зав. сейсмометрії Інституту фізики Землі РАН

Попереднє століття подарувало світу відкриття Б.Б. Голіцин гальванометричного способу спостережень сейсмічних явищ. Подальший прогрес сейсмометрії був із цим відкриттям. Продовжувачами справи Голіцина були російський учений Д.П. Кірнос, американці Вуд-Андерсен, Прес-Юїнг. Російська школа сейсмометрії за Д.П. Кірносе відрізнялася ретельністю опрацювання апаратури та методики метрологічного забезпечення сейсмічних спостережень. Записи сейсмічних подій стали надбанням сейсмології під час вирішення як кінематичних, а й динамічних завдань. Природним продовженням розвитку сейсмометрії було використання електронних засобів зняття інформації з пробної маси сейсмометрів, її використання в осцилографії та цифрових методах вимірювання, накопичення та обробки сейсмічних даних. Сейсмометрія завжди мала плоди науково-технічного прогресу ХХ століття. У Росії її в 70-80 гг. розроблено електронні сейсмографи, що перекривають частотний діапазон від наднизьких частот (формально від 0 Гц) до 1000 Гц.

Вступ

Землетруси! Для тих, хто мешкає в активних сейсмічних зонах, це не порожній звук. Люди спокійно живуть, забувши про попередню катастрофу. Але ось несподівано, найчастіше вночі, приходить ВОНО. Спочатку тільки поштовхи, що навіть викидають з ліжка, дзвін посуду, падіння меблів. Потім гуркіт перекриттів, некапітальних стін, пил, темрява, стогін. Так було 1948 року в м. Ашгабаді. Країна про це дізналася набагато пізніше. Жарко. Майже роздягнений Співробітник інституту сейсмології в Ашхабаді тієї ночі готувався до виступу на республіканській конференції з сейсмічності і писав доповідь. Близько 2 години почалося. Він встиг вискочити у двір. На вулиці в клубах пилюки і темної південної ночі нічого не було видно. Його дружина, теж фахівець-сейсмолог, встигла встати в дверний отвір, який відразу з двох боків був закритий перекриттями стелі. Її сестра, що спала через спеку на підлозі, була накрита шафою, дверцята якої відчинилися, надавши "притулок" для тіла. Але ноги були затиснуті верхи шафи.

В Ашхабаді загинуло кілька десятків тисяч жителів через нічний час і відсутність антисейсмічних споруд (Я чув оцінки, що досягають 50000 чол. загиблими. Принаймні так говорив Г.П.Горшков - зав. кафедрою динамічної геології МДУ. Прим. ред.) Добре вціліло будівлю, за перевитрату при будівництві якої було засуджено архітектор, що його проектував.

Зараз на пам'яті людства налічуються десятки історичних та сучасних катастрофічних землетрусів, які забрали мільйонні людські життя. З найсильніших землетрусів можна перерахувати такі як Лісабонське 1755, Японське 1891, Ассамське (Індія) 1897, в Сан-Франциско 1906, Мессінське (Сицилія-Калібрія) 1908, і Китай 1926. (Вже набагато пізніше Ашхабата 1976 р. у Китаї землетрус забрав 250000 життів, та й індійське минулого року теж щонайменше 20000 прим. ред.) , Японське 1923, Чилі 1960 р., Агадир (Морокко)1960 ., Спітак (Вірменія) 1988 р. Після землетрусу на Алясці Беньеофом, американським фахівцем у сфері сейсмометрії було отримано запис своїх коливань Землі як кулі, яким ударили. Перед і, особливо, після сильного землетрусу відбувається серія – сотні та тисячі – слабших землетрусів (афтершоків). Спостереження за ними чутливими сейсмографами дозволяють оконтурити область основного поштовху, отримати просторовий опис вогнища землетрусів.

Є два засоби уникнення великих втрат від землетрусів: антисейсмічне будівництво та завчасне сповіщення про можливий землетрус. Але обидва способи залишаються неефективними. Не завжди антисейсмічне будівництво адекватне тим коливанням, які викликаються землетрусами. Є дивні випадки незрозумілого руйнування залізобетону, як це було у Кобе, Японія. Структура бетону порушується настільки, що бетон розсипається у місцях пучностей стоячих хвиль у пилюку. Відбуваються обертання будівель, як це спостерігалося у Спитаці, Ленінакані, Румунії.

Землетруси супроводжуються іншими явищами. Світіння атмосфери, порушення радіозв'язку і не менш страшним явищем цунамі, морські хвилі якого іноді виникають, якщо центр (вогнище) землетрусу відбувається в глибоководному жолобі світового океану (не всі землетруси, що відбуваються на схилах глибоководного жолоба, є цунамінними, але останні виявляють за допомогою сейсмограф ознаками усунення в осередку). Так було у Лісабоні, на Алясці, в Індонезії. Особливо небезпечні вони тим, що раптово хвилі з'являються на березі, на островах. Приклад – Гавайські острови. Хвиля від Камчатського землетрусу 1952 прийшла несподівано через 22 години. Хвиля цунамі непомітна у відкритому морі, але з виходом на берег вона набуває крутості переднього фронту, зменшується швидкість руху хвилі та відбувається нагін води, що призводить до зростання хвилі іноді до 30 м залежно від сили землетрусу та рельєфу берега. Такою хвилею було начисто змито пізно восени 1952 року місто Північно-Курильськ, яке знаходиться на березі протоки між о. Парамушир та о. Шумшу. Сила удару хвилі і її руху були настільки сильними, що танки, що знаходилися в порту, просто були змиті і зникли "в невідомому напрямку". Очевидець розповів, що прокинувся від вагань сильного землетрусу і не зміг швидко заснути. Раптом він почув з боку порту сильний гомін низької частоти. Виглянувши у вікно і ні секунди не думаючи, просто в чому був вискочив на сніг і біг на піднесення, зумівши обігнати хвилю, що наступала.

