Сейсмограф

<час />

Фон

Сейсмографы - это инструменты, предназначенные для обнаружения и измерения вибраций в земле, а записи, которые они производят, известны как сейсмограммы. Как и многие другие термины, начинающиеся с этого префикса, эти слова происходят от греческого seismos, что означает «шок» или «землетрясение». Хотя некоторые типы сейсмографов используются для подземных съемок, эти устройства наиболее известны для изучения землетрясений.

Сейсмограф состоит из маятника, установленного на опоре. Маятник, в свою очередь, подключен к записывающему устройству, например к чернильной ручке. Когда земля вибрирует, маятник остается неподвижным, пока самописец движется, тем самым создавая запись движения земли. Типичный сейсмограф содержит 3 маятника:один для регистрации вертикального движения и два для регистрации горизонтального движения.

Сейсмографы произошли от сейсмоскопов, которые могут определять направление толчков или землетрясений, но не могут определять интенсивность или характер вибрации. Самое раннее известное устройство, используемое для обнаружения землетрясений, было создано китайским ученым Чанг Хенгом около 132 г. н.э. Подробные отчеты показывают, что это было красивое и изобретательное устройство, состоящее из богато украшенного медного цилиндра с восемью головами дракона, расположенными по его верхней окружности. лицом наружу. Вокруг нижней окружности, прямо под головами дракона, было восемь медных лягушек. Во рту каждый дракон держал маленький шарик, который упал в пасть лягушке под ним, когда стержень внутри цилиндра, гибкий и утяжеленный на его верхнем конце, сработал в результате землетрясения. Лягушка, поймавшая упавший шар, указала общее направление землетрясения.

Более семнадцати столетий изучение землетрясений зависело от неточных инструментов, таких как инструмент Чанг Хэна. На протяжении столетий было построено множество сейсмоскопов, многие из которых полагались на обнаружение ряби в бассейне с водой или жидкой ртутью. Одно такое устройство, похожее на механизм лягушки и дракона, имело неглубокую тарелку с ртутью, которая проливалась на маленькие тарелки, расположенные вокруг нее, при возникновении тремора. Другой тип сейсмоскопа, разработанный в восемнадцатом веке, состоял из маятника, подвешенного к потолку и прикрепленного к указателю, который волочился в лотке с мелким песком, перемещаясь, когда маятник раскачивался вибрациями. В девятнадцатом веке был построен первый сейсмометр; он использовал различные типы маятников для измерения величины подземных колебаний.

Первый настоящий сейсмограф мог быть сложным механизмом, разработанным итальянским ученым Луиджи Палмьери в 1855 году. В этой машине использовались трубки, наполненные ртутью и снабженные электрическими контактами и поплавками. Когда толчки нарушали ртуть, электрические контакты одновременно останавливали часы и запускали устройство, которое регистрировало движения поплавков, грубо указывая как время, так и интенсивность землетрясения. Первые точные сейсмографы были разработаны в Японии в 1880 году британским геологом Джоном Милном, которого часто называют отцом сейсмологии. Вместе с другими учеными-иностранцами Джеймсом Альфредом Юингом и Томасом Греем Милн изобрел множество различных сейсмологических устройств, одним из которых был сейсмограф с горизонтальным маятником. Этот сложный инструмент состоял из утяжеленного стержня, который при сотрясении сдвигал пластину с прорезями. Движение пластины позволяло отраженному свету проходить через щель, а также через другую неподвижную щель под ней. Падая на светочувствительную бумагу, свет записывал тремор. Сегодня большинство сейсмографов по-прежнему полагаются на базовые конструкции, представленные Милном и его сотрудниками, и ученые продолжают оценивать сотрясения, изучая движение земли относительно движения маятника.

Первый электромагнитный сейсмограф был изобретен в 1906 году русским князем Борисом Голицыным, который адаптировал принцип электромагнитной индукции, разработанный английским физиком Майклом Фарадеем в XIX веке. Закон индукции Фарадея постулировал, что изменения магнитной напряженности можно использовать для генерации электрических токов. Воспользовавшись этой заповедью, Голицын построил машину, в которой тремор заставляет катушку перемещаться через магнитные поля, производя электрический ток, который подается в гальванометр, устройство, которое измеряет и направляет ток. Затем ток колеблется в зеркале, аналогичном тому, которое направляло свет в аппарате Милна. Преимущество этой электронной системы состоит в том, что регистратор может быть установлен в удобном месте, например в лаборатории, а сам сейсмограф может быть установлен в удаленном месте.

