Сейсмограф

Сейсмограф — это прибор, предназначенный для регистрации колебаний земной поверхности, вызванных землетрясениями, взрывами или иными источниками сейсмических волн. Основным результатом работы сейсмографа является сейсмограмма — графическая запись колебаний почвы во времени. Сейсмографы являются ключевым инструментом сейсмологии — науки, изучающей землетрясения и внутреннее строение Земли.

История

Ранние попытки регистрации землетрясений

Первое известное устройство для обнаружения землетрясений было создано в Китае в 132 году н. э. астрономом и изобретателем Чжан Хэном. Аппарат представлял собой бронзовый сосуд с маятником внутри. По окружности сосуда были расположены восемь голов драконов, держащих в пасти шары. При колебаниях почвы маятник раскачивался, выбивая шар из пасти одного из драконов, который падал в рот лягушки, расположенной под ним. Это позволяло определить направление на эпицентр землетрясения, но не давало количественной оценки его силы. Данное устройство не являлось сейсмографом в современном понимании, так как не производило непрерывной записи колебаний.

Развитие в XIX — начале XX века

Современный сейсмограф начал формироваться в XIX веке. В 1848 году итальянский физик Луиджи Пальмиери создал первый прибор, способный регистрировать время и интенсивность толчков. Однако настоящий прорыв произошёл в 1880-х годах, когда группа японских учёных (Джон Милн, Джеймс Юинг и Томас Грей) разработала первый горизонтальный маятниковый сейсмограф. Этот прибор использовал принцип инерции: массивный груз (маятник) оставался неподвижным при колебаниях основания, а движение почвы записывалось на закопчённую бумагу.

В 1889 году немецкий геофизик Эрнст фон Ребер-Пашвиц сконструировал первый вертикальный сейсмограф, способный регистрировать вертикальные колебания почвы. В 1900 году русский сейсмолог Борис Борисович Голицын разработал электродинамический сейсмограф, в котором колебания маятника преобразовывались в электрический сигнал с помощью катушки, движущейся в магнитном поле. Это позволило передавать данные на расстояние и значительно повысило точность записей. Сейсмограф Голицына стал основой для большинства современных приборов.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Любой сейсмограф состоит из трёх ключевых частей:

1. Сейсмоприёмник (датчик): Инертная масса (маятник), подвешенная на пружине или шарнире. При сейсмических колебаниях основание прибора движется вместе с почвой, а маятник из-за инерции остаётся в покое. Относительное смещение между массой и корпусом прибора является мерой колебаний грунта.
2. Система регистрации: Устройство, преобразующее механическое смещение в запись. В механических сейсмографах это было перо, чертящее на бумаге. В современных — электродинамический преобразователь (катушка и магнит), генерирующий электрический ток, пропорциональный скорости движения массы.
3. Устройство записи (регистратор): В аналоговых приборах — самописец с бумажной лентой. В цифровых — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер для записи данных в цифровом виде.

Принцип инерции

Работа сейсмографа основана на законе инерции. Если маятник имеет достаточно большую массу и слабую связь с корпусом (например, длинная пружина с малым коэффициентом жёсткости), то при быстрых колебаниях грунта он практически не успевает сдвинуться с места. Таким образом, движение корпуса прибора относительно неподвижной массы и даёт сигнал. Для регистрации медленных колебаний (например, от удалённых землетрясений) используются маятники с большим периодом собственных колебаний (до 100 секунд и более).

Демпфирование

Для получения чёткой записи без паразитных колебаний маятника в сейсмографах применяется демпфер — устройство, гасящее собственные колебания инертной массы. В качестве демпфера может использоваться магнитное поле (вихревые токи в металлической пластине) или вязкая жидкость (масло). Демпфирование подбирается таким образом, чтобы маятник возвращался в положение равновесия без перерегулирования.

Классификация

По типу регистрируемых колебаний

• Вертикальные сейсмографы: Регистрируют движение почвы вверх-вниз. Маятник подвешен на пружине.
• Горизонтальные сейсмографы: Регистрируют движение почвы в горизонтальной плоскости (север-юг или запад-восток). Маятник подвешен на шарнире или нити.

Обычно для полного описания колебаний используются три компонента: один вертикальный и два горизонтальных (взаимно перпендикулярных).

