Хто вигадав Сейсмограф - Коли винайшли? Хто і коли вигадав перший сейсмограф для прогнозування землетрусів Як працює сейсмограф.

зав. сейсмометрії Інституту фізики Землі РАН

Минуло століття подарувало світові відкриття Б.Б. Голіцин гальванометричного способу спостережень сейсмічних явищ. Наступний прогрес сейсмометрії був із цим відкриттям. Продовжувачами справи Голіцина були російські вчені Д.П. Кірнос, американці Вуд-Андерсен, Прес-Юїнг. Російська школа сейсмометрії за Д.П. Кірносе відрізнялася ретельністю опрацювання апаратури та методики метрологічного забезпечення сейсмічних спостережень. Записи сейсмічних подій стали надбанням сейсмології під час вирішення як кінематичних, а й динамічних завдань. Природним продовженням розвитку сейсмометрії було використання електронних засобів зняття інформації з пробної маси сейсмометрів, її використання в осцилографії та цифрових методах вимірювання, накопичення та обробки сейсмічних даних. Сейсмометрія завжди користувалася результатами науково-технічного прогресу ХХ століття. У Росії її в 70-80 гг. розроблено електронні сейсмографи, що перекривають частотний діапазон від наднизьких частот (формально від 0 Гц) до 1000 Гц.

Вступ

Землетруси! Для тих, хто мешкає в активних сейсмічних зонах, це не порожній звук. Люди спокійно живуть, забувши про попередню катастрофу. Але ось несподівано, найчастіше вночі, приходить ВОНО. Спочатку тільки поштовхи, що навіть викидають з ліжка, дзвін посуду, падіння меблів. Потім гуркіт перекриттів, некапітальних стін, пил, темрява, стогін. Так було 1948 року в м. Ашгабаді. Країна про це дізналася набагато пізніше. Жарко. Майже роздягнений Співробітник інституту сейсмології в Ашхабаді тієї ночі готувався до виступу на республіканській конференції з сейсмічності і писав доповідь. Близько 2-ї години почалося. Він встиг вискочити у двір. На вулиці в клубах пилюки і темної південної ночі нічого не було видно. Його дружина, теж спеціаліст-сейсмолог, встигла встати в дверний отвір, який відразу з двох боків був закритий перекриттями стелі. Її сестра, що спала через спеку на підлозі, була накрита шафою, дверцята якої відкрилися, надавши "притулок" для тіла. Але ноги були затиснуті верхи шафи.

В Ашхабаді загинуло кілька десятків тисяч жителів через нічний час і відсутність антисейсмічних споруд (Я чув оцінки, що досягають 50000 чол. Загиблими. Принаймні так говорив Г.П.Горшков - зав. кафедрою динамічної геології МДУ. Прим. ред.) Добре вціліло будинок, за перевитрату під час будівництва якого було засуджено архітектор, який його проектував.

Зараз на пам'яті людства налічуються десятки історичних та сучасних катастрофічних землетрусів, які забрали мільйонні людські життя. З найсильніших землетрусів можна перерахувати такі як Лісабонське 1755, Японське 1891, Ассамське (Індія) 1897, в Сан-Франциско 1906, Мессінське (Сицилія-Калібрія) 1908, і Китайське 192 (Вже багато пізніше Ашхабата в 1976 р. в Китаї землетрус забрав 250000 життів, та й індійське минулого року теж не менше 20000 прим. ред.) , Японське 1923, Чилі 1960 р., Агадір (Морокко) 166 ., Спітак (Вірменія) 1988 р. Після землетрусу на Алясці Беньеофом, американським фахівцем у сфері сейсмометрії було отримано запис власних коливань Землі як кулі, яким ударили. Перед і, особливо, після сильного землетрусу відбувається серія – сотні та тисячі – слабших землетрусів (афтершоків). Спостереження за ними чутливими сейсмографами дозволяють оконтурити область основного поштовху, отримати просторовий опис вогнища землетрусів.

Є два засоби уникнення великих втрат від землетрусів: антисейсмічне будівництво та завчасне сповіщення про можливий землетрус. Але обидва способи залишаються неефективними. Не завжди антисейсмічне будівництво адекватне тим коливанням, які викликаються землетрусами. Є дивні випадки незрозумілої руйнації залізобетону, як це було в Кобе, Японія. Структура бетону порушується настільки, що бетон розсипається у місцях пучностей стоячих хвиль у пилюку. Відбуваються обертання будівель, як це спостерігалося у Спитаці, Ленінакані, Румунії.

Землетруси супроводжуються іншими явищами. Світіння атмосфери, порушення радіозв'язку і не менш страшним явищем цунамі, морські хвилі якого іноді виникають, якщо центр (вогнище) землетрусу відбувається в глибоководному жолобі світового океану (не всі землетруси, що відбуваються на схилах глибоководного жолоба, є цунамінними, але останні виявляють за допомогою сейсмографа. ознаками усунення в осередку). Так було у Лісабоні, на Алясці, в Індонезії. Особливо небезпечні вони тим, що раптово хвилі з'являються на березі, на островах. Приклад – Гавайські острови. Хвиля від Камчатського землетрусу 1952 прийшла несподівано через 22 години. Хвиля цунамі непомітна у відкритому морі, але з виходом на берег вона набуває крутості переднього фронту, зменшується швидкість руху хвилі та відбувається нагін води, що призводить до зростання хвилі іноді до 30 м залежно від сили землетрусу та рельєфу берега. Такою хвилею було начисто змите пізно восени 1952 року місто Північно-Курильськ, яке знаходиться на березі протоки між о. Парамушир та о. Шумшу. Сила удару хвилі і її руху були настільки сильними, що танки, що знаходилися в порту, просто були змиті і зникли "в невідомому напрямку". Очевидець розповів, що прокинувся від вагань сильного землетрусу і не зміг швидко заснути. Раптом він почув з боку порту сильний гомін низької частоти. Виглянувши у вікно і ні секунди не думаючи, просто в чому був вискочив на сніг і біг на піднесення, зумівши обігнати хвилю, що наставала.

На наведеній карті показаний найбільш активний сейсмічному відношенні Тихоокеанський тектонічний пояс. Точками завдано епіцентрів сильних землетрусів лише за ХХ століття. Карта дає уявлення про активне життя нашої планети, а її дані багато говорять про можливі причини землетрусів взагалі. Існує багато гіпотез про причини тектонічних проявів на обличчі Землі, але досі немає надійної теорії глобальної тектоніки, однозначно визначальної теорії явища.

Навіщо потрібні сейсмографи?

Насамперед для вивчення самого явища, далі треба визначити інструментальним способом силу землетрусу, його місце виникнення та частоту походження цих явищ у даному місці та переважні місця їх виникнення. Пружні коливання, що збуджуються землетрусом, подібно до променя світла від прожектора здатні висвітлити деталі будови Землі.

