Регистрация сейсмических колебаний

Российский университет Дружбы Народов 
Инженерный факультет 
Кафедра МПИ и их разведки им В. М. Крейтера

Реферат на тему:

«Регистрация сейсмических колебаний»

                                                                                                                      Выполнил: 
                                                                                                                                               студент группы ИГС-201 
                                                                                                                                 Мерзликин М.С.

Москва, 2013 год

Содержание

Введение

Хотя основной темой является регистрация сейсмических колебаний, я думаю, что не стоит оставлять без внимания и главную цель этого мероприятия – это определение эпицентров землетрясений. И это еще не все. Определить эпицентр, значит найти точку начала землетрясения, а ведь еще нужно и сказать из-за чего оно произошло, какая геологическая обстановка тому виной и стоит ли ждать повторения. Для того чтобы вникнуть в суть темы, нужно начать с истоков, т.е. с самих землетрясений. Поговорим о прошлом.

 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 разрушающихся 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.  Хорошо уцелели здания, за перерасход 
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., Японское 1923, Чили 1960 г., Агадир (Морокко) 1960 г., 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 избегания больших потерь от землетрясений: антисейсмическое строительство и заблаговременное оповещение о возможном землетрясении. Но оба способа остаются неэффективными. Не всегда антисейсмическое строительство адекватно тем колебаниям, которые вызываются землетрясениями. Есть странные случаи необъяснимого разрушения железобетона, как это было в 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.

 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 теории глобальной тектоники, однозначно определяющей теорию 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 энергии землетрясений (магнитуды по шкале Рихтера, нулевая магнитуда соответствует энергии 10(+5) Джоулей, максимально наблюдавшаяся магнитуда соответствует энергии 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. 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 искусства 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 бальность землетрясений. Бальность землетрясений определяется по внешним характеристикам воздействия колебаний на человека, животных, деревья, типичные здания, мебель, посуду и т.п. Существую разные шкалы бальности. В средствах массовой информации применяется "" бальность 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 энергию 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 теорию 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.

 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.

Российские механические сейсмографы

 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 –

1. 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,
2. есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации,
3. возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС).

 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.

 В России четко сформулировано явление плавного перехода инерционной чувствительности вертикального и горизонтального сейсмометра в его чувствительность гравитационную по мере снижения частоты сигнала. 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 рис.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 приливы. Согласно традиционным представления нужно было бы продолжить линию " 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 рис.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. 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. На рис.3. показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения. 

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

Рис.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 № 1 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..

 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.

Заключение

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. Огромная благодарность за статью А.В.Рыкова - зав.лаб. сейсмометрии Института физики Земли РАН. Сейсмографы
2. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.
3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.
4. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.
5. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.
6. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор. Лит., М.1955 г.
7. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во "" Наука "" , М. 1974 г.
8. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.
9. Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, "" Проблемы цунами "" , № 9, 1961 г.
10. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.
11. А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., "" Наука "" , Сб. "" Сейсмические приборы "" , вып. 12, 1979 г.
12. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., "" Наука "" , 1992 г.
13. Wieland E.., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance // Bull. Seismol..Soc. Amer.,1982. Vol. 72. P.2349-2367.
14. Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232.
15. А.В.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. "" Сейсмические приборы "" , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г.
16. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html#1977
17. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии http:/ /www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549
18. http://earthquake.usgs.gov/
19. http://earthquake.usgs.gov/4kids/facts.html
20. http://neic.usgs.gov/neis/seismology/keeping_track.html
21. http://earthquake.usgs.gov/4kids/science.html
22. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html  - это сильнейшие землетрясения в мире.
23. 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.