На наведеній карті показаний найактивніший у сейсмічному відношенні Тихоокеанський тектонічний пояс. Точками завдано епіцентрів сильних землетрусів лише за ХХ століття. Карта дає уявлення про активне життя нашої планети, а її дані багато говорять про можливі причини землетрусів взагалі. Існує багато гіпотез про причини тектонічних проявів на обличчі Землі, але досі немає надійної теорії глобальної тектоніки, однозначно визначальною теорію явища.

Навіщо потрібні сейсмографи?

Насамперед для вивчення самого явища, далі треба визначити інструментальним способом силу землетрусу, його місце виникнення та частоту походження цих явищ у даному місці та переважні місця їх виникнення. Пружні коливання, що збуджуються землетрусом, подібно до променя світла від прожектора здатні висвітлити деталі будови Землі.

Збуджуються чотири основних типи хвиль: поздовжні, що мають максимальну швидкість поширення і приходять до спостерігача в першу чергу, потім поперечні коливання і найбільш повільні - поверхневі хвилі з коливаннями по еліпсу у вертикальній площині (Релея) та горизонтальній площині (Лява) у напрямку поширення. Різниця часу перших вступів хвиль використовується для визначення відстані до епіцентру, положення гіпоцентру та з'ясування внутрішньої будови Землі та місцезнаходження джерела землетрусів. За допомогою запису сейсмічних хвиль, що пройшли через ядро ​​Землі, вдалося визначити його будову. Зовнішнє ядро ​​опинилося у рідкому стані. У рідині поширюються лише поздовжні хвилі. Тверде внутрішнє ядро ​​виявлено за допомогою поперечних хвиль, які збуджуються поздовжніми хвилями, що потрапили на межу розділу твердість рідина. По картині коливань і типів хвиль, що записуються, за часом вступів сейсмічних хвиль сейсмографами на поверхні Землі вдалося визначити розміри складових частин ядра, їх щільності.

Вирішуються й інші завдання щодо визначення енергії та землетрусів (магнітуди за шкалою Ріхтера, нульова магнітуда відповідає енергії та 10(+5) Джоулей, максимально спостерігається магнітуда відповідає енергії та 10(+20-+21) Дж), спектрального складу для вирішення задачі сейсмо будівництва, для виявлення та контролю за підземними випробуваннями ядерної зброї, сейсмічного контролю та аварійного відключення на таких небезпечних об'єктах як АЕС, залізничний транспорт і навіть ліфтів у висотних будинках, контролю гідротехнічних споруд. Неоціненна роль сейсмічних приладів у сейсморозвідці корисних копалин і, зокрема, для пошуку "резервуарів" з нафтою. Застосовувалися вони і при розслідуванні причин загибелі Курська, саме за допомогою цих приладів було встановлено час і потужність першого та другого вибухів.

Механічні сейсмічні прилади

Принцип дії сейсмічних датчиків - сейсмометрів - утворюють систему сейсмографа, до якої входять такі вузли - сейсмометр, перетворювач його механічного сигналу в електричну напругу та реєстратор - накопичувач інформації, заснований відразу на першому та третьому законі Ньютона - властивості мас до інерції та до тяжіння. Головним елементом пристрою будь-якого сейсмометра є маса, що має якийсь підвіс до основи приладу. В ідеалі маса не повинна мати будь-яких механічних або електромагнітних зв'язків із корпусом. Просто висіти у просторі! Однак це поки що нереалізовано в умовах тяжіння Землі. Розрізняють вертикальні та горизонтальні сейсмометри. По-перше, маса має можливість переміщення тільки у вертикальній площині і зазвичай вивішена за допомогою пружини для протидії силі тяжіння Землею. У горизонтальних сейсмометрах маса має ступінь свободи лише горизонтальній площині. Положення рівноваги маси зберігається як за допомогою набагато слабшої пружини підвісу (як правило плоскі пластини) і, зверніть особливу увагу, силою тяжіння Землі, що повертає силою, яка сильно ослаблена реакцією майже вертикально розташованої віссю підвісу і діє в майже горизонтальній площині переміщення маси.

Найбільш давні пристрої для фіксації актів землетрусу виявлені та відновлені в Китаї [Саваренський Є.Ф., Кірнос Д.П., 1955]. Прилад не мав засобів запису, а лише допомагав визначенню сили землетрусу та спрямування на його епіцентр. Такі пристрої називаються сейсмоскопами. Стародавній китайський сейсмоскоп відноситься до 123 р. нашої ери і є твір мистецтва та інженерної техніки. Усередині художньо оформленої судини знаходився астатичний маятник. Маса такого маятника розташовується вище за пружний елемент, який підтримує маятник у вертикальному положенні. У посудині по азимутах розташовані пащі драконів, в яких розміщені металеві кульки. При сильному землетрусі маятник ударяв по кульках і вони звалювалися у маленькі судини у формі жаб із відкритими ротами. Звичайно, максимальні удари маятника припадали вздовж азимуту на осередок землетрусу. По кульках, що виявляються в жабах, можна було визначити, звідки прийшли хвилі землетрусу. Подібні пристрої називаються сейсмоскопами. Вони широко використовуються і зараз, даючи цінну інформацію про сильні землетруси у масових масштабах на великій території. У Каліфорнії (США) розміщено тисячі сейсмоскопів із записом астатичними маятниками на сферичному склі, вкритому сажею. Зазвичай, видно складну картину руху вістря маятника по склу, у якій можна виділити коливання поздовжніх хвиль, що вказують напрямок на вогнище. А максимальні амплітуди траєкторій запису дають уявлення про силу землетрусу. Період коливань маятника та його згасання задані таким чином, щоб моделювати поведінку типових будівель та, таким чином, оцінювати бальність землетрусів. Бальність землетрусів визначається за зовнішніми характеристиками впливу коливань на людину, тварин, дерева, типові будівлі, меблі, посуд тощо. Існують різні шкали бальності. У засобах масової інформації застосовується "бальність за шкалою Ріхтера". Це визначення розраховане на масового мешканця та не відповідає науковій термінології. Правильно говорити – магнітуда землетрусу за шкалою Ріхтера. Вона визначається за інструментальними вимірами за допомогою сейсмографів та умовно позначає логарифм максимальної швидкості запису, віднесений до вогнища землетрусу. Така величина умовно показує енергію, що виділилася, пружних коливань в осередку землетрусу.