По способу записи

• Механические: Запись производится пером на бумажной ленте. Обладают низкой чувствительностью и малым динамическим диапазоном.
• Электродинамические (аналоговые): Сигнал с катушки усиливается и записывается на бумагу через гальванометр или на магнитную ленту. Более чувствительны, чем механические.
• Цифровые (широкополосные): Сигнал с датчика оцифровывается с высокой частотой (100-1000 Гц) и записывается в память компьютера. Обладают огромным динамическим диапазоном (до 140 дБ) и позволяют регистрировать как слабые микроземлетрясения, так и сильные толчки без искажений.

По назначению

• Станционные сейсмографы: Устанавливаются стационарно в сейсмических обсерваториях. Обеспечивают высокую точность.
• Полевые сейсмографы: Портативные, используются для временных наблюдений (например, при изучении афтершоков).
• Скважинные сейсмографы: Опускаются в глубокие скважины (до нескольких километров) для уменьшения влияния поверхностных шумов (ветра, шагов, транспорта).
• Инженерные сейсмографы: Используются для оценки сейсмической опасности строительных площадок и мониторинга состояния зданий.

Применение

Сейсмология и мониторинг землетрясений

Основная область применения сейсмографов — регистрация землетрясений. Данные с сотен сейсмических станций по всему миру (входящих, например, в Глобальную сейсмографическую сеть) позволяют:

• Определять координаты эпицентра и гипоцентра землетрясения.
• Вычислять магнитуду (по шкале Рихтера или моментной магнитуде).
• Изучать механизм очага (тип разрыва в земной коре).
• Прогнозировать цунами (по данным о вертикальных смещениях дна океана).

Изучение внутреннего строения Земли

Сейсмические волны от землетрясений и мощных взрывов проходят сквозь Землю, отражаясь и преломляясь на границах слоёв с разной плотностью. Анализируя время прихода волн на разные сейсмографы, учёные построили модель внутреннего строения Земли: коры, мантии, внешнего (жидкого) и внутреннего (твёрдого) ядра. Этот метод называется сейсмической томографией.

Разведка полезных ископаемых

В сейсморазведке используются искусственные источники колебаний (взрывчатка, вибраторы). Сейсмографы (в этом контексте называемые сейсмоприёмниками или геофонами) регистрируют отражённые и преломлённые волны. Обработка данных позволяет строить карты геологических структур, выявлять месторождения нефти, газа и рудных ископаемых.

Инженерная сейсмология

Сейсмографы используются для:

• Оценки сейсмичности территории перед строительством.
• Мониторинга вибраций от промышленных взрывов, транспорта, строительных работ.
• Испытания конструкций на виброустойчивость.
• Регистрации сейсмических событий на атомных электростанциях и других опасных объектах.

Контроль за ядерными испытаниями

Сейсмографы высокой чувствительности способны регистрировать подземные ядерные взрывы. Международная система мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) включает в себя сотни сейсмических станций по всему миру, которые позволяют отличить взрыв от землетрясения по характеру сейсмических волн.

Интересные факты

• Самый сильный сигнал, когда-либо зарегистрированный сейсмографами, был получен от Великого Чилийского землетрясения 1960 года (магнитуда 9,5). Сейсмические волны от него обошли Землю несколько раз.
• Современные широкополосные сейсмографы настолько чувствительны, что могут регистрировать колебания от прибоя океана за тысячи километров, а также движение транспорта в городе.
• Сейсмографы, установленные на Луне во время миссий «Аполлон», регистрировали «лунотрясения» и падения метеоритов. Данные передавались на Землю до 1977 года.
• В России действует Единая геофизическая служба РАН, которая объединяет более 300 сейсмических станций, включая станции на Камчатке, Курилах, в Сибири и на Северном Кавказе.

Источники

• Аки К., Ричардс П. «Количественная сейсмология. Теория и методы». — М.: Мир, 1983.
• Болт Б. А. «Землетрясения. Введение в сейсмологию». — М.: Мир, 1981.
• Голицын Б. Б. «Лекции по сейсмометрии». — СПб., 1912.
• Саваренский Е. Ф., Кирнос Д. П. «Элементы сейсмологии и сейсмометрии». — М.: Гостехиздат, 1955.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теория упругости». — М.: Наука, 1987. (Глава о сейсмических волнах).
• Материалы Единой геофизической службы РАН (gsras.ru).