Порушуються чотири основних типи хвиль: поздовжні, що мають максимальну швидкість поширення і приходять до спостерігача в першу чергу, потім поперечні коливання і найбільш повільні - поверхневі хвилі з коливаннями по еліпсу у вертикальній площині (Релея) та горизонтальній площині (Лява) у напрямку поширення. Різниця часу перших вступів хвиль використовується для визначення відстані до епіцентру, положення гіпоцентру та з'ясування внутрішньої будови Землі та місцезнаходження джерела землетрусів. За допомогою запису сейсмічних хвиль, що пройшли через ядро ​​Землі, вдалося визначити його будову. Зовнішнє ядро ​​опинилося у рідкому стані. У рідині поширюються лише поздовжні хвилі. Тверде внутрішнє ядро ​​виявлено за допомогою поперечних хвиль, що збуджуються поздовжніми хвилями, що потрапили на межу розділу рідина-твердість. По картині коливань і типів хвиль, що записуються, за часом вступів сейсмічних хвиль сейсмографами на поверхні Землі вдалося визначити розміри складових частин ядра, їх щільності.

Вирішуються й інші завдання з визначення енергії та землетрусів (магнітуди за шкалою Ріхтера, нульова магнітуда відповідає енергії та 10(+5) Джоулей, максимально спостерігається магнітуда відповідає енергії та 10(+20-+21) Дж), спектрального складу для вирішення задачі сейсмо будівництва, для виявлення та контролю за підземними випробуваннями ядерної зброї, сейсмічного контролю та аварійного відключення на таких небезпечних об'єктах як АЕС, залізничний транспорт і навіть ліфтів у висотних будинках, контролю гідротехнічних споруд. Неоціненна роль сейсмічних приладів у сейсморозвідці з корисними копалинами і, зокрема, для пошуку " резервуарів " з нафтою. Застосовувалися вони і при розслідуванні причин загибелі Курська, саме за допомогою цих приладів було встановлено час та потужність першого та другого вибухів.

Механічні сейсмічні прилади

Принцип дії сейсмічних датчиків - сейсмометрів - утворюють систему сейсмографа, до якої входять такі вузли - сейсмометр, перетворювач його механічного сигналу в електричну напругу і реєстратор - накопичувач інформації, заснований відразу на першому та третьому законі Ньютона - властивості мас до інерції та тяжіння. Головним елементом пристрою будь-якого сейсмометра є маса, що має якийсь підвіс до основи приладу. В ідеалі маса не повинна мати жодних механічних або електромагнітних зв'язків з корпусом. Просто висіти у просторі! Однак це поки що нереалізовано в умовах тяжіння Землі. Розрізняють вертикальні та горизонтальні сейсмометри. По-перше, маса має можливість переміщення тільки у вертикальній площині і зазвичай вивішена за допомогою пружини для протидії силі тяжіння Землею. У горизонтальних сейсмометрах маса має ступінь свободи лише у горизонтальній площині. Положення рівноваги маси зберігається як за допомогою набагато слабшої пружини підвісу (як правило плоскі пластини) і, зверніть особливу увагу, що повертає силою тяжіння Землі, яка сильно ослаблена реакцією майже вертикально розташованої віссю підвісу і діє майже горизонтальній площині переміщення маси.

Найбільш давні пристрої для фіксації актів землетрусу виявлені та відновлені в Китаї [Саваренський Є.Ф., Кірнос Д.П., 1955]. Прилад у відсутності засобів запису, лише допомагав визначенню сили землетрусу і спрямування його епіцентр. Такі пристрої називаються сейсмоскопами. Стародавній китайський сейсмоскоп відноситься до 123 р. нашої ери і є твір мистецтва та інженерної техніки. Усередині художньо оформленої судини знаходився астатичний маятник. Маса такого маятника розташовується вище за пружний елемент, який підтримує маятник у вертикальному положенні. У посудині по азимутах розташовані пащі драконів, у яких вміщено металеві кульки. При сильному землетрусі маятник ударяв по кульках і вони звалювалися у маленькі судини у формі жаб із відкритими ротами. Звичайно, максимальні удари маятника припадали вздовж азимуту на осередок землетрусу. По кульках, що виявляються в жабах, можна було визначити, звідки прийшли хвилі землетрусу. Подібні пристрої називаються сейсмоскопами. Вони широко використовуються і зараз, даючи цінну інформацію про сильні землетруси у масових масштабах на великій території. У Каліфорнії (США) розміщено тисячі сейсмоскопів із записом астатичними маятниками на сферичному склі, вкритому сажею. Зазвичай, видно складну картину руху вістря маятника по склу, у якій можна виділити коливання поздовжніх хвиль, що вказують напрямок на вогнище. А максимальні амплітуди траєкторій запису дають уявлення про силу землетрусу. Період коливань маятника та його згасання задані таким чином, щоб моделювати поведінку типових будівель та, таким чином, оцінювати бальність землетрусів. Хворість землетрусів визначається за зовнішніми характеристиками впливу коливань на людину, тварин, дерева, типові будівлі, меблі, посуд тощо. Існують різні шкали бальності. У засобах масової інформації застосовується "бальність за шкалою Ріхтера". Це визначення розраховане на масового мешканця та не відповідає науковій термінології. Правильно говорити – магнітуда землетрусу за шкалою Ріхтера. Вона визначається за інструментальними вимірами за допомогою сейсмографів та умовно позначає логарифм максимальної швидкості запису, віднесений до вогнища землетрусу. Така величина умовно показує енергію пружних коливань, що виділилася, в осередку землетрусу.

Подібний сейсмоскоп зробив у 1848 році італієць Каччіаторе, у якому маятник та кульки замінені ртуттю. При коливаннях ґрунту ртуть виливалася в судини, розташовані рівномірно по азимутам. У Росії її використовуються сейсмоскопи С.В.Медведева, у Вірменії розроблені сейсмоскопи АИС А.Г.Назарова, у яких застосовані кілька маятників, мають різні частоти. Вони дозволяють грубо отримувати діапазони коливань, тобто. залежність амплітуди записів від частот коливань під час землетрусу. Це цінна інформація для проектувальників антисейсмічних споруд.

Перший сейсмограф, що мав наукове значення, було побудовано 1879 р. в Японії Юінгом. Як вантаж для маятника було чавунне кільце вагою 25 кг, підвішене на сталевому дроті. Загальна довжина маятника становила майже 7 метрів. За рахунок довжини отримано момент інерції 1156 кг.ּ м 2 . Відносні переміщення маятника та ґрунту записувалися на закопченому склі, що обертається навколо вертикальної осі. Великий момент інерції сприяв зниженню впливу тертя вістря маятника про скло. У 1889 р. японський сейсмолог опублікував опис горизонтального сейсмографа, який став прототипом для великої кількості сейсмографів. Подібні сейсмографи виготовлялися у Німеччині у 1902-1915 роках. При створенні механічних сейсмографів завдання підвищення чутливості могла бути вирішена лише за допомогою збільшувальних важелів Архімеда. Сила тертя під час запису коливань долалася з допомогою величезної маси маятника. Так сейсмограф Віхерта мав маятник із масою 1000 кг. При цьому досягалося збільшення всього 200 для періодів коливань, що записуються, не вище власного періоду маятника 12 сек. Найбільшу масу мав вертикальний сейсмограф Віхерта, вага маятника якого була 1300 кг, підвішена на потужних гвинтових пружинах з 8 мм сталевого дроту. Чутливість склала 200 для періодів сейсмічних хвиль не вище 5 сік. Віхерт був великим винахідником та конструктором механічних сейсмографів і побудував кілька різних та дотепних приладів. Запис відносного руху інертної маси маятників і ґрунту здійснювався на закопченому папері, що обертається безперервною стрічкою годинниковим механізмом.