Подібний сейсмоскоп зробив у 1848 році італієць Каччіаторе, у якому маятник та кульки замінені ртуттю. При коливаннях ґрунту ртуть виливалася в судини, розташовані рівномірно по азимутам. У Росії її використовуються сейсмоскопи С.В.Медведева, у Вірменії розроблені сейсмоскопи АИС А.Г.Назарова, у яких застосовані кілька маятників, мають різні частоти. Вони дозволяють грубо отримувати діапазони коливань, тобто. залежність амплітуди записів від частот коливань під час землетрусу. Це цінна інформація для проектувальників антисейсмічних споруд.

Перший сейсмограф, який мав наукове значення, було побудовано 1879 р. у Японії Юінгом. Як вантаж для маятника було чавунне кільце вагою 25 кг, підвішене на сталевому дроті. Загальна довжина маятника становила майже 7 метрів. За рахунок довжини отримано момент інерції 1156 кгּ м 2 . Відносні переміщення маятника та ґрунту записувалися на закопченому склі, що обертається навколо вертикальної осі. Великий момент інерції сприяв зниженню впливу тертя вістря маятника про скло. У 1889 р. японський сейсмолог опублікував опис горизонтального сейсмографа, який став прототипом для великої кількості сейсмографів. Подібні сейсмографи виготовлялися у Німеччині у 1902-1915 роках. При створенні механічних сейсмографів завдання підвищення чутливості могла бути вирішена лише за допомогою збільшувальних важелів Архімеда. Сила тертя під час запису коливань долалася з допомогою величезної маси маятника. Так сейсмограф Віхерта мав маятник із масою 1000 кг. При цьому досягалося збільшення всього 200 для періодів коливань, що записуються, не вище власного періоду маятника 12 сек. Найбільшу масу мав вертикальний сейсмограф Віхерта, вага маятника якого була 1300 кг, підвішена на потужних гвинтових пружинах з 8 мм сталевого дроту. Чутливість склала 200 для періодів сейсмічних хвиль не вище 5 сік. Віхерт був великим винахідником та конструктором механічних сейсмографів і побудував кілька різних та дотепних приладів. Запис відносного руху інертної маси маятників і ґрунту здійснювався на закопченому папері, що обертається безперервною стрічкою годинниковим механізмом.

Сейсмографи з гальванометричною реєстрацією

Переворот у техніці сейсмометрії зробив блискучий вчений у галузі оптики, математики князь Б.Б.Голіцин. Він винайшов спосіб гальванометричного запису землетрусів. Росія - основоположниця у світі сейсмографів із гальванометричною реєстрацією. Вперше у світі їм розроблено теорію сейсмографа в 1902 році, створено сейсмограф і організував перші сейсмічні станції, на яких були встановлені нові прилади. Німеччина мала досвід виробництва сейсмографів та перші сейсмометри Голіцина були виготовлені там. Однак записуючий апарат був спроектований та виготовлений у майстернях Російської Академії наук у Петербурзі. І досі цей апарат має всі характерні риси першого реєстрира. Барабан, на якому закріплювався фотопапір довжиною майже 1 м і шириною 28 см, приводився у обертальний рух зі зміщенням при кожному обороті на обрану і відстань, що змінюється відповідно до завдання спостережень, уздовж осі барабана. Поділ сейсмометра та засоби запису відносних рухів інертної маси приладу був настільки прогресивним та вдалим, що подібні сейсмографи отримали всесвітнє визнання на багато десятиліть уперед. Б.Б.Голіцин виділив такі переваги нового способу реєстрації.

1. Можливість простим прийомом отримувати більшу на ті часи чутливість .

2. Здійснення реєстрації на відстанівід місця встановлення сейсмометрів. Відстань, сухе приміщення, доступність до сейсмічних записів для подальшої їх обробки надали нової якості процесу сейсмічних спостережень та виключення небажаних впливів на сейсмометри з боку персоналу сейсмічної станції.

3. Незалежність якості запису від дрейфунуля сейсмометрів.

Ці головні переваги і визначили на багато десятиліть розвиток та використання гальванометричної реєстрації в усьому світі.

Вага маятника вже не відігравала такого значення як у механічних сейсмографах. Було лише одне явище, яке треба було враховувати – магнітоелектрична реакція рамки гальванометра, що знаходиться в повітряному зазорі постійного магніту, на маятник сейсмометра. Як правило, ця реакція зменшувала згасання маятника, що призводило до збудження зайвих власних його коливань, що спотворювали хвильову картину хвиль від землетрусів. Тому Б.Б.Голіцин використовував масу маятників близько 20 кг, щоб знехтувати зворотною реакцією гальванометра на сейсмометр.

