Сейсмограмма

Сейсмограмма — это графическая запись колебаний земной поверхности, вызванных упругими волнами (сейсмическими волнами), регистрируемая сейсмографом или сейсмометрической станцией. Сейсмограмма является основным первичным документом в сейсмологии, позволяющим определять параметры землетрясений (время в очаге, координаты, магнитуду, глубину), изучать внутреннее строение Земли, а также оценивать сейсмическую опасность территорий.

История

Первые попытки регистрации сейсмических колебаний относятся к концу XIX века. В 1889 году немецкий физик Эрнст фон Ребер-Пашвиц в Потсдаме получил первую в истории сейсмограмму, записавшую колебания от землетрясения в Японии. Этот прибор был горизонтальным маятником, а запись велась на закопчённую бумагу.

В 1890-х годах японский сейсмолог Джон Милн и его коллеги разработали первые сейсмографы с механической регистрацией на бумажной ленте. В 1902 году русский сейсмолог Борис Голицын предложил электродинамический метод регистрации, при котором колебания маятника преобразуются в электрический сигнал, записываемый гальванометром. Это позволило значительно повысить чувствительность и точность сейсмограмм.

В XX веке, с развитием электроники, появились аналоговые сейсмографы с записью на фотобумагу или магнитную ленту. С 1970-х годов началось внедрение цифровых сейсмометрических станций, которые записывают данные в цифровом виде. Современные сейсмограммы представляют собой цифровые временные ряды, хранящиеся в базах данных.

Физические основы

Сейсмограмма отражает изменение смещения, скорости или ускорения грунта во времени. Запись представляет собой сумму колебаний от различных типов сейсмических волн:

Продольные волны (P-волны) — волны сжатия-растяжения, распространяющиеся в твёрдых телах, жидкостях и газах. На сейсмограмме они приходят первыми (самые быстрые) и имеют относительно небольшую амплитуду.
Поперечные волны (S-волны) — волны сдвига, распространяющиеся только в твёрдых телах. Они приходят вторыми, имеют большую амплитуду, чем P-волны.
Поверхностные волны (L-волны) — волны, распространяющиеся вдоль поверхности Земли. Они бывают двух типов: волны Рэлея (движение частиц по эллипсу в вертикальной плоскости) и волны Лява (движение частиц только в горизонтальной плоскости, перпендикулярно направлению распространения). Поверхностные волны имеют наибольшую амплитуду и период, часто являются наиболее разрушительными.

Разница во времени прихода P- и S-волн (S-P интервал) прямо пропорциональна расстоянию от станции до эпицентра землетрясения. По амплитуде и периоду поверхностных волн оценивается магнитуда.

Виды сейсмограмм

Сейсмограммы классифицируются по нескольким признакам.

По типу регистрируемого параметра

Сейсмограммы смещения — записывают абсолютное смещение грунта (в миллиметрах или микрометрах).
Сейсмограммы скорости — записывают скорость колебаний (в мм/с или мкм/с). Наиболее распространены в современной сейсмологии, так как позволяют лучше оценивать энергию колебаний.
Сейсмограммы ускорения — записывают ускорение (в см/с² или g). Используются в инженерной сейсмологии для расчёта сейсмостойкости зданий.

По типу прибора

Короткопериодные — регистрируют колебания с периодами от 0,1 до 2 секунд. Хорошо выделяют P- и S-волны от близких землетрясений.
Длиннопериодные — регистрируют колебания с периодами от 10 до 100 секунд. Используются для регистрации удалённых землетрясений и изучения земных приливов.
Широкополосные — регистрируют широкий диапазон периодов (от 0,01 до 1000 секунд). Современные цифровые станции обычно являются широкополосными.

По формату записи

Аналоговые — непрерывная запись на бумаге, фотоплёнке или магнитной ленте. Исторически использовались до 1990-х годов.
Цифровые — дискретные отсчёты, записанные с определённой частотой дискретизации (обычно 20–100 Гц). Хранятся в форматах SEED, SAC, MiniSEED и других.