Сейсмографи з гальванометричною реєстрацією

Переворот у техніці сейсмометрії зробив блискучий вчений області оптики, математики князь Б.Б.Голицин. Він винайшов спосіб гальванометричного запису землетрусів. Росія - основоположниця у світі сейсмографів із гальванометричною реєстрацією. Вперше у світі їм розроблено теорію сейсмографа в 1902 році, створено сейсмограф і організував перші сейсмічні станції, на яких були встановлені нові прилади. Німеччина мала досвід виробництва сейсмографів та перші сейсмометри Голіцина були виготовлені там. Однак записуючий апарат був спроектований та виготовлений у майстернях Російської Академії Наук у Петербурзі. І досі цей апарат має всі характерні риси першого реєстрира. Барабан, на якому закріплювався фотопапір довжиною майже 1 м і шириною 28 см, наводився у обертальний рух зі зміщенням при кожному обороті на вибрану відстань вздовж осі барабана. Поділ сейсмометра та засоби запису відносних рухів інертної маси приладу був настільки прогресивним та вдалим, що подібні сейсмографи отримали всесвітнє визнання на багато десятиліть уперед. Б.Б.Голіцин виділив такі переваги нового способу реєстрації.

1. Можливість простим прийомом отримувати велику на ті часи чутливість .

2. Здійснення реєстрації на відстанівід місця встановлення сейсмометрів. Віддаленість, сухе приміщення, доступність до сейсмічних записів для подальшої їх обробки надали нової якості процесу сейсмічних спостережень та виключення небажаних впливів на сейсмометри з боку персоналу сейсмічної станції.

3. Незалежність якості запису від дрейфунуля сейсмометрів.

Ці головні переваги і визначили на багато десятиліть розвиток та використання гальванометричної реєстрації у всьому світі.

Вага маятника вже не грала такого значення як у механічних сейсмографах. Було лише одне явище, яке треба було враховувати – магнітоелектрична реакція рамки гальванометра, що перебуває у повітряному зазорі постійного магніту, на маятник сейсмометра. Як правило, ця реакція зменшувала згасання маятника, що призводило до порушення зайвих власних його коливань, що спотворювали хвильову картину хвиль від землетрусів. Тому Б.Б.Голіцин використав масу маятників близько 20 кг, щоб знехтувати зворотною реакцією гальванометра на сейсмометр.

Катастрофічне землетрус 1948 року в Ашхабаді стимулювало фінансування розширення мережі сейсмічних спостережень у СРСР. Для оснащення нових та старих сейсмічних станцій професором Д. П. Кірносом спільно з інженером В. Н. Соловйовим були розроблені гальванометричні сейсмографи загального типу СГК та СВК разом із гальванометром ГК-VI. Роботи розпочато у стінах Сейсмологічного інституту Академії Наук СРСР та її інструментальних майстерень. Прилади Кірноса відрізнялися ретельним науково-технічним опрацюванням. Методика калібрування та експлуатації була доведена до досконалості, що забезпечило високу точність (близько 5%) амплітудної та фазової частотної характеристики (АЧХ) під час запису подій. Це дозволило сейсмологам ставити і вирішувати як кінематичні, а й динамічні завдання під час інтерпретації записів. Цим школа Д.П.Кірноса вигідно відрізнялася від американської школи аналогічних інструментів. Д.П.Кірносом була вдосконалена теорія сейсмографів з гальванометричною реєстрацією введенням коефіцієнта зв'язку сейсмометра і гальванометра, що дозволила побудувати амплітудну частотну характеристику сейсмографа для запису зміщення грунту спочатку в смузі 0,08 - 5 Гц, а потім в смузі 0 за допомогою новорозроблених сейсмометрів типу СКД. У цьому випадку йдеться про введення в сейсмометрію широкосмугової АЧХ.

Російські механічні сейсмографи

Після катастрофи в Північно-Курильську вийшла Постанова Уряду про створення служби попередження про цунамі на Камчатці, Сахаліні та на Курильських островах. Виконання Постанови було доручено Академії Наук, Гідрометеослужбі СРСР та Міністерству зв'язку. У 1959 р. у вказаний регіон була направлена ​​комісія для з'ясування становища на місцях. Петропавловськ Камчатський, Північно-Курильськ, Южно-Курильськ, Сахалін. Засоби пересування - літаки ЛІ-2 (колишній Дуглас), пароплав, піднятий з дна моря та відновлений, катери. Перший рейс призначено на 6 ранку. До аеропорту "Халатирка" (м. Петропавловськ-Камчатський) комісія дісталася під час. Але літак вилетів раніше – відкрилося небо над Шумшу. Через кілька годин знайшовся вантажний ЛІ-2 і відбулося благополучне приземлення на смугу бази з підземними аеродромами, побудовану ще японцями. Шумшу - найпівнічніший острів у Курильській гряді. Тільки на північному заході з вод Охотського моря здіймається чудовий конус вулкана Аделаїд. Острів виглядає абсолютно рівним, як товстий млинець серед морських вод. На острові переважно прикордонники. Комісія прибула до південно-західного причалу. Там чекав військово-морський катер, який швидко помчав до порту Північно-Курильська. На палубі окрім комісії кілька пасажирів. Біля борту матрос із дівчиною щось захоплено кажуть. Катер повним ходом влітає на акваторію порту. Рульовий по ручному телеграфу дає сигнал у машинне відділення: "Дзінь-дзинь", і ще "Дзінь-дзинь" - ніякого ефекту! Раптом матрос біля борту стрімголов летить униз. Дещо пізно - катер досить сильно врубається в дерев'яні огорожі борту рибальської шхуни. Літять тріски, люди мало не падають. Матроси мовчки без жодних емоцій причалили катер. Така специфіка служби Далекому Сході.

У поїздці було всяке: і дрібний дощ, краплі якого летіли майже паралельно землі, дрібний і жорсткий бамбук - місце існування ведмедів, і величезна "авоська", в яку завантажили пасажирів (жінку з дитиною в центр) і піднімали паровою лебідкою на палубу відновленого корабля через велику штормову хвилю, і вантажівка ГАЗ-51, у відкритому кузові якої комісія перетинала острів Кунашир від Тихого океану до Охотського узбережжя і який на півдорозі у величезній калюжі розгортався багато разів - передні колеса в одному клеї, задні в іншій - доти , Доки колія не була виправлена ​​звичайною лопатою, і лінія прибою біля входу в нерестовий струмок, відмічена суцільною смугою червоної ікри лосося.