Катастрофічне землетрус 1948 року в Ашхабаді стимулювало фінансування розширення мережі сейсмічних спостережень у СРСР. Для оснащення нових і старих сейсмічних станцій професором Д. П. Кірнос спільно з інженером В. Н. Соловйовим були розроблені гальванометричні сейсмографи загального типу СГК і СВК разом з гальванометром ГК-VI. Роботи розпочато у стінах Сейсмологічного інституту Академії Наук СРСР та її інструментальних майстерень. Прилади Кірноса відрізнялися ретельним науково-технічним опрацюванням. Методика калібрування та експлуатації була доведена до досконалості, що забезпечило високу точність (близько 5%) амплітудної та фазової частотної характеристики (АЧХ) під час запису подій. Це дозволило сейсмологам ставити і вирішувати як кінематичні, а й динамічні завдання під час інтерпретації записів. Цим школа Д.П.Кірноса вигідно відрізнялася від американської школи аналогічних інструментів. Д.П.Кірносом була вдосконалена теорія сейсмографів з гальванометричною реєстрацією введенням коефіцієнта зв'язку сейсмометра і гальванометра, що дозволила побудувати амплітудну частотну характеристику сейсмографа для запису зміщення ґрунту спочатку в смузі 0,08 - 5 Гц, а потім в смузі 0 за допомогою новостворених сейсмометрів типу СКД. У разі йдеться про запровадження в сейсмометрію широкосмугової АЧХ.

Російські механічні сейсмографи

Після катастрофи в Північно-Курильську вийшла Постанова Уряду про створення служби попередження про цунамі на Камчатці, Сахаліні та на Курильських островах. Виконання Постанови було доручено Академії Наук, Гідрометеослужбі СРСР та Міністерству зв'язку. У 1959 р. у вказаний регіон була направлена ​​комісія для з'ясування становища на місцях. Петропавловськ Камчатський, Північно-Курильськ, Южно-Курильськ, Сахалін. Засоби пересування - літаки ЛІ-2 (колишній Дуглас), пароплав, піднятий з дна моря та відновлений, катери. Перший рейс призначено на 6 ранку. До аеропорту "Халатирка" (м. Петропавловськ-Камчатський) комісія дісталася під час. Але літак вилетів раніше – відкрилося небо над Шумшу. За кілька годин знайшовся вантажний ЛІ-2 і відбулося благополучне приземлення на смугу бази з підземними аеродромами, побудовану ще японцями. Шумшу - найпівнічніший острів у Курильській гряді. Тільки на північному заході з Охотського моря здіймається красивий конус вулкана Аделаїд. Острів виглядає абсолютно рівним, як товстий млинець серед морських вод. На острові переважно прикордонники. Комісія прибула до південно-західного причалу. Там чекав військово-морський катер, який швидко помчав до порту Північно-Курильська. На палубі окрім комісії кілька пасажирів. Біля борту матрос із дівкою щось захоплено говорять. Катер повним ходом влітає на акваторію порту. Рульовий по ручному телеграфу дає сигнал у машинне відділення: "Дзинь-дзинь", а ще "Дзінь-дзинь" - ніякого ефекту! Раптом матрос біля борту стрімголов летить униз. Дещо пізно - катер досить сильно врубається в дерев'яні огорожі борту рибальської шхуни. Летять тріски, люди мало не падають. Матроси мовчки без жодних емоцій причалили катер. Така специфіка служби Далекому Сході.

У поїздці було всяке: і дрібний дощ, краплі якого летіли майже паралельно землі, дрібний і жорсткий бамбук - довкілля ведмедів, і величезна "авоська", в яку завантажили пасажирів (жінку з дитиною в центр) і піднімали паровою лебідкою на палубу відновленого корабля через велику штормову хвилю, і вантажівка ГАЗ-51, у відкритому кузові якої комісія перетинала острів Кунашир від Тихого океану до Охотського узбережжя і який на півдорозі у величезній калюжі розгортався багато разів - передні колеса в одній клеї, задні в іншій - доти , Доки колія не була виправлена ​​звичайною лопатою, і лінія прибою біля входу в нерестовий струмок, відмічена суцільною смугою червоної ікри лосося.

Комісія встановила, що поки що єдиним сейсмічним приладом, здатним виконати завдання служби попередження про цунамі, може бути лише механічний сейсмограф із реєстрацією на закопченому папері. Сейсмографи були розроблені в сейсмометричній лабораторії Інституту фізики Землі АН. Сейсмограф із малим збільшенням 7 та сейсмограф із збільшенням 42 надійшли на оснащення спеціально побудованих цунамі-станцій. Барабани з закопченим папером рухалися пружинними годинниковими механізмами. Вага маси сейсмографа зі збільшенням 42 набиралася із залізних дисків і становила 100 кг. На цьому завершилася доба механічних сейсмографів.

Відбулося засідання Президії АН, присвячене виконанню Урядової Постанови. Голова академік Несміянов із великим імпозантним засмаглим обличчям, невеликого зростання академік-секретар Топчієв, члени Президії. Доповідав відомий сейсмолог Є.Ф.Саваренський, демонструючи фото на повне зростання механічний сейсмограф [Кірнос Д.П., Риков А.В., 1961] . У дискусії взяв участь академік Арцимович: "Проблема цунамі вирішується легко перенесенням усіх об'єктів на березі на висоти понад 30 метрів!" . Економічно це неможливо і не вирішується питання про одиниці Тихоокеанського флоту.