Устройство и принцип работы сейсмографа

Сейсмограф состоит из трёх основных частей:

Чувствительный элемент (маятник) — инерционная масса, подвешенная на упругом подвесе. При колебаниях грунта маятник стремится сохранить своё положение в пространстве, а корпус прибора движется вместе с грунтом. Относительное движение маятника и корпуса преобразуется в электрический сигнал.
Преобразователь — устройство, преобразующее механическое движение в электрический сигнал. В современных приборах используются ёмкостные, индукционные или оптические датчики.
Регистратор — устройство для записи сигнала. В аналоговых приборах — гальванометр с пером и бумажной лентой. В цифровых — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер с программным обеспечением.

Для регистрации полного вектора колебаний используются трёхкомпонентные сейсмографы, имеющие три взаимно перпендикулярных маятника: два горизонтальных (север-юг и восток-запад) и один вертикальный.

Применение

Определение параметров землетрясений

По сейсмограммам с нескольких станций сейсмологи определяют:

Время в очаге — момент начала разрыва в земной коре.
Координаты эпицентра — точку на поверхности Земли над очагом.
Глубину очага — расстояние от эпицентра до очага.
Магнитуду — меру энергии, выделившейся в очаге (например, по шкале Рихтера или моментной магнитуде).

Изучение внутреннего строения Земли

Сейсмические волны, проходя через различные слои Земли (кору, мантию, ядро), преломляются, отражаются и затухают. Анализируя сейсмограммы от удалённых землетрясений, учёные строят модели плотности, упругости и температуры земных недр. Этот метод называется сейсмической томографией.

Инженерная сейсмология

По сейсмограммам сильных землетрясений (акселерограммам) рассчитываются спектры реакции, которые используются для проектирования сейсмостойких зданий и сооружений. Также сейсмограммы позволяют оценивать сейсмическую опасность конкретных площадок строительства.

Мониторинг техногенных процессов

Сейсмограммы используются для регистрации колебаний, вызванных:

Взрывами (в том числе ядерными) — для контроля за соблюдением Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ).
Горными работами (обрушениями, горными ударами).
Движением транспорта, промышленным оборудованием.
Закачкой жидкости в скважины (наведённая сейсмичность).

Обработка и интерпретация

Обработка сейсмограмм включает несколько этапов:

Фильтрация — удаление шумов (ветер, транспорт, промышленные помехи) с помощью частотных фильтров.
Вступление волн — автоматическое или ручное определение моментов прихода P- и S-волн.
Расчёт параметров — вычисление расстояния до эпицентра, магнитуды, координат.
Визуализация — построение графиков, спектрограмм, сейсмических разрезов.

Современные системы автоматической обработки (например, Earthworm, SeisComp3) позволяют получать параметры землетрясений в реальном времени, что важно для систем раннего предупреждения.

Интересные факты

Самая длинная сейсмограмма в истории была получена от землетрясения 2004 года в Индийском океане (магнитуда 9,1–9,3). Поверхностные волны от этого события регистрировались сейсмографами по всему миру в течение нескольких недель.
Сейсмограммы от ядерных взрывов отличаются от землетрясений характерным спектром и отсутствием S-волн (так как взрыв — это источник объёмного сжатия).
В России сейсмологические наблюдения ведутся с 1900-х годов. Крупнейшая сеть — Единая система сейсмологических наблюдений (ЕССН) РАН, включающая более 300 станций.

Критика и ограничения

Основным ограничением сейсмограмм является их зависимость от локальных условий (грунта, рельефа, близости промышленных объектов). На одной и той же станции сейсмограммы от одинаковых землетрясений могут различаться в десятки раз по амплитуде из-за эффекта усиления грунтов. Кроме того, сейсмограммы не позволяют напрямую «видеть» очаг землетрясения — они лишь дают информацию о волновом поле, которое интерпретируется с помощью моделей.

Источники

Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. — М.: Мир, 1983.
Болт Б. А. Землетрясения. — М.: Мир, 1981.
Голицын Б. Б. Лекции по сейсмометрии. — СПб., 1912.
Ландер А. В. Сейсмология: учебное пособие. — М.: Наука, 2005.
Шебалин Н. В. Сейсмограмма и её анализ. — М.: Недра, 1978.
Единая система сейсмологических наблюдений (ЕССН) РАН. — Официальные материалы.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →