Виды сейсмографов. Измерительные приборы сейсмограф

Вопрос 1. Что такое земная кора?

Земная кора - внешняя твёрдая оболочка (кора) Земли, верхняя часть литосферы.

Вопрос 2. Какие существуют виды земной коры?

Материковая кора. Она состоит из нескольких слоев. Верхний - слой осадочных горных пород. Мощность этого слоя до 10-15 км. Под ним залегает гранитный слой. Горные породы, которые его слагают, по своим физическим свойствам сходны с гранитом. Толщина этого слоя от 5 до 15 км. Под гранитным слоем располагается базальтовый слой, состоящий из базальта и горных пород, физические свойства которых напоминают базальт. Толщина этого слоя от 10 до 35 км.

Океаническая земная кора. Она отличается от материковой коры тем, что не имеет гранитного слоя или он очень тонок, поэтому толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.

Вопрос 3. Чем отличаются виды земной коры друг от друга?

Виды земной коры отличаются друг от друга толщиной. Общая толщина материковой земной коры достигает 30-70 км. Толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.

Вопрос 4. Почему мы не замечаем большую часть движений земной коры?

Потому что земная кора движется очень медленно, и только при трениях между плитами возникают землетрясения.

Вопрос 5. Куда и как движется твёрдая оболочка Земли?

Каждая точка земной коры движется: поднимается вверх или опускается вниз, смещается вперёд, назад, вправо или влево относительно других точек. Их совместные передвижения приводят к тому, что где-то земная кора медленно поднимается, где-то опускается.

Вопрос 6. Какие виды движения характерны для земной коры?

Медленные, или вековые, движения земной коры - это вертикальные движения поверхности Земли со скоростью до нескольких сантиметров в год, связанные с действием процессов, протекающих в её недрах.

Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.

Вопрос 7. Как называется наука, изучающая движения земной коры?

Наука, занимающаяся изучением землетрясений, называется сейсмологией, от слова «сейсмос» - колебания.

Вопрос 8. Что такое сейсмограф?

Все землетрясения чётко фиксируются чувствительными приборами, которые называются сейсмографами. Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.

Вопрос 9. Что такое очаг землетрясения?

Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром.

Вопрос 10. Где расположен эпицентр землетрясения?

Район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.

Вопрос 11. Чем отличаются виды движения земной коры?

Тем, что вековые движения земной коры происходят очень медленно и незаметно, а быстрые движения коры (землетрясения) – быстро и имеют разрушительные последствия.

Вопрос 12. Как можно обнаружить вековые движения земной коры?

В результате вековых движений земной коры на поверхности Земли сухопутные условия могут сменяться морскими - и наоборот. Так, например, можно обнаружить на Восточно-Европейской равнине окаменевшие раковины принадлежавшие моллюскам. Это говорит о том, что там когда-то было море, но дно поднялось и теперь там холмистая равнина.

Вопрос 13. Почему возникают землетрясения?

Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Большинство землетрясений возникает в районах сейсмических поясов, самый крупный из которых - Тихоокеанский.

Вопрос 14. В чём состоит принцип работы сейсмографа?

Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.

Вопрос 15. Какой принцип положен в основу определения силы землетрясения?

Силу землетрясений измеряют в баллах. Для этого разработана специальная 12-балльная шкала силы землетрясений. Силу землетрясения определяют по последствиям этого опасного процесса, то есть по разрушениям.

Вопрос 16. Почему вулканы чаще всего возникают на дне океанов или на их берегах?

Возникновение вулканов связано с прорывом на поверхность Земли вещества из мантии. Чаще всего это происходит там, где земная кора имеет небольшую толщину.

Вопрос 17. Используя карты атласа, определите, где чаще происходят извержения вулканов: на суше или на дне океана?

Больше всего извержений происходит на дне и берегах океанов на стыке литосферных плит. Например, вдоль Тихоокеанского побережья.

| Сейсмограф

Сейсмограф (греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos » - сотрясение, колебание, и «grapho » - писать, записывать) - специальный измерительный прибор, который используется в сейсмологии для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн.

Древние времена

Китай славится своими изобретениями, но и они, увы, устаревают и меняются. Бумага эволюционировала до цифровых носителей, порох давно стал «жидким» и даже компасов развелось более дюжины разновидностей. Или, к примеру, сейсмограф. Современный аппарат для фиксирования колебаний земли выглядит солидно – вылитый детектор лжи или шпионский прибор. Он совсем не похож на самый первый сейсмограф - немного нелепый на вид, но довольно точный. Его изобрел во времена правления династии Хань (25-220 н.э.) ученый Чжан Хэн.