У другій половині ХХ століття настала епоха електронних сейсмографів. На маятники сейсмометрів в електронних сейсмографах розміщуються параметричні перетворювачі. Свою назву вони отримали від терміна – параметр. Як змінний параметр може служити ємність повітряного конденсатора, індуктивний опір високочастотного трансформатора, опір фоторезистора, провідність фотодіода під променем світлодіода, датчик Холла і все, що траплялося під руку винахідникам електронного сейсмографа. Серед критеріїв вибору головними виявились простота пристрою, лінійність, малий рівень власного шуму, економічність в електроживленні. Головними перевагами електронних сейсмографів перед сейсмографами з гальванометричною реєстрацією полягають у тому, що а) спад частотної характеристики у бік низьких частот відбувається залежно від частоти сигналу не як f^3 , а як f^2 - тобто. набагато повільніше, б) є можливість використовувати електричний вихід сейсмографа в сучасних самописцях, а, головне, у застосуванні цифрової техніки вимірювання, накопичення та обробки інформації; с) можливість впливати на всі параметри сейсмометра за допомогою добре відомого автоматичного регулювання за допомогою зворотних зв'язків (ОС) ) [ Риков А.В., 1963 ] . Однак, пункт с) має свою специфіку застосування в сейсмометрії. За допомогою ОС формують частотну характеристику, чутливість, точність та стабільність сейсмометра. Відкритий спосіб збільшення власного періоду коливань маятника за допомогою негативної ОС, що невідомо ні в автоматичному регулюванні, ні в сейсмометрії, що існує в світі [ Риков А.В., ].

У Росії чітко сформульовано явище плавного переходу інерційної чутливості вертикального та горизонтального сейсмометра у його чутливість гравітаційну у міру зниження частоти сигналу [Риков А.В., 1979]. При високій частоті сигналу переважає інерційна поведінка маятника, при дуже низькій частоті інерційний ефект знижується настільки, що переважає гравітаційний сигнал. Що це означає? Наприклад, при вертикальних коливаннях ґрунту виникають як інерційні сили, що змушують маятник зберігати своє положення в просторі, так і зміна сил тяжіння через зміну відстані приладу від центру Землі. При збільшенні відстані між масою та центром Землі сила тяжіння зменшується і маса отримує додаткову силу, що піднімає маятник нагору. І, навпаки, при опусканні приладу - маса отримує додаткову силу, що її опускає вниз.

Для високих частот коливань ґрунту інерційний ефект у багато разів більший за гравітаційний. На низьких частотах все навпаки - прискорення надзвичайно малі та інерційний ефект практично дуже малий, а ефект зміни сили тяжіння для маятника сейсмометра буде набагато більше. Для горизонтального сейсмометра ці явища виявлятимуться при відхиленні осі гойдання маятника від лінії схилу, яка визначається тією ж силою тяжіння. Для наочності амплітудна частотна характеристика вертикального сейсмометра показано на фіг.1. Наочно показано, як із зменшенням частоти сигналу відбувається перехід чутливості сейсмометра від інерційної до гравітаційної. Без урахування цього переходу неможливо пояснити те, що гравіметри і сейсмометри здатні записувати місячно-сонячні припливи. бути виявлені. Приклад запису припливу та нахилу в припливній хвилі показано на фіг.2. Тут Z – запис усунення Земної поверхні у Москві за 45 годин, Н – запис нахилу у припливній хвилі. Чітко видно, що максимальний нахил не на горб припливу, але в схил приливної хвилі.

Таким чином, характерними рисами сучасних електронних сейсмографів є широкосмугова частотна характеристика від 0 до 10 Гц коливань Землі і цифровий спосіб вимірювання цих коливань. Те, що Беньєоф в 1964 р. спостерігав власні коливання Землі після сильного землетрусу за допомогою стрейнметрів (деформографів) зараз доступно рядовому електронному сейсмографу. 28, 1964 Наслідки того землетрусу ще добре видно, у тому числі й по величезних площах вимерлого лісу, оскільки сталося опускання частини суші протягом 500 км у деяких випадках до 16 м, і в багатьох місцях у ґрунтові води пішла морська вода, ліс помер. Прим.Ред).

На фіг.3 зображено радіальне (вертикальне) коливання Землі на основному тоні в 3580 сек. після землетрусу.

Фіг.3. Вертикальна Z та горизонтальна H компоненти запису коливання після землетрусу в Ірані, 14.03.98, М = 6.9. Видно, що переважають радіальні коливання над крутильними, що мають горизонтальну орієнтацію.

Покажемо на фіг.4, як виглядає трикомпонентний запис сильного землетрусу після перетворення цифрового файлу візуальний.

Фіг.4. Зразок цифрового запису землетрусу в Індії, М=7.9, 26.01.2001, отриманого на широкосмуговій станції КСЕШ-Р, що постійно діє.

Добре видно перші вступи двох поздовжніх хвиль до 25 хвилин, далі на горизонтальних сейсмографах вступає поперечна хвиля приблизно на 28 хвилині і хвиля Лява на 33 хвилині. На середній вертикальній компоненті хвиля Лява відсутня (вона горизонтальна), а далі починається хвиля Релея (38 хвилина), яка видно і на горизонтальних, і на вертикальній трасах.

На фото № 3 .4 можна побачити сучасний електронний вертикальний сейсмометр, за допомогою якого показано приклади записів припливу, власних коливань Землі та сильного землетрусу. Добре видно основні елементи конструкції вертикального маятника: два диски маси загальною вагою 2 кг, дві циліндричні пружини для компенсації сили тяжіння Землі та утримування маси маятника в горизонтальному положенні. Між масами на підставі приладу розташований циліндричний магніт, повітряний зазор якого входить котушка дроту. Котушка входить у конструкцію маятника. У середині "виглядає" електронна плата ємнісного перетворювача. Повітряний конденсатор розташований за магнітом і має малий розмір. Площа конденсатора лише 2 см(+2). Магніт із котушкою служить для силового впливу за допомогою ОС зі зміщення, швидкості та інтеграла від зміщення на маятник. ОС забезпечують АЧХ, представленої на фіг.1, стабільність сейсмометра в часі і високу точність вимірювання коливань ґрунту близько сотої відсотка.