В двадцатом веке Программа обнаружения ядерных испытаний сделала возможной современную сейсмологию. Несмотря на реальную опасность землетрясений, сейсмология не могла управлять большим количеством сейсмографов до тех пор, пока угроза подземных ядерных взрывов не вызвала создание Всемирной стандартизированной сети сейсмографов (WWSSN) в 1960 году. Сеть установила 120 сейсмографов в 60 странах, и под его эгидой сейсмографы стали намного более совершенными. Разработанный после Второй мировой войны сейсмограф Press-Ewing позволил исследователям регистрировать так называемые долгопериодические сейсмические волны, колебания, которые распространяются на большие расстояния с относительно медленными скоростями. В сейсмографе используется маятник, подобный тому, что использовался в модели Милна, но вместо оси стержня, поддерживающей стержень, используется эластичная проволока для уменьшения трения. Другие послевоенные инновации включали атомные часы для более точного отсчета времени и цифровые показания, которые можно было передать в компьютер. Однако самое главное На этой блок-схеме показаны этапы изготовления и установки сейсмографа. Основным используемым материалом является алюминий, за ним следует обычное электрическое оборудование, состоящее из меди, стали, стекла и пластика. Базовый блок состоит из маятника внутри герметичного контейнера, который прикреплен шарниром и тросом (для горизонтальных блоков) или пружиной (для вертикальных блоков) к опорной раме, прочно установленной в земле. Развитием в наше время стало внедрение массивов сейсмографов. Эти группы, некоторые из которых состоят из сотен сейсмографов, связаны с одним центральным регистратором. Сравнивая дискретные сейсмограммы, полученные различными станциями, исследователи могут определить эпицентр землетрясения (точка на поверхности земли непосредственно над местом возникновения землетрясения).

Сегодня для исследования землетрясений используются три типа сейсмографов, каждый из которых имеет период, соответствующий шкале вибраций, которые он будет измерять (период - это промежуток времени, необходимый маятнику для совершения одного полного колебания). Короткопериодические сейсмографы используются для изучения первичных и вторичных колебаний, наиболее быстро движущихся сейсмических волн. Поскольку эти волны движутся так быстро, короткопериодному сейсмографу требуется меньше секунды, чтобы совершить одно полное колебание; он также увеличивает получаемые сейсмограммы, чтобы ученые могли различить характер быстрых движений Земли. Маятники в сейсмографах с длинным (промежуточным) периодом колеблются в течение двадцати секунд, и они используются для измерения более медленных волн, таких как волны Лява и Рэлея, которые следуют за первичными и вторичными волнами. В настоящее время WWSSN использует этот тип инструментов. Сейсмографы, у маятников которых наибольший период времени, называются сверхдлинными . или широкополосный инструменты. Широкополосные сейсмографы все чаще используются для более полного понимания глобальных колебаний.

Сырье

Компоненты сейсмографа стандартные. Самый важный материал - алюминий, за ним следует обычное электрическое оборудование, состоящее из меди, стали, стекла и пластика. Современный сейсмограф состоит из одного или нескольких сейсмометров, которые измеряют колебания земли. Сейсмометр состоит из маятника (инертной массы) внутри герметичного контейнера, который прикреплен шарниром и тросом (для горизонтальных устройств) или пружиной (для вертикальных устройств) к опорной раме, прочно установленной в земле. Одна или несколько электрических катушек прикреплены к маятнику и помещены в поле магнита. Даже незначительные движения катушки будут генерировать электрические сигналы, которые затем поступают в усилитель и фильтр и сохраняются в памяти компьютера для последующей печати. Менее сложный сейсмограф будет иметь либо зеркало . который направляет свет на светочувствительную бумагу (как в сейсмографе Милна), ручка, которая пишет быстросохнущими чернилами на рулоне бумаги, или тепловая ручка, которая маркирует термобумагу.