Комісія встановила, що поки що єдиним сейсмічним приладом, здатним виконати завдання служби попередження про цунамі, може бути лише механічний сейсмограф із реєстрацією на закопченому папері. Сейсмографи були розроблені в сейсмометричній лабораторії Інституту фізики Землі АН. Сейсмограф із малим збільшенням 7 та сейсмограф із збільшенням 42 надійшли на оснащення спеціально побудованих цунамі-станцій. Барабани з закопченим папером рухалися пружинними годинниковими механізмами. Вага маси сейсмографа зі збільшенням 42 набиралася із залізних дисків і становила 100 кг. У цьому завершилася епоха механічних сейсмографів.

Відбулося засідання Президії АН, присвячене виконанню Урядової Постанови. Голова академік Несміянов з великою імпозантною засмаглою особою, невеликого зростання академік-секретар Топчієв, члени Президії. Доповідав відомий сейсмолог Є.Ф.Саваренський, демонструючи фото на повне зростання механічний сейсмограф [Кірнос Д.П., Риков А.В., 1961] . У дискусії взяв участь академік Арцимович: "Проблема цунамі вирішується легко перенесенням усіх об'єктів на березі на висоти понад 30 метрів!" . Економічно це неможливо і не вирішується питання про одиниці Тихоокеанського флоту.

У другій половині ХХ століття настала епоха електронних сейсмографів. На маятники сейсмометрів в електронних сейсмографах розміщуються параметричні перетворювачі. Свою назву вони отримали від терміна – параметр. Як змінний параметр може служити ємність повітряного конденсатора, індуктивний опір високочастотного трансформатора, опір фоторезистора, провідність фотодіода під променем світлодіода, датчик Холла і все, що траплялося під руку винахідникам електронного сейсмографа. Серед критеріїв вибору головними виявилися простота пристрою, лінійність, мінімальний рівень власного шуму, економічність в електроживленні. Головними перевагами електронних сейсмографів перед сейсмографами з гальванометричною реєстрацією полягають у тому, що а) спад частотної характеристики у бік низьких частот відбувається залежно від частоти сигналу не як f^3 , бо як f^2 - тобто. набагато повільніше, б) є можливість використовувати електричний вихід сейсмографа в сучасних самописцях, а, головне, у застосуванні цифрової техніки вимірювання, накопичення та обробки інформації; с) можливість впливати на всі параметри сейсмометра за допомогою добре відомого автоматичного регулювання за допомогою зворотних зв'язків (ОС) ) [ Риков А.В., 1963 ] . Однак пункт с) має свою специфіку застосування у сейсмометрії. За допомогою ОС формують частотну характеристику, чутливість, точність та стабільність сейсмометра. Відкритий спосіб збільшення власного періоду коливань маятника за допомогою негативної ОС, що невідомо ні в автоматичному регулюванні, ні в сейсмометрії, що існує в світі [ Риков А.В., ].

У Росії її чітко сформульовано явище плавного переходу інерційної чутливості вертикального і горизонтального сейсмометра у його чутливість гравітаційну принаймні зниження частоти сигналу [Риков А.В.,1979]. При високій частоті сигналу переважає інерційна поведінка маятника, при дуже низькій частоті інерційний ефект знижується настільки, що переважає гравітаційний сигнал. Що це означає? Наприклад, при вертикальних коливаннях ґрунту виникають як інерційні сили, що змушують маятник зберігати своє положення в просторі, так і зміна сил тяжіння через зміну відстані приладу від центру Землі. При збільшенні відстані між масою та центром Землі сила тяжіння зменшується і маса отримує додаткову силу, що піднімає маятник нагору. І, навпаки, при опусканні приладу - маса отримує додаткову силу, що її вниз.

Для високих частот коливань ґрунту інерційний ефект у багато разів більший за гравітаційний. На низьких частотах все навпаки – прискорення надзвичайно малі та інерційний ефект практично дуже малий, а ефект зміни сили тяжіння для маятника сейсмометра буде у багато разів більшим. Для горизонтального сейсмометра ці явища виявлятимуться при відхиленні осі гойдання маятника від лінії схилу, що визначається все тією ж силою тяжіння. Для наочності амплітудна частотна характеристика вертикального сейсмометра показано на фіг.1. Наочно показано, як із зменшенням частоти сигналу відбувається перехід чутливості сейсмометра від інерційної до гравітаційної. Без урахування цього переходу неможливо пояснити те, що гравіметри і сейсмометри здатні записувати місячно-сонячні припливи Відповідно до традиціонування потрібно було б продовжити лінію "швидкість" до такої малої чутливості, що припливи, що мають періоди до 25 годин і амплітуду в Москві 0,3 м, не могли б бути виявлені. Приклад запису припливу та нахилу в приливній хвилі показано на фіг.2. Тут Z - запис усунення Земної поверхні в Москві за 45 годин, Н - запис нахилу в припливній хвилі. Чітко видно, що максимальний нахил не на горб припливу, але в схил приливної хвилі.

Таким чином, характерними рисами сучасних електронних сейсмографів є широкосмугова частотна характеристика від 0 до 10 Гц коливань Землі і цифровий спосіб вимірювання цих коливань. Те, що Беньеоф в 1964 р. спостерігав власні коливання Землі після сильного землетрусу за допомогою стрейнметрів (деформографів) зараз доступно рядовому електронному сейсмографу. 28, 1964 Наслідки того землетрусу ще добре видно, у тому числі й по величезних площах вимерлого лісу, оскільки сталося опускання частини суші протягом 500 км, у деяких випадках до 16 м, і в багатьох місцях у ґрунтові води пішла морська вода, ліс помер. Прим.Ред).

На фіг.3 показано радіальне (вертикальне) коливання Землі на основному тоні 3580 сек. після землетрусу.

Фіг.3. Вертикальна Z та горизонтальна H компоненти запису коливання після землетрусу в Ірані, 14.03.98, М = 6.9. Видно, що переважають радіальні коливання над крутильними, що мають горизонтальну орієнтацію.

Покажемо на фіг.4, як виглядає трикомпонентний запис сильного землетрусу після перетворення цифрового файлу візуальний.

Фіг.4. Зразок цифрового запису землетрусу в Індії, М=7.9, 26.01.2001, отриманої на широкосмуговій станції КСЕШ-Р, що постійно діє.

Добре видно перші вступи двох поздовжніх хвиль до 25 хвилин, далі на горизонтальних сейсмографах вступає поперечна хвиля приблизно на 28 хвилин і хвиля Лява на 33 хвилин. На середній вертикальній компоненті хвиля Лява відсутня (вона горизонтальна), а далі починається хвиля Релея (38 хвилина), яка видна і на горизонтальних, і на вертикальній трасах.