Фото № 34. Вертикальний сейсмометр установки КСЕШ-Р із знятим корпусом.

У міжнародній практиці набули визнання та поширення сейсмографи Віланда-Стрекайзена. Ці прилади прийняті за основу Світової мережі цифрових сейсмічних спостережень (IRIS). Частотна характеристика сейсмометрів IRIS подібна до АЧХ, зображеної на фіг.1. Відмінність у тому, що з частот менше 0,0001 Гц сейсмометри Віланду сильніше " затиснуті " інтегральної ОС, що призвело до більшої тимчасової стабільності, але знизило чутливість на наднизьких частотах проти сейсмографами КСЕШ приблизно 3 разу.

Електронні сейсмометри здатні відкривати екзотичні чудеса, які поки що можуть бути оскарженими. Професор Е.М.Ліньков в Університеті м.Петергофа за допомогою магнетронного вертикального сейсмографа інтерпретував коливання з періодами 5 - 20 днів як "поплавкові" коливання Землі на орбіті навколо Сонця. Відстань між Землею та Сонцем залишається традиційною, а Земля дещо коливається як на прив'язі по поверхні еліпсоїда з подвійною амплітудою до 400 мк. Проглядався зв'язок цих коливань із сонячною активністю [додатково можна переглянути 22].

Таким чином, сейсмографи за ХХ століття активно вдосконалювалися. Початок революційного початку цього процесу поклав князь Борис Борисович Голіцин - російський вчений. На черзі очікуються нові технології в інерційних та гравітаційних способах вимірювання. Не виключено, що саме електронні сейсмографи зможуть нарешті виявити гравітаційні хвилі у Всесвіті.

Література

1. Golitzin B. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 2, ст. 2, 1906.

2. Голіцин Б.Б. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 3, ст. 1, 1907.

3. Голіцин Б.Б. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 4, ст. 2, 1911.

4. Голіцин Би., Лекції з сейсмометрії, вид. АН, СпБ., 1912.

5. Е.Ф.Саваренський, Д.П.Кірнос, Елементи сейсмології та сейсмометрії. Вид. Друге, перероблене, Держ. Вид. Техн.-теор. Літ., М.1955 р.

6. Апаратура м методика сейсмометричних спостережень у СРСР. Вид-во " Наука " , М. 1974 р.

7. Д.П.Кірнос. Праці Геофіз. Ін-та АН СРСР, № 27 (154), 1955

8. Д.П.Кірнос та А.В.Риков. Спеціальна швидкодіюча сейсмічна апаратура для оповіщення про цунамі. Бюллі. Ради з сейсмології, " Проблеми цунамі " , № 9, 1961 р.

9. А.В.Риков. Вплив зворотного зв'язку параметри маятника. Изв. АН СРСР, сірий. Геофіз., № 7, 1963 р.

10. А.В.Риков. До проблеми спостережень коливань Землі. Апаратура, методи та результати сейсмометричних спостережень. М., "Наука", Зб. "Сейсмічні прилади", вип. 12, 1979 р.

11. А.В.Риков. Сейсмометр та коливання Землі. Изв. Російської АН, сірий. Фізика Землі, М., " Наука " , 1992 р.

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.Риков, І.П.Башилов. Надширокосмуговий цифровий комплект сейсмометрів. Зб. "Сейсмічні прилади", вип. 27, М., Вид-во ОІФЗ РАН, 1997

15. К.Крилов Сильне землетрус у Сіетлі 28 лютого 2001 р. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html

16. К.Крилов Катастрофічне землетрус в Індії 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 це найсильніші землетруси у світі.

22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Провісники землетрусів у навколоземному космічному просторі - У журналі "Уранія" з'явилася нова стаття (російською та англійською мовами). Робота співробітників МІФІ присвячена передбаченню землетрусів за супутниковими спостереженнями.

Щороку Землі трапляється від восьми до десяти тисяч землетрусів, тобто. приблизно один землетрус щогодини. Основних причин землетрусів три: провали порожнин, створювані підземними водами. вулканічні виверження та усунення товщ земної кори.

Для реєстрації цього природного явища, визначення його сили, місця виникнення та інших характеристик давно застосовуються спеціальні прилади - сейсмографи.

Головним елементом будь-якого сейсмографа є звичайний вантаж, що підвішений на опорі, прикріпленій до основи. І найпростіший прилад можна зробити самому.

Перший прилад, здатний вловлювати коливання земної поверхні, був винайдений 132 р. китайським астрономом Чжан Хеном. Прилад складався з великої бронзової посудини діаметром 2 м, на стінках якої розташовувалися вісім голів дракона. Щелепи у драконів розкривалися, і в кожного в пащі була куля. Усередині посудини був маятник. В результаті підземного поштовху маятник починав рухатися, діяв на голови, і куля випадала з пащі дракона у відкритий рот однієї з восьми жаб, що сиділи біля основи судини. Прилад вловлював підземні поштовхи з відривом 600 км.

Подібні пристрої називаються сейсмоскопами. Вони широко використовують і зараз, даючи цінну інформацію. У Каліфорнії (США) розміщено тисячі сейсмоскопів із записом маятниками на сферичному склі, вкритому сажею. Зазвичай, видно складна картина руху вістря маятника по склу, в якому відхилення дають уявлення про силу землетрусів. Сейсмоскоп, подібний до китайського, зробив у 1848 році італієць Каччіаторе, в якому маятник і кульки були замінені ртуттю. При коливаннях ґрунту ртуть виливалася в судини, розташовані рівномірно по азимутам. Як вантаж для маятника було чавунне кільце вагою 25 кг, підвішене на сталевому дроті. Загальна довжина маятника становила майже 7 метрів.

