, а затем в полосе 0,05 - 10 Гц с помощью вновь разработанных сейсмометров типа СКД. В данном случае речь идет о введении в сейсмометрию широкополосной АЧХ.

Российские механические сейсмографы

После катастрофы в Северо-Курильске вышло Постановление Правительства о создании службы предупреждения о цунами на Камчатке, Сахалине и на Курильских островах. Выполнение Постановления было поручено Академии Наук, Гидрометеослужбе СССР и Министерству связи. В 1959 г. в указанный регион была направлена комиссия для выяснения положения на местах. Петропавловск Камчатский, Северо-Курильск, Южно-Курильск, Сахалин. Средства передвижения - самолеты ЛИ-2 (бывший Дуглас), пароход, поднятый со дна моря и восстановленный, катера. Первый рейс назначен на 6 утра. До аэропорта " Халатырка " (г. Петропавловск-Камчатский) комиссия добралась во время. Но самолет вылетел раньше - открылось небо над Шумшу. Через пару часов нашелся грузовой ЛИ-2 и состоялось благополучное приземление на полосу базы с подземными аэродромами, построенную еще японцами. Шумшу - самый северный остров в Курильской гряде. Только на северо-западе из вод Охотского моря вздымается красивый конус вулкана Аделаид. Остров выглядит совершенно ровным, как толстый блин среди морских вод. На острове, в основном, пограничники. Комиссия прибыла на юго-западный причал. Там ждал военно-морской катер, который с большой скоростью помчал к порту Северо-Курильска. На палубе кроме комиссии несколько пассажиров. У борта матрос с девицей что-то увлеченно говорят. Катер на полном ходу влетает на акваторию порта. Рулевой по ручному телеграфу дает сигнал в машинное отделение: " Дзинь-дзинь " , и еще " Дзинь-дзинь " - никакого эффекта! Вдруг матрос у борта кубарем летит вниз. Несколько поздно - катер достаточно сильно врубается в деревянные ограждения борта рыболовецкой шхуны. Летят щепки, люди чуть не падают. Матросы молча без всяких эмоций причалили катер. Такова специфика службы на Дальнем Востоке.

В поездке было всякое: и мелкий дождь, капли которого летели почти параллельно земле, мелкий и жесткий бамбук - среда обитания медведей, и огромная "авоська" , в которую загрузили пассажиров (женщину с ребенком в центр) и поднимали паровой лебедкой на палубу восстановленного корабля по причине крупной штормовой волны, и грузовик ГАЗ-51, в открытом кузове которой комиссия пересекала остров Кунашир от Тихого океана до Охотского побережье и который на полпути в огромной луже разворачивался много раз - передние колеса в одной клее, задние в другой - до тех пор, пока колея не была исправлена обычной лопатой, и линия прибоя у входа в нерестовый ручей, отмеченная сплошной полосой красной икры лосося.

Комиссия установила, что пока единственным сейсмическим прибором, способном выполнить задачу службы предупреждения о цунами, может быть только механический сейсмограф с регистрацией на закопченной бумаге. Сейсмографы были разработаны в сейсмометрической лаборатории Института физики Земли АН. Сейсмограф с малым увеличением 7 и сейсмограф с увеличением 42 поступили на оснащение специально построенных цунами-станций. Барабаны с закопченной бумагой приводились в движение пружинными часовыми механизмами. Вес массы сейсмографа с увеличением 42 набирался из железных дисков и составлял 100 кг. На этом завершилась эпоха механических сейсмографов.

Состоялось заседание Президиума АН, посвященное выполнению Правительственного Постановления. Председатель академик Несмеянов с крупным импозантным загорелым лицом, небольшого роста академик-секретарь Топчиев, члены Президиума. Докладывал известный сейсмолог Е.Ф.Саваренский, демонстрируя фото в полный рост механический сейсмограф [Кирнос Д.П., Рыков А.В., 1961] . В дискуссии принял участие академик Арцимович: " Проблема цунами решается легко переносом всех объектов на берегу на высоты выше 30 метров!" . Экономически это невозможно и не решается вопрос об единицах Тихоокеанского Флота.

Во второй половине ХХ века наступила эра электронных сейсмографов. На маятники сейсмометров в электронных сейсмографах помещаются параметрические преобразователи. Свое название они получили от термина - параметр. В качестве переменного параметра может служить емкость воздушного конденсатора, индуктивное сопротивление высокочастотного трансформатора, сопротивление фоторезистора, проводимость фотодиода под лучом светодиода, датчик Холла и все, что попадалось под руку изобретателям электронного сейсмографа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, экономичность в электропитании. Главными преимуществами электронных сейсмографов перед сейсмографами с гальванометрической регистрацией состоят в том, что а) спад частотной характеристики в сторону низких частот происходит в зависимости от частоты сигнала f не как f^3 , а как f^2 - т.е. намного медленнее, б) есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации, с) возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС) [ Рыков А.В.,1963 ] . Однако пункт с) имеет свою специфику применения в сейсмометрии. С помощью ОС формируют частотную характеристику, чувствительность, точность и стабильность сейсмометра. Открыт способ увеличения собственного периода колебаний маятника с помощью отрицательной ОС, что неизвестно ни в автоматическом регулировании, ни в существующей в мире сейсмометрии [ Рыков А.В., ].