На фото № 3 .4 можна побачити сучасний електронний вертикальний сейсмометр, за допомогою якого показано приклади записів припливу, власних коливань Землі та запису сильного землетрусу. Добре видно основні елементи конструкції вертикального маятника: два диски маси загальною вагою 2 кг, дві циліндричні пружини для компенсації сили тяжіння Землі та утримування маси маятника в горизонтальному положенні. Між масами на підставі приладу розташований циліндричний магніт, повітряний зазор якого входить котушка дроту. Котушка входить у конструкцію маятника. У середині "виглядає" електронна плата ємнісного перетворювача. Повітряний конденсатор розташований за магнітом і має малий розмір. Площа конденсатора лише 2 см(+2). Магніт із котушкою служить для силового впливу за допомогою ОС зі зміщення, швидкості та інтеграла від зсуву на маятник. ОС забезпечують АЧХ, представленої на фіг.1, стабільність сейсмометра в часі і високу точність вимірювання коливань ґрунту близько сотої відсотка.

Фото № 34. Вертикальний сейсмометр установки КСЕШ-Р зі знятим корпусом.

У міжнародній практиці набули визнання та поширення сейсмографи Віланда-Стрекайзена. Ці прилади прийняті за основу Світової мережі цифрових сейсмічних спостережень (IRIS). Частотна характеристика сейсмометрів IRIS подібна до АЧХ, зображеної на фіг.1. Відмінність у тому, що з частот менше 0,0001 Гц сейсмометри Виланда сильніше " затиснуті " інтегральної ОС, що призвело до більшої тимчасової стабільності, але знизило чутливість на наднизьких частотах проти сейсмографами КСЕШ приблизно 3 разу.

Електронні сейсмометри здатні відкривати екзотичні чудеса, які можуть бути оскарженими. Професор Е.М.Ліньков в Університеті м.Петергофа за допомогою магнетронного вертикального сейсмографа інтерпретував коливання з періодами 5 - 20 днів як "поплавкові" коливання Землі на орбіті навколо Сонця. Відстань між Землею і Сонцем залишається традиційною, а Земля дещо коливається як на прив'язі по поверхні еліпсоїда з подвійною амплітудою до 400 мк. Проглядався зв'язок цих коливань із сонячною активністю [додатково можна переглянути 22].

Таким чином, сейсмографи за ХХ століття активно вдосконалювалися. Початок революційного початку цього процесу поклав князь Борис Борисович Голіцин - російський учений. На черзі очікуються нові технології в інерційних та гравітаційних способах вимірювання. Не виключено, що саме електронні сейсмографи зможуть нарешті виявити гравітаційні хвилі у Всесвіті.

Література

1. Golitzin B. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 2, ст. 2, 1906.

2. Голіцин Б.Б. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 3, ст. 1, 1907.

3. Голіцин Б.Б. Изв. Постійної сейсмічної комісії АН 4, ст. 2, 1911.

4. Голіцин Би., Лекції з сейсмометрії, вид. АН, СпБ., 1912.

5. Є.Ф.Саваренський, Д.П.Кірнос, Елементи сейсмології та сейсмометрії. Вид. Друге, перероблене, Держ. Вид. Техн.-теор. Літ., М.1955 р.

6. Апаратура м методика сейсмометричних спостережень у СРСР. Вид-во " Наука " , М. 1974 р.

7. Д.П.Кірнос. Праці Геофіз. Ін-та АН СРСР, № 27 (154), 1955

8. Д.П.Кірнос та А.В.Риков. Спеціальна швидкодіюча сейсмічна апаратура для сповіщення про цунамі. Бюлл. Ради із сейсмології, " Проблеми цунамі " , № 9, 1961 р.

9. А.В.Риков. Вплив зворотного зв'язку параметри маятника. Изв. АН СРСР, сірий. Геофіз., № 7, 1963 р.

10. А.В.Риков. До проблеми спостережень коливань Землі. Апаратура, методи та результати сейсмометричних спостережень. М., "Наука", Зб. "Сейсмічні прилади", вип. 12, 1979 р.

11. А.В.Риков. Сейсмометр та коливання Землі. Изв. Російській АН, сір. Фізика Землі, М., "Наука", 1992 р.

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.Риков, І.П.Башилов. Надширокосмуговий цифровий комплект сейсмометрів. Зб. "Сейсмічні прилади", вип. 27, М., Вид-во ОІФЗ РАН, 1997

15. К.Крилов Сильний землетрус у Сіетлі 28 лютого 2001 р. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html

16. К.Крилов Катастрофічне землетрус в Індії 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 це найсильніші землетруси у світі.

22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Провісники землетрусів у навколоземному космічному просторі - У журналі "Уранія" з'явилася нова стаття (російською та англійською мовами). Робота співробітників МІФІ присвячена передбаченню землетрусів за супутниковими спостереженнями.

Сейсмограф- прилад, що реєструє коливання ґрунту при землетрусі. Сьогодні це складні електронні пристрої. Сучасні сейсмографи мали свої попередники. Перший сейсмограф був винайдений у 132 р. у Китаї, а справжні сейсмографи з'явилися у 1890-ті роки. У сучасному сейсмографі використовується властивість інерції (властивість зберігати початковий стан спокою чи рівномірного руху). Вперше інструментальні спостереження з'явилися торік у Китаї, де у 132 р. Чан-Хен винайшов сейсмоскоп, що був майстерно зроблений посудину. На зовнішній стороні судини з розміщеним усередині маятником по колу вигравірували голови драконів, що тримали в пащі кульки. При коливанні маятника від землетрусу одна або кілька кульок випадали у відкриті роти жаб, розміщених біля підстави судин таким чином, щоб жаби могли їх проковтнути. Сучасний сейсмограф є комплект приладів, що реєструють коливання грунту при землетрусі і перетворюють їх на електричний сигнал, що записується на сейсмограмах в аналоговій і цифровій формі. Однак, як і раніше, основним чутливим елементом є маятник з вантажем.

Сейсмічні хвилі проходять усередині земної кулі у тих місцях, які недоступні спостереженню. Все, що вони зустрічають на шляху, так чи інакше їх зраджує. Тому аналіз сейсмічних хвиль допомагає з'ясувати внутрішню будову Землі.