Дизайн

Спрос на сейсмографы для землетрясений не так высок; его могут удовлетворить несколько производителей, которые проектируют сейсмографы на заказ для удовлетворения потребностей конкретных исследователей. Таким образом, хотя основные компоненты сейсмографа являются стандартными, некоторые функции могут быть адаптированы для конкретных целей. Например, кому-то может понадобиться более чувствительный прибор для изучения сейсмических событий за тысячи миль. Другой сейсмолог мог бы выбрать инструмент, маятник которого имеет короткий период всего в несколько секунд, чтобы наблюдать самые ранние толчки землетрясения. Для подводных исследований сейсмограф должен быть погружным.

Производственный
процесс

Выбор сайта

• 1 Сайт может заинтересовать сейсмолога по ряду причин. Наиболее очевидным является то, что этот регион подвержен землетрясениям, возможно, потому, что он примыкает к разлому или трещине в земной коре. Такие трещины смещают один из примыкающих к ним блоков земли, заставляя блок перемещаться выше, ниже или горизонтально параллельно разлому, и оставляя область уязвимой для дальнейшей нестабильности. Сейсмограф также может быть установлен в регионе, который в настоящее время отсутствует, чтобы сейсмологи могли собирать данные для более полного представления об этом районе.
• 2 Хотя некоторые сейсмографы размещены в подвалах университетов или музеев в учебных целях, идеальное место для исследования землетрясений было бы более удаленным. Для более точной регистрации сейсмических движений Земли сейсмограф следует размещать там, где движение транспорта и другие вибрации минимальны. В некоторых случаях можно присвоить неиспользуемый туннель. В других случаях доступна естественная подземная пещера. Исследователи-сейсмологи могут даже выкопать колодец и поместить в него инструмент, если не существует другой подземной ямы, в которой сейсмограф считается желательным. Также возможен наземный сейсмограф, но он должен располагаться выше твердого скального основания.

Сборка сейсмометра

• 3 На специализированном заводе комплектующие сейсмографа собираются и готовятся к отгрузке. Сначала маятник прикрепляется либо к мягкой пружине (если это вертикальный элемент), либо к проволоке (если это горизонтальный элемент) и подвешивается внутри цилиндра. В то время как горизонтальные сейсмометры содержат маятник, прикрепленный к тросу, вертикальные устройства вместо этого используют пружину. Когда земля вибрирует во время землетрясения, маятник остается неподвижным, пока самописец движется, тем самым создавая запись движения земли.
  Некоторые записывающие устройства состоят из катушки, которая генерирует электрический сигнал, который, в свою очередь, сохраняется в памяти компьютера для последующей печати. Менее сложный сейсмограф будет иметь либо зеркало, которое светит на светочувствительную бумагу, ручку, которая пишет быстросохнущими чернилами на рулоне бумаги, либо тепловую ручку, которая маркирует термобумагу. между электрическими катушками. Затем катушки подключаются к печатным платам и размещаются внутри корпуса сейсмографа. Все устройство, в свою очередь, можно подключить к цифровому магнитофону, который принимает ток, генерируемый катушками и передаваемый на печатные платы. Если оборудование для записи данных состоит из более традиционного оборудования, такого как рулон бумаги и ручка, они теперь прикреплены к устройству. В зависимости от конечного пункта назначения сейсмограф доставляется грузовиком или самолетом в мягком ящике перевозчиками, имеющими опыт перевозки хрупкого электронного оборудования.

Установка сейсмометра

• 4 Сейсмограф, предназначенный для образовательных целей, может быть прикреплен болтами к бетону . этаж подвала, но исследовательские сейсмографы лучше всего размещать вдали от неизбежных колебаний здания. Они устанавливаются либо непосредственно на скалу, если требуется высокая точность, либо в бетонную подушку. В обоих случаях земля удаляется и земля выравнивается. Во втором случае заливается бетонный слой, и ему дают застыть.
• 5 После подготовки основания блок сейсмометра прикручивается на место. В некоторых случаях, когда требуется высокая чувствительность, он будет размещен в хранилище, где контролируются температура и влажность. Блок сейсмометра обычно устанавливается в выбранном поле, пещере или хранилище, а усилители, фильтры и записывающее оборудование размещаются отдельно.
• 6 В современной сейсмологии принято располагать несколько сейсмометров на некотором расстоянии друг от друга. Каждый сейсмометр отправляет сигналы в центральное место, где данные могут быть распечатаны и изучены. Сигналы могут транслироваться от антенны, встроенной в устройство, или, в более сложных модулях, передаваться на спутник.