Создатель первого сейсмографа родился в городе Наньян (провинция Хэнань). Ещё в детстве Хэн проявлял любовь к наукам. С годами он вошел в китайскую историю и сделал много полезного для астрономии и математики. В исторических заметках того времени значится, что этот изобретатель был спокойным и уравновешенным и старался не высовываться. Кроме увлечения наукой Чжан Хэна умел писать стихи.

Изобретатель сейсмографа

Землетрясение – нарушение баланса между Инь и Ян В древние времена считалось, что землетрясения – очень недобрый знак и гнев небес. В древней китайской философии даже было придумано специальное ученье, которое разбирало по косточкам баланс между двумя силами Инь и Ян. Естественно, эта наука не могла обойтись без объяснения такого феномена, как землетрясение. По мнению китайцев того времени, земля сотрясается не просто так, а из-за глобального нарушения баланса.

Почему иногда случаются подземные толчки, сила которых может привести к катастрофе? Все списывалось на неправильные решения китайских правителей. Увеличились налоги? Небеса накажут Китай землетрясением! Развязана война? Жди беды! Большой процент землетрясений, которые происходили тогда, были скрупулезно описаны. Историки считали важным писать обо всем, что творилось в такой неблагоприятный день.

Благодаря исследованиям Чжан Хэна было установлено, что землетрясения - естественное явление, узнать о котором можно заранее. Для этой цели он и создал сейсмограф.

Принцип работы первого китайского сейсмографа

Схема, по которой работал аппарат была следующей:

Когда начиналось землетрясение, первые толчки земли заставляли детектор трястись.

При этом, шарик, который был помещен внутрь дракона, начинал двигаться.

Затем он падал из пасти мифической рептилии прямо в рот жабы.

Принцип работы китайского сейсмографа
Во время падения шарика раздавался характерный лязгающий звук. Удивительно, но первый сейсмограф указывал даже направление, в котором находился эпицентр землетрясения (для этого на приборе были прикреплены дополнительные драконы). К примеру, если шар выпал из дракона с восточной части прибора, значит, беды нужно ждать на западе.

Первый сейсмограф - не только научный, но и художественный артефакт. Почему в его конструкцию входят именно драконы и жабы? Они являются философским символом времени. Соответственно, драконы – это Инь, а жабы – Ян. Взаимодействие между ними символизируют баланс между «верхом» и «низом». Даже с учетом всех научных открытий, Чжан Хэн не забывал вплести в свое изобретение традиционные верования.

Судьба-злодейка

Судьба многих древних деятелей науки была не самой радужной (некоторых даже на кострах сжигали за убеждения). Действительно, одно дело изобрести то, что прославит тебя на века, а другое – сделать так, чтобы тебя оценили современники. Даже Чжан Хэн не смог избежать скепсиса во время демонстрации сейсмографа императору Шунь Ян Цзя. Придворные отнеслись к изобретению ученого с большим недоверием.

Скепсис немного развеялся в 138 году н.э., когда сейсмограф Чжан Хэна зафиксировал землетрясение в районе Лунси. Но даже после доказательства того, что аппарат в полевых условиях работает успешно, большинство побаивалось Чжан Хэна. Да, древние китайцы не лишены суеверий.

Китайский сейсмограф

Точная копия устройства

Оригинальный сейсмограф уже давно канул в Лету. Тем не менее, китайские и иностранные ученые, которые исследовали труды Чжан Хэна, смогли реконструировать его изобретение. Последние испытания подтверждают: сейсмограф древнего китайца может обнаружить землетрясение с точностью, которая практически не уступает современному оборудованию.

Китайский сейсмограф в музее
Сегодня воссозданный древний сейсмограф хранится в выставочном зале Музея истории Китая в городе Пекин.

XIX век

В Европе серьёзно изучать землетрясения начали значительно позже.

В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений. Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.

В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.

В 1875 г. еще один итальянский ученый, Филиппо Секи, сконструировал сейсмограф, который включал часы в момент первого толчка и записывал первое колебание. Первая дошедшая до нас сейсмическая запись сделана именно с помощью этого прибора в 1887 г. После этого начался быстрый прогресс в области создания инструментов для регистрации колебаний почвы. В 1892 г. группа английских ученых, работавших в Японии, создала первый достаточно удобный в обращении прибор сейсмограф Джона Милна. Уже в 1900 г. функционировала мировая сеть из 40 сейсмостанций, оборудованных приборами Милна.

XX век

Б. Голицын
Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

Заключение

Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.