За допомогою сейсмографа можна оцінити енергію землетрусу. Порівняно слабкі землетруси звільняють енергію близько 10 000 кг/м, тобто. достатню, щоб підняти вантаж вагою 10 тонн на висоту 1 м. Цей енергетичний рівень приймається за нуль, землетрусу, що має в 100 разів більше енергії, відповідає 1, ще в 100 разів сильнішому відповідають 2 одиниці шкали. Така шкала називається шкалою Ріхтера на вшанування відомого американського сейсмолога з Каліфорнії Ч. Ріхтера. Число в такій шкалі називається магнітудою і позначається М. У самій шкалі верхня межа не передбачена, тому шкалу Ріхтера називають відкритою. Насправді сама Земля створює практичну верхню межу. Найсильніші із зареєстрованих землетрусів мали магнітуду 8,9. Таких землетрусів із початку інструментальних спостережень зареєстровано два, обидва під океаном. Одне сталося в 1933 році біля берегів Японії, інше - в 1906 році біля берегів Еквадору. Таким чином, магнітуда землетрусу характеризує кількість енергії, що виділяється вогнищем на всі боки. Ця величина залежить ні від глибини вогнища, ні від відстані до пункту спостереження. Сила прояву землетрусу залежить не тільки від магнітуди, а й від глибини вогнища (чим ближче вогнище до поверхні, тим більша сила його прояву), від якості ґрунтів (чим більш рихлий і нестійкий ґрунт, тим більша сила прояву). Має значення, звісно, ​​і якість наземних споруд. Сила прояву землетрусу на земній поверхні визначається за шкалою Меркаллі в балах. Бали відзначаються цифрами від І до ХІІ.

Прилад для запису коливань земної поверхні під час землетрусів або вибухів

Анімація

Опис

Сейсмографи (СФ) використовують для виявлення та реєстрації всіх типів сейсмічних хвиль. Принцип дії сучасних СФ ґрунтується на властивості інерції. Будь-який СФ складається з сейсмоприймача або сейсмометра та реєструючого (записуючого) пристрою. Головною частиною СФ є інерційне тіло – вантаж, що підвішений на пружині до кронштейна, який жорстко кріпиться до корпусу (рис. 1).

Загальний вигляд найпростішого сейсмографа для реєстрації вертикальних коливань

Рис. 1

Корпус СФ закріплений у твердій гірській породі і тому починає рухатися при землетрусі, причому в силу властивості інерції вантаж-маятник відстає від руху грунту. Для отримання запису сейсмічних коливань (сейсмограми) служить барабан самописця з паперовою стрічкою, що обертається з постійною швидкістю, прикріплений до корпусу СФ, і перо, пов'язане з маятником (див. рис. 1). Вектор переміщення земної поверхні визначається горизонтальними та вертикальними компонентами; відповідно будь-яка система для сейсмічних спостережень складається з горизонтальних (для реєстрації зсувів по осях X, Y) і вертикального (для реєстрації зсувів по осі Z) сейсмометрів.

Для сейсмометрів найчастіше застосовують маятники, центр коливань яких зберігає відносний спокій або відстає від руху земної поверхні, що коливається, і пов'язаної з нею віссю підвісу. Ступінь спокою центру коливань сейсмоприймача характеризує його роботу і визначається ставленням періоду T п коливань ґрунту до періоду Т власних коливань маятника сейсмоприймача. Якщо T п ¤ T мало, то центр хитання практично нерухомий і коливання грунту відтворюються без спотворень. При T п ¤ T близькому до 1 можливі спотворення через резонанс. При великих значеннях T п ¤ T , коли рухи ґрунту дуже повільні, властивості інерції не виявляються, центр хитань рухається практично як єдине ціле з ґрунтом і сейсмоприймач перестає фіксувати коливання ґрунту. Під час реєстрації коливань у сейсмічній розвідці період власних коливань становить кілька сотих чи десятих часток секунди. При реєстрації коливань від місцевих землетрусів період може бути ~ 1 сек, а при віддалених на тис км землетрусах повинен мати порядок 10 сек.

Принцип дії УФ може бути пояснений такими рівняннями. При переміщенні ґрунту вгору на величину Z вздовж осі Z (переносний рух) маса М через інерцію відстає і зміщується по осі Z вниз на величину z (відносний рух), що породжує силу розтягування в пружині – cz (c – жорсткість пружини). Ця сила під час руху повинна врівноважуватися силою інерції абсолютного руху:

M d 2 z¤ dt 2 = - cz,

де z = Z – z.

Звідси випливає рівняння:

d 2 z ¤ dt 2 + cz ¤ M = d 2 Z ¤ dt 2 ,

рішення якого пов'язує справжнє зміщення ґрунту Z із спостережуваним z .

Тимчасові характеристики

Час ініціації (log to від -3 до -1);

час існування (log tc від -1 до 3);

Час деградації (log td від -3 до -1);

Час оптимального прояву (log tk від -1 до 1).

Діаграма:

Технічні реалізації ефекту

Горизонтальний сейсмометр типу СКГД

Загальний вигляд горизонтального сейсмометра типу СКГД показано на рис. 2.

Схема горизонтального сейсмометра СКГД

Рис. 2

Позначення:

2 – магнітна система;

3 - котушка перетворювача;

4 - струбцина підвісу;

5 – підвісна пружина.

Прилад складається з маятника 1 підвішеного на струбціні 4 до стійки, укріпленої на підставі приладу. Загальна вага маятника близько 2 кг; наведена довжина близько 50см. Пластинчаста пружина напружена. У укріпленій на маятнику рамці знаходиться плоска індукційна котушка 3 має три обмотки з мідного ізольованого дроту. Одна обмотка служить для реєстрації руху маятника і до неї підключений ланцюг гальванометра. Друга обмотка служить для регулювання загасання сейсмометра, і до неї підключається опір, що демпфує. Крім того, є третя обмотка для подачі контрольного імпульсу (те ж і у вертикальних сейсмометрів). На підставі приладу укріплений постійний магніт 2 у повітряному зазорі якого знаходяться середні частини обмоток. Магнітна система забезпечена магнітним шунтом, що є дві пластини з м'якого заліза, переміщення яких викликає зміну сили магнітного поля в повітряному зазорі магніту і, отже, зміна постійної згасання.

На кінці маятника укріплена плоска стрілка, під якою розташована шкала з міліметровими поділами та збільшувальна лінза, через яку розглядають шкалу та стрілку. Положення стрілки можна відрахувати за шкалою з точністю до 0,1 мм. Основа маятника забезпечена трьома настановними гвинтами. Два бічні служать для установки маятника в нульове положення. Передній настановний гвинт служить регулювання періоду своїх коливань маятника. Для захисту маятника від різних перешкод прилад поміщений у металевий захисний футляр.

Застосування ефекту

СФ, що використовуються для реєстрації коливань ґрунту при землетрусах або вибухах, входять до складу як постійно діючих, так і мобільних сейсмічних станцій. Існування глобальної мережі сейсмічних станцій дозволяє з високою точністю визначати параметри практично будь-яких землетрусів, що відбуваються в різних регіонах Земної кулі, а також досліджувати за характеристиками поширення сейсмічних хвиль різних типів внутрішню будову Землі. До основних параметрів землетрусу насамперед відносяться: координати епіцентру, глибина вогнища, інтенсивність, магнітуда (енергетична характеристика). Зокрема, для розрахунку координат сейсмічної події необхідні дані про часи приходу сейсмічних хвиль як мінімум на три сейсмостанції, що знаходяться на достатній відстані одна від одної.

Сейсмограф(від др.-грец. σεισμός - землетрус та ін.-грец. γράφω - записувати) або сейсмометр- Вимірювальний прилад, який використовується в сейсмології для виявлення та реєстрації всіх типів сейсмічних хвиль. Прилад для визначення сили та напрямки землетрусу.

