Сейсмограф: принцип работы и измеряемые величины¶
Сейсмограф — прибор (или комплекс приборов) для регистрации сейсмических волн и колебаний грунта, возникающих при землетрясениях, извержениях вулканов, взрывах и других источниках сейсмической энергии. Основные измеряемые сейсмографом величины — сейсмическое смещение (амплитуда движения частиц грунта), скорость и ускорение колебаний, а также время прихода волн. Современные сейсмографы (сейсмометры) позволяют определить эпицентр, магнитуду и глубину очага землетрясения.
¶История
Первые приборы для регистрации подземных толчков были созданы в Китае. В 132 году н. э. придворный учёный Чжан Хэн сконструировал «сейсмопоказатель» — бронзовый сосуд с восемью драконами, удерживающими шарики; при сильном толчке шарик выпадал в рот лягушки, стоявшей под соответствующим направлением. Прибор фиксировал азимут очага, но не амплитуду.
В Европе первые научные сейсмографы появились в XIX веке. В 1880-х годах итальянские учёные А. Челли и Л. Палькини, а также японские исследователи Дж. Э. Милн и Дж. А. Юинг создали механические приборы, записывающие колебания на покрытой сажей бумаге. Милн развил сеть из 30 станций по всей Японии, что позволило систематически собирать сейсмические данные.
В 1906 году русский учёный Б. Б. Голицын сконструировал первый электромагнитный сейсмограф, ставший прообразом современных приборов. Его работа легла в основу создания в 1922 году Сейсмологического института АН СССР (ныне Институт физики Земли РАН).
¶Что измеряет сейсмограф
Сейсмограф фиксирует три основные физические величины, описывающие движение грунта:
- Смещение (амплитуда) — расстояние, на которое перемещается точка грунта относительно положения покоя. Измеряется в микрометрах (мкм) или миллиметрах.
- Скорость — скорость движения частиц грунта, обычно в микрометрах в секунду (мкм/с) или миллиметрах в секунду (мм/с).
- Ускорение — ускорение колебаний, измеряется в единицах g (гравитационное ускорение, ≈ 9,8 м/с²) или в м/с².
Помимо амплитудных характеристик, сейсмограф регистрирует время прихода каждой фазы сейсмической волны с точностью до тысячных долей секунды. Это позволяет по разнице времени прихода продольных (P), поперечных (S) и поверхностных волн определить расстояние до очага и его координаты.
¶Устройство и типы
Принцип работы классического сейсмографа основан на инерции: груз, подвешенный на пружине или подшипнике, стремится оставаться неподвижным, тогда как корпус прибора, жёстко связанный с грунтом, движется вместе с ним. Относительное перемещение груза и корпуса записывается на регистрирующее устройство.
По типу измеряемой величины сейсмографы делятся на:
| Тип | Измеряемая величина | Применение |
|---|---|---|
| Сейсмометр-смещение | Амплитуда движения | Научные исследования |
| Сейсмометр-скорость | Скорость колебаний | Инженерная сейсмология |
| Акселерометр | Ускорение | Строительные нормы, мониторинг |
По способу регистрации: механические (самописцы), электромагнитные (индукционные) и цифровые (с датчиками, преобразующими сигнал в цифровой код).
По полосе пропускания: короткопериодные (для локальных землетрясений), широкопериодные (для глубинных и телесейсмических событий) и очень широкопериодные (для свободных колебаний Земли).
¶Сейсмическая сеть России
На территории России действует Единая сейсмологическая сеть (ЕСН), объединяющая более 30 станций, включая крупнейшие обсерватории в Обнинске, Пущино, Казани, Иркутске, Петропавловске-Камчатском. Камчатская и Сахалинская сейсмостанции обеспечивают мониторинг наиболее активных сейсмических зон страны.
¶Применение
Помимо регистрации землетрясений, сейсмографы используются в геофизической разведке (сейсморазведка месторождений нефти и газа), при контроле безопасности атомных электростанций и плотин, в мониторинге техногенных взрывов и при научных исследованиях внутреннего строения Земли.
¶Интересные факты
- Самые чувствительные современные сейсмометры (например, STS-2) способны обнаруживать колебания грунта с амплитудой менее нанометра — в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.
- Сейсмографы способны регистрировать не только землетрясения, но и штормовые волны в океане, падение крупных метеоритов, взрывы на поверхности Луны и даже колебания, вызванные деятельностью крупных животных.
Источники:
- Болдырев В. А. «Сейсмические приборы». — М.: Недра, 1971.
- Голицын Б. Б. «Введение в физику землетрясений». — Л.: Гидрометеоиздат, 1960.
- Саваренский Е. Ф. «Элементы сейсмологии и сейсмометрии». — М.: Недра, 1985.
- Институт физики Земли РАН — материалы по сейсмомониторингу.