Перший сейсмограф, який мав наукове значення, було побудовано 1879 р. у Японії Юінгом. У Європі перший сейсмограф був встановлений на Везувії в середині 19 століття. Маси маятніколв досягали тонни і більше! Запис руху маятника здійснювався на закопченому папері, що обертається безперервною стрічкою годинниковим механізмом.

Переворот у техніці сейсмометрії зробив блискучий російський учений князь Б.Б.Голіцин. Він винайшов спосіб гальванометричного запису землетрусів та організував перші сейсмічні станції, на яких були встановлені нові прилади. Складається такий прилад із сейсмометра, перетворювача його механічного сигналу в електричну напругу та реєстратора - накопичуй поверхні Землі та цифровим способом вимірювання цих коливань

НЕБЕСНИЙ СЕЙСМОГРАФ

Японський географічний інститут встановив країною понад тисячу датчиків руху земної кори. Такий датчик є колоною з нержавіючої сталі висотою 4,5 метра з приймачем супутникової системи визначення координат на вершині. Кожні півхвилини приймач визначає координати місцезнаходження датчика з точністю приблизно двох міліметрів, що дозволяє помітити тектонічні зрушення. Середня відстань між датчиками – 25 кілометрів, але в сейсмічно небезпечних районах вони розставлені густіше. Минулого року ця система виявила несподівані зрушення у районі міста Нагоя. Мабуть, йдеться про великий землетрус.

Джерела: журнал "Наука та життя"

Допитливим

Рівні океанів з різних боків Панамського каналу

Як відомо, рівні океанів (Тихого та Атлантичного) з різних боків Панамського каналу є різними. У суху пору року різниця рівнів мала, а в сезон дощів вона досягає 30 см. Чим це пояснити?

Виявляється...
Відмінність рівнів океанів із різних боків Панамського каналу частково зумовлена ​​різною солоністю океанів. У Тихому океані вода більш солона, отже, щільніша. Тому у виходу в Тихий океан рівень води нижчий, ніж у виходу до Атлантичного.

Основна стаття: сейсмограф

Для виявлення та реєстрації всіх типів сейсмічних хвиль використовуються спеціальні прилади – сейсмографи. У більшості випадків сейсмограф має вантаж із пружинним прикріпленням, який при землетрусі залишається нерухомим, тоді як решта приладу (корпус, опора) починає рухатися і зміщується щодо вантажу. Одні сейсмографи чутливі до горизонтальних рухів, інші - вертикальні. Хвилі реєструються вібруючим пером на паперовій стрічці, що рухається. Існують і електронні сейсмографи (без паперової стрічки).

Cтанція прогнозування землетрусів ATROPATENA]

землетрус сейсмічна хвиля

Станція Atropatena Кристал (Kh10) - Технологічний бренд (Азербайджан)

Cтанція прогнозування ATROPATENA, що автоматично та автономно реєструє тривимірні зміни гравітаційного поля та передає цю інформацію до Центральної Бази Даних, розміщеної в США (La Habra). З 2007 року, після початку роботи першої станції ATROPATENA-AZ, короткострокові прогнози землетрусів регулярно надходили до Президії МАН (Міжнародна Академія Наук (Здоров'я та Екологія)), Австрія, Інсбрук), до Пакистанської Академії Наук (Ісламабад, Пакистан) (Джокьякарта, Індонезія). У 2009 році Глобальна мережа із прогнозування землетрусів (GNFE) почала повноцінно функціонувати в режимі короткострокового прогнозування землетрусів та оперативної передачі цієї інформації країнам-учасникам Глобальної Мережі. Цей факт був широко освітлений у російській та міжнародній пресі. Однією з важливих відмінностей нової технології прогнозування землетрусів і те, що під час прогнозу вказується як місце, сила і час, а й кількість прогнозованих сильних землетрусів. На основі аналізу та інтерпретації записів «гравітограм» за спеціальною методикою НДІ прогнозування та вивчення землетрусів видає короткостроковий прогноз сильних землетрусів (за 3-7 днів до поштовху), що міститься на сайті Центральної Бази Даних (GNFE)

Тектометр

Тектометр - прилад, розроблений у Росії та запатентований у Державному патентному бюро Японії (реєстраційний номер N 07РО369). Згідно з патентом, прилад дозволяє реєструвати землетрус за 40 годин до моменту його початку. Прилад компактний (вміщується в дипломат) і легкий (близько 1 кг).

Сейсмограф(від др.-грец. σεισμός - землетрус та ін.-грец. γράφω - записувати) або сейсмометр- Вимірювальний прилад, який використовується в сейсмології для виявлення та реєстрації всіх типів сейсмічних хвиль. Прилад для визначення сили та напрямки землетрусу.

Перша відома спроба виготовити прилад, що передбачає землетрус, належить китайському філософу та астроному ЧжанХену.

ЧжанХен винайшов пристрій, якому дав ім'я Хоуфен і яке могло фіксувати коливання земної поверхні та напрямок їх поширення.

Хоуфен і став першим у світі сейсмографом. Прилад складався з великої бронзової посудини діаметром 2 м, на стінках якої розташовувалися вісім голів дракона. Щелепи у драконів розкривалися, і в кожного в пащі була куля.

Усередині судини був маятник з тягами, прикріпленими до голов. В результаті підземного поштовху маятник починав рухатися, діяв на голови, і куля випадала з пащі дракона у відкритий рот однієї з восьми жаб, що сиділи біля основи судини. Прилад вловлював підземні поштовхи на відстані 600 км від нього.

1.2. Сучасні сейсмографи

Перший сейсмографсучасної конструкції винайшов російський учений, князь Б. Голіцинякий використовував перетворення механічної енергії коливань в електричний струм.