Перша відома спроба виготовити прилад, що передбачає землетрусу, належить китайському філософу та астроному ЧжанХену.

ЧжанХен винайшов пристрій, якому дав ім'я Хоуфен » і яке могло фіксувати коливання земної поверхні та напрямок їх поширення.

Хоуфен і став першим у світі сейсмографом. Прилад складався з великої бронзової судини діаметром 2 м, на стінках якої розташовувалися вісім голів дракона. Щелепи у драконів розкривалися, і в кожного в пащі була куля.

Усередині судини був маятник з тягами, прикріпленими до голов. В результаті підземного поштовху маятник починав рухатися, діяв на голови, і куля випадала з пащі дракона у відкритий рот однієї з восьми жаб, що сиділи біля основи судини. Прилад вловлював підземні поштовхи на відстані 600 км від нього.

1.2. Сучасні сейсмографи

Перший сейсмографсучасної конструкції винайшов російський учений, князь Б. Голіцинякий використовував перетворення механічної енергії коливань в електричний струм.

Конструкція досить проста: вантаж підвішується на вертикально або горизонтально розташованій пружині, а до іншого кінця вантажу кріпиться перо самописця.

Папірна стрічка, що обертається, служить для запису коливань вантажу. Чим сильніший поштовх, тим далі відхиляється перо і довше коливається пружина.

Вертикальний вантаж дозволяє реєструвати горизонтально спрямовані поштовхи, і, навпаки, горизонтальний самописець записує поштовхи у вертикальній площині.

Як правило, горизонтальний запис ведеться у двох напрямках: північ-південь та захід-схід.

У сейсмології в залежності від розв'язуваних задач використовуються різні види сейсмографів: механічний, оптичний або електричний з різними видами посилень та методами обробки сигналу. Механічний сейсмограф включає чутливий елемент (зазвичай маятник та демпфер) та самописець.

Основа сейсмографа жорстко пов'язана з об'єктом, що досліджується, при коливаннях якого виникає рух вантажу щодо підстави. Записується сигнал аналогової формі на самописцях з механічним записом.

1.3. Створення сейсмографа

Матеріали: Картонна коробка; шило; стрічка; пластилін; олівець; фломастер; мотузка або міцна нитка; шматок тонкого картону.

Рамою для сейсмографа стане картонна коробка. Потрібно, щоб вона була зроблена досить жорсткого матеріалу. Відкритий її бік буде лицьовою частиною приладу.

Треба зробити шилом отвір у верхній кришці майбутнього сейсмографа. Якщо жорсткості для « рами» не вистачає, треба обклеїти скотчем кути та ребра коробки, зміцнивши її, як показано на фотографії.

Скачати кульку з пластиліну і зробити в ньому отвір олівцем. Проштовхнути фломастер в отвір таким чином, щоб кінчик його ненабагато висовувався з протилежного боку пластилінової кульки.

Це покажчик сейсмографа, призначений у тому, щоб креслити лінії земних вібрацій.

Пропустити кінець нитки через дірочку у верхній частині коробки. Встановити коробку на нижню сторону і підтягнути нитку таким чином, щоб фломастер був вільно підвішений.

Прив'яжіть верхній кінець нитки до олівця і обертайте олівець навколо осі, доки виберете слабину нитки. Коли фломастер повисне на потрібній висоті (тобто лише злегка торкатися дна коробки), зафіксуйте олівець дома за допомогою скотчу.

Підсунути листок картону під кінчик фломастера на дно коробки. Відрегулювати все так, щоб кінчик фломастеру легко торкався картону та міг залишати лінії.

Сейсмограф готовий до роботи. Він використовує той самий принцип дії, як і справжнє обладнання. Обважнений підвіс, або маятник, буде більш інерційним по відношенню до тряски, ніж рамка.

Щоб перевірити пристрій на ділі, нема чого чекати землетрусу. Просто треба струсити рамку. Підвіс залишиться на місці, але почне креслити лінії на картонці, як справжнісінький.

Складно уявити, але щорічно на нашій планеті відбувається близько мільйона землетрусів! Зрозуміло, переважно це слабкі підземні поштовхи. Землетруси руйнівної сили трапляються значно рідше в середньому раз на два тижні. На щастя, більшість із них відбуваються на дні океанів і не завдають жодних неприємностей людству, якщо тільки в результаті сейсмічних зміщень не виникає цунамі.

Про катастрофічні наслідки землетрусів знає кожен: тектонічна активність пробуджує вулкани, гігантські приливні хвилі змивають в океан цілі міста, розломи та зсуви руйнують будівлі, викликають пожежі та повені та забирають сотні та тисячі людських життів.

Тому люди за всіх часів прагнули вивчити землетруси та запобігти їх наслідкам. Так, Аристотель у IV ст. до в. е. вважав, що атмосферні вихори впроваджуються в землю, де багато порожнеч і щілин. Вихори посилюються вогнем і шукають вихід, викликаючи землетруси та виверження вулканів. Також Аристотель спостерігав за рухами ґрунту при землетрусах та спробував дати їх класифікацію, виділивши шість типів рухів: вгору-вниз, з боку в бік тощо.

Перша відома спроба виготовити прилад, що передбачає землетрус, належить китайському філософу та астроному Чжан Хену. У Китаї ці стихійні лиха траплялися і трапляються надзвичайно часто, більше того, три з чотирьох найбільших в історії людства землетрусів сталися в Китаї. І в 132 р. Чжан Хен винайшов пристрій, якому дав ім'я Хоуфен «флюгер землетрусів» і який міг фіксувати коливання земної поверхні та напрямок їх поширення. Хоуфен і став першим у світі сейсмографом (від грец. Seismos "Коливання" і grapho "пишу") приладом для виявлення та реєстрації сейсмічних хвиль.

Наслідки землетрусу в Сан-Франциско 1906 р.

Строго кажучи, прилад був скоріше сейсмоскопом (від грец. Skopeo «дивлюся»), тому що запис його показань вевся не автоматично, але рукою спостерігача.

Хоуфен був виготовлений з міді у формі судини для вина діаметром 180 см та тонкими стінками. Зовні судини розташовувалися вісім драконів. Голови драконів вказували на вісім напрямків: схід, південь, захід, північ, північний схід, південний схід, північний захід та південний захід. Кожен дракон тримав у роті мідну кульку, а під його головою сиділа жаба з відкритим ротом. Передбачається, що всередині судини вертикально встановлено маятник з тягами, які прикріплювалися до голів драконів. Коли в результаті підземного поштовху маятник приходив у рух, тяга, з'єднана з головою, зверненою у бік поштовху, розкривала пащу дракона, і куля з неї викочувалась у рот відповідної жаби. Якщо викочувалися дві кульки, можна було припустити силу землетрусу. Якщо пристрій знаходився в епіцентрі, то викочувалися всі кульки. Спостерігачі інструменту могли негайно зробити запис про час та напрямок землетрусу. Прилад був дуже чутливим: він уловлював навіть слабкі підземні поштовхи, епіцентр яких був за 600 км від нього. У 138 р. цей сейсмограф точно вказав на землетрус, який стався в області Луньсі.