Сейсмограф состоит из маятника, например, стальной гирьки, которая на пружине или тонкой проволоке подвешена к стойке, прочно закрепленной в грунте. Маятник соединен с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной ленте. При быстрых колебаниях почвы бумага сотрясается вместе с ней, маятник же с пером по инерции остаются неподвижными. На бумаге появляется волнистая линия, отражающая колебания почвы. Кривая на бумажной ленте, укрепленной на медленно вращающемся барабане под наносящим линию пером, называется сейсмограммой.

Действие сейсмографа основывается на том принципе, что свободно подвешенные маятники при землетрясениях остаются почти неподвижными. Верхний сейсмограф фиксирует горизонтальные, а нижний - вертикальные колебания земли.

Три красных барабана высотой около 20 см являются приемниками сейсмографов на современной сейсмической станции. Стоящий барабан принимает вертикальные колебания почвы, на одном из лежащих барабанов отмечаются колебания в направлении север-юг, на другом восток-запад. Стоящий рядом прибор регистрирует самые медленные подземные сдвиги, которые не поддаются трем остальным приемникам. Показания всех четырех приборов передаются для записи сейсмограммы сложным электронным устройствам.

В 1891 г. одно из самых сильных землетрясений, когда-либо наблюдавшихся в Японии, опустошило обширные области к западу от Токио. Очевидец так описывал разрушения: "На поверхности образовались глубокие провалы; дамбы, защищавшие низины от наводнений, обрушились, почти все дома были уничтожены, горные склоны сползли в бездны. 10000 человек погибли, 20000 получили травмы".

Сейсмограмма землетрясения, потрясшего 8 ноября 1983 г. в 1ч. 49м. Бельгию, Нидерланды и Северный Рейн - Вестфалию, записанная сейсмической станцией Гамбурга. Верхняя кривая показывает вертикальные колебания, нижняя - горизонтальные. При землетрясении погибли два человека.

Японские геологи, изучавшие последствия этой катастрофы, с удивлением установили, что четко выраженного ее эпицентра не существовало. Поверхность была рассечена почти прямой расщелиной длиной около 110 км, будто разрезана на две части гигантским ножом, причем края разреза были сдвинуты относительно друг друга. "Земля, - сообщал один из геологов, - разорвана на огромные глыбы и приподнята. Это выглядит как след, оставленный гигантским кротом. Улицы и дороги разорваны, на них зияют многометровые провалы; два дерева, до того стоявшие рядом в направлении восток- запад, очутились теперь на изрядном расстоянии, причем по оси север - юг. Землетрясение передвинуло одно из них на север, другое на юг".

С глубокой древности одним из самых страшных стихийных бедствий являются землетрясения. Поверхность земли нами подсознательно воспринимается как нечто незыблемо прочное и твердое, основа, на которой стоит наше существование.

Если же эта основа начинает трястись, обрушивая каменные здания, изменяя русла рек и воздвигая горы на месте равнин – это очень страшно. Неудивительно, что люди пытались предсказать , чтобы успеть спастись, убежав из опасного района. Так и был создан сейсмограф.

Что такое сейсмограф?

Слово «сейсмограф» имеет греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos» — сотрясение, колебание, и «grapho» — писать, записывать. То есть, сейсмограф – это прибор, предназначенный записывать колебания земной коры.

Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар.

Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.

Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.

Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.

Сейсмографы, используемые учеными

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.

Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Зачем нужны сейсмографы?

Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.

Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.

зав.лаб. сейсмометрии Института физики Земли РАН

Прошедший век подарил миру открытие Б.Б. Голицыным гальванометрического способа наблюдений сейсмических явлений. Последующий прогресс сейсмометрии был связан с этим открытием. Продолжателями дела Голицына были русский ученый Д.П. Кирнос, американцы Вуд-Андерсен, Пресс-Юинг. Русская школа сейсмометрии при Д.П. Кирносе отличалась тщательностью проработки аппаратуры и методики метрологического обеспечения сейсмических наблюдений. Записи сейсмических событий стали достоянием сейсмологии при решении не только кинематических, но и динамических задач. Естественным продолжением развития сейсмометрии было использование электронных средств снятия информации с пробной массы сейсмометров, ее использование в осциллографии и в цифровых методах измерения, накопления и обработки сейсмических данных. Сейсмометрия всегда пользовалась плодами научно-технического прогресса ХХ века. В России в 70-80 гг. разработаны электронные сейсмографы, перекрывающие частотный диапазон от сверхнизких частот (формально от 0 Гц) до 1000 Гц.

Введение

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 рушихся 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 (Я слышал оценки достигающие 50000 чел. Погибшими. Во всяком случае так говорил Г.П.Горшков - зав. кафедрой динамической геологии МГУ. Прим. Ред.) Хорошо уцелело здание, за перерасход при постройке которого был осужден архитектор, его проектировавший.