Контроль качества

Сейсмографы предназначены для защиты от стихийных бедствий. Они водонепроницаемы и пыленепроницаемы, и многие из них рассчитаны на работу, несмотря на экстремальные температуры и высокую влажность, в зависимости от того, где они будут установлены. Несмотря на их требования к чувствительности и защите, многие сейсмографы прослужили 30 лет. Работники службы контроля качества на заводе проверяют конструкцию и конечный продукт, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям заказчика. Все детали проверяются на допуск и подгонку, а сейсмограф проверяется на правильность его работы. Кроме того, большинство сейсмографов имеют встроенные испытательные устройства, чтобы их можно было проверить после Типичный сейсмограф содержит 3 маятника:один для регистрации вертикального движения и два для регистрации горизонтального движения. Блок сейсмометра обычно устанавливается в поле, пещере или хранилище, тогда как усилители и записывающее оборудование размещаются отдельно. устанавливаются и перед запуском в работу. Квалифицированные программисты также проверяют программное обеспечение на наличие ошибок перед отправкой. Хотя чувствительность и точность важны, время также имеет решающее значение, особенно при прогнозировании землетрясений. Большинство современных сейсмографов подключены к атомным часам, которые откалиброваны по всемирному времени (ранее называвшемуся гринвичским временем), что обеспечивает получение высокоточной информации, понятной всем исследователям.

Еще один важный аспект контроля качества современных сейсмографов - минимизация ошибок, связанных с человеческим фактором. В то время как ранние сейсмографы были простыми, и практически каждый мог научиться ими пользоваться, современные сейсмографы представляют собой точные, чувствительные устройства, которые сложны и трудны в использовании. Сегодня исследователи и рабочие сейсмографов должны проходить обучение у инженеров и ученых производственного предприятия, если они сами еще не являются квалифицированными инженерами и учеными. Они должны научиться управлять и обслуживать сейсмограф, а также все вспомогательное оборудование, такое как компьютер.

Будущее

Сейсмология наиболее известна изучением землетрясений. Его акцент был сделан не на теоретическом изучении структуры Земли, а скорее на прогнозировании и уменьшении воздействия землетрясений в уязвимых регионах. Изучение земных недр было направлено на поиск нефтяных залежей, проверку устойчивости грунта перед строительством и отслеживание подземных ядерных взрывов. Однако на первом месте стоит прогноз землетрясений. Если исследователи могут заранее определить, что произойдет землетрясение, можно будет запланировать такие меры предосторожности, как увеличение количества сотрудников больниц и обеспечения безопасности. Первое официальное предсказание землетрясений, выпущенное правительством США, состоялось только в 1985 году. Следовательно, предсказание землетрясений находится в зачаточном состоянии. Недавние крупные землетрясения, такие как землетрясение в Сан-Франциско в 1989 году, усилили изучение разлома Сан-Андреас. В настоящее время группа сейсмологов изучает сегмент Паркфилда этого разлома, чтобы определить, могут ли они предсказать небольшое землетрясение. Данные этой попытки могут пригодиться для прогнозирования крупных землетрясений в более густонаселенных районах. Другие разработки включают более чувствительные и более прочные сейсмографы, которые могут регистрировать как длиннопериодические, так и короткопериодические волны. Один ученый-землеустроитель считает, что можно создать систему предупреждения о землетрясениях. Такая система потребует сейсмографа, чтобы улавливать вибрации, компьютера, чтобы интерпретировать их как надвигающееся землетрясение, и системы связи, чтобы вовремя предупредить персонал службы спасения. Некоторые эксперты предполагают наличие больших массивов сейсмографов в сейсмостойких районах, где отдельные владельцы сейсмографов могли бы собирать и передавать данные сейсмологам.