Конструкція досить проста: вантаж підвішується на вертикально або горизонтально розташованій пружині, а до іншого кінця вантажу кріпиться перо самописця.

Папірна стрічка, що обертається, служить для запису коливань вантажу. Чим сильніший поштовх, тим далі відхиляється перо і довше коливається пружина.

Вертикальний вантаж дозволяє реєструвати горизонтально спрямовані поштовхи, і навпаки, горизонтальний самописець записує поштовхи у вертикальній площині.

Як правило, горизонтальний запис ведеться у двох напрямках: північ-південь та захід-схід.

У сейсмології залежно від розв'язуваних завдань використовуються різні види сейсмографів: механічний, оптичний або електричний з різними видами посилень та методами обробки сигналу. Механічний сейсмограф включає чутливий елемент (зазвичай маятник та демпфер) та самописець.

Основа сейсмографа жорстко пов'язана з об'єктом, що досліджується, при коливаннях якого виникає рух вантажу щодо підстави. Записується сигнал аналогової формі на самописцях з механічним записом.

1.3. Створення сейсмографа

Матеріали: Картонна коробка; шило; стрічка; пластилін; олівець; фломастер; мотузка або міцна нитка; шматок тонкого картону.

Рамою для сейсмографа стане картонна коробка. Потрібно, щоб вона була виготовлена ​​з досить жорсткого матеріалу. Відкритий її бік буде лицьовою частиною приладу.

Треба зробити шилом отвір у верхній кришці майбутнього сейсмографа. Якщо жорсткості для « рамине вистачає, треба обклеїти скотчем кути і ребра коробки, зміцнивши її, як показано на фотографії.

Скачати кульку з пластиліну і зробити в ньому отвір олівцем. Проштовхнути фломастер в отвір таким чином, щоб його кінчик ненабагато висовувався з протилежного боку пластилінової кульки.

Це покажчик сейсмографа, призначений у тому, щоб викреслювати лінії земних вібрацій.

Пропустити кінець нитки через дірочку у верхній частині коробки. Встановити коробку на нижню сторону і підтягнути нитку таким чином, щоб фломастер був вільно підвішений.

Прив'яжіть верхній кінець нитки до олівця і обертайте олівець навколо осі, доки не виберете слабину нитки. Коли фломастер повисне на потрібній висоті (тобто буде лише торкатися дна коробки), зафіксуйте олівець на місці за допомогою скотчу.

Підсунути лист картону під кінчик фломастеру на дно коробки. Відрегулювати все так, щоб кінчик фломастеру легко торкався картону та міг залишати лінії.

Сейсмограф готовий до роботи. Він використовує той самий принцип дії, як і справжнє обладнання. Обважнений підвіс, або маятник, буде більш інерційним по відношенню до трясіння, ніж рамка.

Щоб перевірити пристрій на ділі, нема чого чекати землетрусу. Просто треба струсити рамку. Підвіс залишиться на місці, але почне креслити лінії на картонці, як справжнісінький.

Що є що - Стихійні лиха

Сейсмограф складається з маятника, наприклад, сталевої гирки, яка на пружині або тонкому дроті підвішена до стійки, що міцно закріплена в грунті. Маятник з'єднаний з пером, що креслить безперервну лінію на паперовій стрічці. При швидких коливаннях ґрунту папір стрясається разом із ним, маятник же з пером за інерцією залишаються нерухомими. На папері з'являється хвиляста лінія, що відбиває коливання ґрунту. Крива на паперовій стрічці, укріпленій на повільно обертовому барабані під пером, що наносить лінію, називається сейсмограмою.

Дія сейсмографа ґрунтується на тому принципі, що вільно підвішені маятники під час землетрусів залишаються майже нерухомими. Верхній сейсмограф фіксує горизонтальні, а нижній – вертикальні коливання землі.

Три червоні барабани висотою близько 20 см є приймачами сейсмографів на сучасній сейсмічній станції. Стоячий барабан приймає вертикальні коливання ґрунту, на одному з барабанів, що лежать, відзначаються коливання в напрямку північ-південь, на іншому схід-захід. Прилад, що стоїть поруч, реєструє найповільніші підземні зрушення, які не піддаються трьом іншим приймачам. Покази всіх чотирьох приладів передаються для запису сейсмограм складним електронним пристроям.

У 1891 р. один із найсильніших землетрусів, що коли-небудь спостерігалися в Японії, спустошило великі області на захід від Токіо. Очевидець так описував руйнування: "На поверхні утворилися глибокі провали; греблі, що захищали низини від повеней, обрушилися, майже всі будинки були знищені, гірські схили сповзли у прірви. 10000 людей загинули, 20000 отримали травми".

Сейсмограма землетрусу, який вразив 8 листопада 1983 р. в 1ч. 49м. Бельгію, Нідерланди та Північний Рейн – Вестфалію, записана сейсмічною станцією Гамбурга. Верхня крива показує вертикальні коливання, нижня – горизонтальні. Під час землетрусу загинули двоє людей.

Японські геологи, які вивчали наслідки цієї катастрофи, з подивом встановили, що чітко вираженого епіцентру її не існувало. Поверхня була розсічена майже прямою ущелиною довжиною близько 110 км, ніби розрізана на дві частини гігантським ножем, причому краї розрізу були зсунуті відносно один одного. "Земля, - повідомляв один з геологів, - розірвана на величезні брили і піднята. Це виглядає як слід, залишений гігантським кротом. Вулиці і дороги розірвані, на них зяють багатометрові провали; два дерева, що до того стояли поряд у напрямку схід-захід, опинилися тепер на неабиякій відстані, причому по осі північ - південь. Землетрус пересунув одне з них на північ, інше на південь".