В России четко сформулировано явление плавного перехода инерционной чувствительности вертикального и горизонтального сейсмометра в его чувствительность гравитационную по мере снижения частоты сигнала [ Рыков А.В.,1979 ] . При высокой частоте сигнала преобладает инерционное поведение маятника, при очень низкой частоте инерционный эффект снижается настолько, что преобладающим становится гравитационный сигнал. Что это значит? Например, при вертикальных колебаниях грунта возникают как инерционные силы, заставляющие маятник сохранять свое положение в пространстве, так и изменение сил тяготения по причине изменения расстояния прибора от центра Земли. При увеличении расстояния между массой и центром Земли сила тяжести уменьшается и масса получает дополнительную силу, поднимающую маятник вверх. И, наоборот, при опускании прибора - масса получает дополнительную силу, опускающую ее вниз.

Для высоких частот колебаний грунта инерционный эффект во много раз больше гравитационного. На низких частотах все наоборот - ускорения чрезвычайно малы и инерционный эффект практически очень мал, а эффект изменения силы тяжести для маятника сейсмометра будет во много раз больше. Для горизонтального сейсмометра эти явления будут проявляться при отклонении оси качания маятника от линии отвеса, определяемой все той же силой тяготения. Для наглядности амплитудная частотная характеристика вертикального сейсмометра показана на фиг.1. Наглядно показано, как с уменьшением частоты сигнала происходит переход чувствительности сейсмометра от инерционной к гравитационной. Без учета этого перехода невозможно объяснить то, что гравиметры и сейсмометры способны записывать лунно-солнечные приливыСогласно традиционавления нужно было бы продолжитьлинию " скорость " до столь малой чувствительности, что приливы, имеющие периоды до 25 часов и амплитуду в Москве 0,3 м, не могли бы быть обнаружены. Пример записи прилива и наклона в приливной волне показаны на фиг.2. Здесь Z - запись смещения Земной поверхности в Москве за 45 часов, Н - запись наклона в приливной волне. Четко видно, что максимальный наклон приходится не на горб прилива, а на склон приливной волны.

Таким образом, характерными чертами современных электронных сейсмографов является широкополосная частотная характеристика от 0 до 10 Гц колебаний поверхности Земли и цифровой способ измерения этих колебаний. То, что Беньеоф в 1964 г. наблюдал собственные колебания Земли после сильного землетрясения с помощью стрейнметров (деформографов) сейчас доступно рядовому электронному сейсмографу (The largest recorded earthquake in the United Stateswas a magnitude 9.2 that struck Prince William Sound, Alaska on Good Friday, March 28, 1964 Последствия того землетрясения еще хорошо видны, в том числе и по огромным площадям вымершего леса, поскольку произошло опускание части суши на протяжении 500 км в некоторых случаях до 16 м, и во многих местах в грунтовые воды пошла морская вода, лес умер. Прим.Ред).

На фиг.3 показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения.

Фиг.3. Вертикальная Z и горизонтальная H компоненты записи колебания после землетрясения в Иране, 14.03.98, М = 6.9. Видно, что преобладают радиальные колебания над крутильными, имеющими горизонтальную ориентацию.

Покажем на фиг.4, как выглядит трехкомпонентная запись сильного землетрясения после преобразования цифрового файла в визуальный.

Фиг.4. Образец цифровой записи землетрясения в Индии, М=7.9, 26.01.2001, полученной на постоянно действующей широкополосной станции КСЭШ-Р.

Хорошо видны первые вступления двух продольных волн до 25 минуты, далее на горизонтальных сейсмографах вступает поперечная волна примерно на 28 минуте и волна Лява на 33 минуте. На средней вертикальной компоненте волна Лява отсутствует (она горизонтальная), а по времени дальше начинается волна Релея (38 минута), которая видна и на горизонтальных, и на вертикальной трассах.

На фото № 3 .4 можно видеть современный электронный вертикальный сейсмометр, с помощью которого показаны примеры записей прилива, собственных колебаний Земли и записи сильного землетрясения. Хорошо видны основные элементы конструкции вертикального маятника: два диска массы общим весом 2 кг, две цилиндрические пружины для компенсации силы тяжести Земли и удерживания массу маятника в горизонтальном положении. Между массами на основании прибора расположен цилиндрический магнит, в воздушный зазор которого входит катушка провода. Катушка входит в конструкцию маятника. В середине " выглядывает " электронная плата емкостного преобразователя. Воздушный конденсатор расположен за магнитом и он имеет малый размер. Площадь конденсатора всего 2 см(+2). Магнит с катушкой служит для силового воздействия с помощью ОС по смещению, скорости и интеграла от смещения на маятник. ОС обеспечивают АЧХ, представленной на фиг.1, стабильность сейсмометра во времени и высокую точность измерения колебаний грунта порядка сотой процента.