У Європі ж серйозно вивчати землетруси почали значно пізніше. У 1862 р. вийшла у світ книга ірландського інженера Роберта Малета «Великий неаполітанський землетрус 1857: основні принципи сейсмологічних спостережень». Малет здійснив експедицію до Італії та склав карту ураженої території, розділивши її на чотири зони. Введені Малетом зони є першою, досить примітивною, шкалою інтенсивності струсів.

Але сейсмологія як наука почала розвиватися тільки з повсюдною появою та впровадженням у практику приладів для реєстрації коливань ґрунту, тобто з появою наукової сейсмометрії.

У 1855 р. італієць Луїджі Пальмієрі винайшов сейсмограф, здатний реєструвати віддалені землетруси. Діяв він за таким принципом: при землетрусі ртуть проливалася з кулястого об'єму спеціальний контейнер залежно від напрямку коливань. Індикатор контакту з контейнером зупиняв годинник, вказуючи точний час, і запускав запис коливань землі на барабан.

У 1875 р. ще один італійський учений, Філіппо Секі, сконструював сейсмограф, який включав годинник у момент першого поштовху і записував перше коливання. Перший сейсмічний запис, що дійшов до нас, зроблено саме за допомогою цього приладу в 1887 р. Після цього почався швидкий прогрес у галузі створення інструментів для реєстрації коливань ґрунту. У 1892 р. група англійських вчених, що працювали в Японії, створила перший досить зручний у користуванні прилад сейсмограф Джона Мілна. Вже 1900 р. функціонувала світова мережу з 40 сейсмостанцій, обладнаних приладами Мілна.

Сейсмограф складається з маятника тієї чи іншої конструкції та системи реєстрації його коливань. За способом реєстрації коливань маятника сейсмограф можна розділити на прилади з прямою реєстрацією, перетворювачі механічних коливань і сейсмографи зі зворотним зв'язком.

Сейсмографи із прямою реєстрацією використовують механічний або оптичний спосіб запису. Спочатку при механічному способі запису на кінці маятника містилося перо, подряпане лінію на закопченому папері, яку потім покривали закріплюючим складом. Але на маятник сейсмографа з механічною реєстрацією сильний вплив має тертя пера об папір. Щоб зменшити цей вплив, потрібна дуже велика маса маятника.

При оптичному способі запису на осі обертання зміцнювалося дзеркальце, яке освітлювалося через об'єктив, а відбитий промінь потрапляв на фотопапір, намотаний на барабан, що обертається.

Спосіб прямої реєстрації досі використовується у сейсмічно активних зонах, де рухи ґрунту досить великі. Але для реєстрації слабких землетрусів і великих відстанях від вогнищ потрібно посилювати коливання маятника. Це здійснюється різними перетворювачами механічних переміщень електричний струм.

Схема поширення сейсмічних хвиль від вогнища землетрусу, або гіпоцентру (внизу) та епіцентру (вгорі).

Перетворення механічних коливань вперше запропонував російський учений Борис Борисович Голіцин у 1902 р. це була гальванометрична реєстрація, заснована на електродинамічному способі. Жорстко скріплена з маятником індукційна котушка містилася у полі постійного магніту. При коливаннях маятника магнітний потік змінювався, у котушці виникала електрорушійна сила і струм реєструвався дзеркальним гальванометром. На дзеркальці гальванометра прямував промінь світла, і відбитий промінь, як і за оптичного способу, падав на фотопапір. Подібні сейсмографи завоювали всесвітнє визнання на багато десятиліть уперед.

Останнім часом набули поширення так звані параметричні перетворювачі. У цих перетворювачах механічне переміщення (рух маси маятника) викликає зміну будь-якого параметра електричного ланцюга (наприклад, електричного опору, ємності, індуктивності, світлового потоку тощо).

Б. Голіцин.

Штольня сейсмологічної станції. Встановлена ​​там апаратура фіксує навіть найменші коливання ґрунту.

Пересувна установка для геофізичних та сейсмологічних досліджень.

Зміна цього параметра призводить до зміни струму ланцюга, і в цьому випадку саме зсув маятника (а не його швидкість) визначає величину електричного сигналу. З різноманітних параметричних перетворювачів у сейсмометрії в основному використовуються два фотоелектричні та ємнісні. Найбільшої популярності набув ємнісний перетворювач Беньофа. Серед критеріїв вибору головними виявилися простота пристрою, лінійність, мінімальний рівень власного шуму, економічність в електроживленні.

Сейсмографи бувають чутливі до вертикальних коливань землі або горизонтальних. Щоб спостерігати рух грунту у всіх напрямках, зазвичай використовують три сейсмографи: один з вертикальним маятником і два з горизонтальними, орієнтованими на схід та північ. Вертикальний і горизонтальний маятники розрізняються за своєю конструкцією, тому досить складним домогтися повної ідентичності їх частотних характеристик.

З появою комп'ютерів та аналого-цифрових перетворювачів функціональність сейсмовимірювального обладнання різко підвищилася. З'явилася можливість одночасно фіксувати та аналізувати у реальному часі сигнали з кількох сейсмодатників, враховувати спектри сигналів. Це забезпечило важливий стрибок в інформативності сейсмовимірювань.

Сейсмографи використовуються передусім вивчення самого явища землетрусу. З їхньою допомогою вдається визначити інструментальним способом силу землетрусу, місце його виникнення, частоту походження в даному місці та переважні місця виникнення землетрусів.

Устаткування сейсмологічної станції у Новій Зеландії.

Основні відомості про внутрішню будову Землі отримані також за сейсмічними даними шляхом інтерпретації полів сейсмічних хвиль, спричинених землетрусами та потужними вибухами, що спостерігаються на поверхні Землі.

За допомогою запису сейсмічних хвиль ведуться дослідження будови земної кори. Наприклад, дослідження 1950-х років показують, що потужності шарів кори, а також швидкості хвиль у них змінюються від місця до місця. У Середню Азію потужність кори сягає 50 км, а Японії -15 км. Створено мапу потужності земної кори.

Очікується, що скоро з'являться нові технології в інерційних та гравітаційних способах вимірювання. Не виключено, що саме сейсмографи нового покоління зможуть виявити гравітаційні хвилі у Всесвіті.

Запис сейсмографа

Вчені всього світу розробляють проекти створення супутникових систем попередження землетрусів. Один із таких проектів Інтеро-рометро-синтетичний апертурний радар (Interferometric-Synthetic Aperture Radar, InSAR). Цей радар, а точніше, радари, відстежує усунення тектонічних плит у певній області, і завдяки отриманим ними даним можна зафіксувати навіть малопомітні усунення. Вчені вважають, що завдяки такій чутливості можна точніше визначити ділянки підвищеної напруги сейсмонебезпечних зон.