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. . (Уже много позже Ашхабата в 1976 г. в Китае землетрясение унесло 250000 жизней, да и индийское прошлого года тоже не менее 20000 Прим. Ред.) , Японское 1923, Чили 1960 г., Агадир (Морокко) 1960 гю, 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 избежания больших потерь от землетрясений: антисейсмическое строительство и заблаговременное оповещение о возможном землетрясении. Но оба способа остаются неэффективными. Не всегда антисейсмическое строительство адекватн о тем колебаниям, которые вызываются землетрясениями. Есть странные случаи необъяснимого разрушения железобетона, как это было в Кобе, 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.

Землетрясения сопровождаются другими явлениями. Свечение атмосферы, нарушение радиосвязи и не менее страшным явлением цунами, морские волны которого иногда возникают, если центр (очаг) землетрясения происходит в глубоководном желобе мирового океана (не все землетрясения происходящие на склонах глубоководного желоба являются цунамигенными, но последние выявляют с помощью сейсмографов по характерным признакам смещения в очаге). Так было в Лиссабоне, на Аляске, в Индонезии. Особенно опасны они тем, что практически внезапно волны появляются на берегу, на островах. Пример - Гавайские острова. Волна от Камчатского землетрясения 1952 года пришла неожиданно через 22 часа. Волна цунами незаметна в открытом море, но с выходом на берег она приобретает крутизну переднего фронта, уменьшается скорость движения волны и происходит нагон воды, что приводит к росту волны иногда до 30 м в зависимости от силы землетрясения и рельефа берега. Такой волной был начисто смыт поздней осенью 1952 года город Северо-Курильск, который находится на берегу пролива между о. Парамушир и о. Шумшу. Сила удара волны и ее движения вспять были настолько сильными, что танки, находившиеся в порту, попросту были смыты и исчезли "в неизвестном направлении" . Очевидец рассказал, что проснулся от колебаний сильного землетрясения и не смог быстро уснуть. Вдруг он услышал со стороны порта сильный гул низкой частоты. Выглянув в окно и ни секунды не думая, прямо в чем был выскочил на снег и бежал на возвышение, сумев обогнать наступавшую волну.

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 теор ии глобальной тектоники, однозначно определяющей теор ию 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 энерги и землетрясений (магнитуды по шкале Рихтера, нулевая магнитуда соответствует энерги и 10(+5) Джоулей, максимально наблюдавшаяся магнитуда соответствует энерги и 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 [Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П., 1955] . 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 скусства 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 балльность землетрясений. Балльность землетрясений определяется по внешним характеристикам воздействия колебаний на человека, животных, деревья, типичные здания, мебель, посуду и т.п. Существую разные шкалы балльности. В средствах массовой информации применяется " балльность 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 энерги ю 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 теор ию 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.

Эти главные преимущества и определили на многие десятилетия развитие и использование гальванометрической регистрации во всем мире.

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.

Катастрофическое землетрясение 1948 года в Ашхабаде стимулировало финансирование расширение сети сейсмических наблюдений в СССР. Для оснащения новых и старых сейсмических станций профессором Д. П. Кирносом совместно с инженером В.Н.Соловьевым были разработаны гальванометрические сейсмографы общего типа СГК и СВК вместе с гальванометром ГК-VI . Работы были начаты в стенах Сейсмологического института Академии Наук СССР и его инструментальных мастерских. Приборы Кирноса отличались тщательной научно-технической проработкой. Методика калибровки и эксплуатации была доведена до совершенства, что обеспечило высокую точность (около 5%) амплитудной и фазовой частотной характеристики (АЧХ) при записи событий. Это позволило сейсмологам ставить и решать не только кинематические, но и динамические задачи при интерпретации записей. Этим школа Д.П.Кирноса выгодно отличалась от американской школы аналогичных инструментов. Д.П.Кирносом была совершенствована теор ия сейсмографов с гальванометрической регистрацией введением коэффициента связи сейсмометра и гальванометра, позволившая построить амплитудную частотную характеристику сейсмографа для записи смещения грунта сначала в полосе 0,08 - 5 Гц, а затем в полосе 0,05 - 10 Гц с помощью вновь разработанных сейсмометров типа СКД. В данном случае речь идет о введении в сейсмометрию широкополосной АЧХ.