Фото № 34. Вертикальный сейсмометр установки КСЭШ-Р со снятым корпусом.

В международной практике приобрели признание и широкое распространение сейсмографы Виланда-Стрекайзена . Эти приборы приняты за основу в Мировой сети цифровых сейсмических наблюдений (IRIS) . Частотная характеристика сейсмометров IRIS подобна АЧХ, изображенной на фиг.1. Отличие состоит в том, что для частот менее 0,0001 Гц сейсмометры Виланда сильнее " зажаты " интегральной ОС, что привело к большей временной стабильности, но снизило чувствительность на сверхнизких частотах по сравнению с сейсмографами КСЭШ примерно в 3 раза.

Электронные сейсмометры способны открывать экзотические чудеса, которые пока могут быть оспоренными. Профессор Е.М.Линьков в Университете г.Петергофа с помощью магнетронного вертикального сейсмографа интерпретировал колебания с периодами 5 - 20 дней как " поплавковые " колебания Земли на орбите вокруг Солнца. Расстояние между Землей и Солнцем остается традиционным, а Земля несколько колеблется как на привязи по поверхности эллипсоида с двойной амплитудой до 400 мк. Проглядывалась связь этих колебаний с солнечной активностью [ дополнительно можно посмотреть 22].

Таким образом, сейсмографы за ХХ век активно совершенствовались. Начало революционному началу этого процесса положил князь Борис Борисович Голицын - русский ученый. На очереди можно ожидать новые технологии в инерциальных и гравитационных способах измерения. Не исключено, что именно электронные сейсмографы смогут, наконец, обнаружить гравитационные волны во Вселенной.

Литература

1. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.

2. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.

3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.

4. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.

5. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор . Лит., М.1955 г.

6. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во " Наука " , М. 1974 г.

7. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.

8. Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, " Проблемы цунами " , № 9, 1961 г.

9. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.

10. А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., " Наука " , Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 12, 1979 г.

11. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., " Наука " , 1992 г.

12. Wieland E.., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance // Bull. Seismol..Soc. Amer.,1982. Vol. 72. P.2349-2367.

13. Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232.

14. А.В.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г.

15. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html

16. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии http:/ /www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549

17. http://earthquake.usgs.gov/ 21. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html это сильнейшие землетрясения в мире.

22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Предвестники землетрясений в околоземном космическом пространстве - В журнале "Урания" появилась новая статья (на русском и английском языках). Работа сотрудников МИФИ посвящена предсказанию землетрясений по спутниковым наблюдениям.

Со времени образования земного шара основание поверхности постоянно находится в движении. Земная кора при движении может привести к страшным последствиям в виде такого явления, как землетрясение. При наползании одной плиты на другую накапливается внутреннее напряжение материковой коры, при прохождении критической точки освобождается накопленная энергия, вызывая страшные разрушения. Чтобы избежать жертв при землетрясении и для исследований самого явления, был изобретен прибор сейсмограф. С его помощью стало возможно определять количество энергии, высвобожденное при колебаниях земной коры.

Что такое сейсмограф

Само слово "сейсмограф" происходит от греческого и прямо обозначает "записывать", "землетрясение". Самый древний сейсмограф был изготовлен в древнем Китае. Он представлял собой большую бронзовую чашу, которая держалась на восьми драконах, в раскрытой пасти каждого дракона находился шар. Внутри чаши был подвешен маятник, прикрепленный к стойке, которая была установлена жестко на основании плиты, лежащей на поверхности земли. При возникновении колебания маятник ударял по стенке чаши, и из пасти дракона выпадал шар, попадая в пасть металлической жабе, находящейся внизу этой конструкции. Такое устройство могло фиксировать колебания за 600 км от ее нахождения.

Принцип работы

Принцип работы сейсмографа основан на передаче колебаний предметам, установленным на участке земной коры. При нахождении одной плиты земной коры на другую накапливается огромное количество энергии, при ее высвобождении происходит сотрясение.

Что такое сейсмограф? Современные приборы состоят из маятника, подвешенного на нити и закрепленного к стойке, прочно стоящей на грунте. На конце маятника имеется перо, которое при колебании будет вычерчивать амплитуду значения деформации. Барабан с бумагой, на которой будет отображаться процесс землетрясения, устанавливается также на грунте жестко. Когда происходит землетрясение, маятник за счет инерции остается на месте, а барабан с бумагой совершает колебательные движения, вычерчивая значение энергии, высвобождаемой при явлении землетрясения. Современные приборы способны контролировать даже незначительные изменения, не несущие разрушения.

Что такое сейсмограф у животных? Их организм устроен так, что малейшие изменения в атмосфере и состоянии земной поверхности в радиусе нескольких километров вызывают у них тревогу. Срабатывает закон самосохранения, и они покидают опасные территории. Самыми чувствительными к явлению землетрясения считаются относящиеся к видам амфибий и рептилий, то есть змеи, лягушки, ящерицы.

Характеристики

Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания - от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.

Особенности применения

Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.