Российские механические сейсмографы

После катастрофы в Северо-Курильске вышло Постановление Правительства о создании службы предупреждения о цунами на Камчатке, Сахалине и на Курильских островах. Выполнение Постановления было поручено Академии Наук, Гидрометеослужбе СССР и Министерству связи. В 1959 г. в указанный регион была направлена комиссия для выяснения положения на местах. Петропавловск Камчатский, Северо-Курильск, Южно-Курильск, Сахалин. Средства передвижения - самолеты ЛИ-2 (бывший Дуглас), пароход, поднятый со дна моря и восстановленный, катера. Первый рейс назначен на 6 утра. До аэропорта " Халатырка " (г. Петропавловск-Камчатский) комиссия добралась во время. Но самолет вылетел раньше - открылось небо над Шумшу. Через пару часов нашелся грузовой ЛИ-2 и состоялось благополучное приземление на полосу базы с подземными аэродромами, построенную еще японцами. Шумшу - самый северный остров в Курильской гряде. Только на северо-западе из вод Охотского моря вздымается красивый конус вулкана Аделаид. Остров выглядит совершенно ровным, как толстый блин среди морских вод. На острове, в основном, пограничники. Комиссия прибыла на юго-западный причал. Там ждал военно-морской катер, который с большой скоростью помчал к порту Северо-Курильска. На палубе кроме комиссии несколько пассажиров. У борта матрос с девицей что-то увлеченно говорят. Катер на полном ходу влетает на акваторию порта. Рулевой по ручному телеграфу дает сигнал в машинное отделение: " Дзинь-дзинь " , и еще " Дзинь-дзинь " - никакого эффекта! Вдруг матрос у борта кубарем летит вниз. Несколько поздно - катер достаточно сильно врубается в деревянные ограждения борта рыболовецкой шхуны. Летят щепки, люди чуть не падают. Матросы молча без всяких эмоций причалили катер. Такова специфика службы на Дальнем Востоке.

В поездке было всякое: и мелкий дождь, капли которого летели почти параллельно земле, мелкий и жесткий бамбук - среда обитания медведей, и огромная "авоська" , в которую загрузили пассажиров (женщину с ребенком в центр) и поднимали паровой лебедкой на палубу восстановленного корабля по причине крупной штормовой волны, и грузовик ГАЗ-51, в открытом кузове которой комиссия пересекала остров Кунашир от Тихого океана до Охотского побережье и который на полпути в огромной луже разворачивался много раз - передние колеса в одной клее, задние в другой - до тех пор, пока колея не была исправлена обычной лопатой, и линия прибоя у входа в нерестовый ручей, отмеченная сплошной полосой красной икры лосося.

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 а) 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, б) есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации, с) возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС) [ Рыков А.В.,1963 ] . 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 [ Рыков А.В., ].

В России четко сформулировано явление плавного перехода инерционной чувствительности вертикального и горизонтального сейсмометра в его чувствительность гравитационную по мере снижения частоты сигнала [ Рыков А.В.,1979 ] . 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 фиг.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 приливыСогласно традиционавления нужно было бы продолжитьлинию " 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 фиг.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 сейсмографу (The largest recorded earthquake in the United Stateswas a magnitude 9.2 that struck Prince William Sound, Alaska on Good Friday, March 28, 1964 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. Прим.Ред).

На фиг.3 показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения.

Фиг.3. Вертикальная Z и горизонтальная H компоненты записи колебания после землетрясения в Иране, 14.03.98, М = 6.9. Видно, что преобладают радиальные колебания над крутильными, имеющими горизонтальную ориентацию.

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

Фиг.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 № 3 .4 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.

Фото № 34. Вертикальный сейсмометр установки КСЭШ-Р со снятым корпусом.

В международной практике приобрели признание и широкое распространение сейсмографы Виланда-Стрекайзена . Эти приборы приняты за основу в Мировой сети цифровых сейсмических наблюдений (IRIS) . Частотная характеристика сейсмометров IRIS подобна АЧХ, изображенной на фиг.1. Отличие состоит в том, что для частот менее 0,0001 Гц сейсмометры Виланда сильнее " зажаты " интегральной ОС, что привело к большей временной стабильности, но снизило чувствительность на сверхнизких частотах по сравнению с сейсмографами КСЭШ примерно в 3 раза.

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. Проглядывалась связь этих колебаний с солнечной активностью [ дополнительно можно посмотреть 22].

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. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.

2. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.

3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.

4. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.

5. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор . Лит., М.1955 г.

6. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во " Наука " , М. 1974 г.

7. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.

8. Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, " Проблемы цунами " , № 9, 1961 г.

9. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.

10. А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., " Наука " , Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 12, 1979 г.

11. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., " Наука " , 1992 г.

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.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г.

15. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html

16. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии 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 это сильнейшие землетрясения в мире.

22. 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.