Сейсмометр

Кинеметрический сейсмограф.

Сейсмометр , который реагирует на смещение и сотрясение грунта, вызванное , – это прибор например, землетрясениями , извержениями вулканов и взрывами . Обычно их объединяют с устройством измерения времени и записывающим устройством, образуя сейсмограф . Выходные данные такого устройства, ранее записанные на бумаге (см. рисунок) или пленке, а теперь записанные и обработанные в цифровом виде, представляют собой сейсмограмму . Такие данные используются для определения местоположения и характеристики , а также для изучения внутренней структуры Земли землетрясений .

Основные принципы

Базовый сейсмограф горизонтального движения. Инерция круглого груза удерживает ручку неподвижно, пока основание движется вперед и назад.

Простой сейсмометр, чувствительный к движениям Земли вверх-вниз, подобен грузу, подвешенному на пружине, подвешенной к раме, которая движется вместе с любым обнаруженным движением. Относительное движение между грузом (называемым массой) и рамой позволяет измерить вертикальное движение грунта . К раме прикреплен вращающийся барабан, а к грузу прикреплена ручка, таким образом записывая любое движение грунта на сейсмограмме .

Любое движение от земли перемещает раму. Масса имеет тенденцию не двигаться из-за своей инерции , и, измеряя движение между рамой и массой, можно определить движение земли.

Ранние сейсмометры использовали оптические рычаги или механические связи для усиления небольших движений, записывая их на покрытую сажей бумагу или фотобумагу. Современные инструменты используют электронику. В некоторых системах масса удерживается почти неподвижно относительно рамы с помощью электронной петли отрицательной обратной связи . Измеряется движение массы относительно рамы, а петля обратной связи применяет магнитную или электростатическую силу, чтобы удерживать массу практически неподвижной. Напряжение, необходимое для создания этой силы, является выходным сигналом сейсмометра, который регистрируется в цифровом виде.

В других системах грузу разрешено двигаться, и его движение создает электрический заряд в катушке, прикрепленной к массе, напряжение которого перемещается через магнитное поле магнита, прикрепленного к раме. Эта конструкция часто используется в геофонах , которые используются при разведке нефти и газа.

Сейсмические обсерватории обычно имеют инструменты, измеряющие три оси: север-юг (ось Y), восток-запад (ось X) и вертикальную (ось Z). Если измеряется только одна ось, обычно это вертикальная, поскольку она менее зашумлена и позволяет лучше регистрировать некоторые сейсмические волны.

Фундамент сейсмической станции имеет решающее значение. Профессиональную станцию ​​иногда устанавливают на скале . Наилучшие крепления могут быть установлены в глубоких скважинах, что позволяет избежать теплового воздействия, шума грунта и наклона из-за погодных условий и приливов. Другие приборы часто монтируются в изолированных корпусах на небольших подземных опорах из неармированного бетона. Арматурные стержни и заполнители могут деформировать опору при изменении температуры. Перед заливкой опоры и прокладкой трубопровода всегда исследуется площадка на предмет грунтового шума с помощью временной установки. Первоначально европейские сейсмографы размещались в определенной местности после разрушительного землетрясения. Сегодня они распределены для обеспечения соответствующего покрытия (в случае сейсмологии слабых движений ) или сконцентрированы в регионах повышенного риска ( сейсмология сильных движений ).

Номенклатура

Это слово происходит от греческого σεισμός, seismós , сотрясение или землетрясение, от глагола σείω, seíō , трясти; и μέτρον, метрон , измерять, и был придуман Дэвидом Милн-Хоумом в 1841 году для описания инструмента, разработанного шотландским физиком Джеймсом Дэвидом Форбсом .

Сейсмограф — еще один греческий термин, образованный от seismós и γράφω, grápho — рисовать. Его часто используют для обозначения сейсмометра , хотя он больше применим к старым приборам, в которых измерение и запись движения грунта были совмещены, чем к современным системам, в которых эти функции разделены. Оба типа обеспечивают непрерывную запись движения грунта; эта запись отличает их от сейсмоскопов , которые просто указывают на то, что движение произошло, возможно, с помощью какой-то простой меры того, насколько оно велико.

Техническая дисциплина, касающаяся таких устройств, называется сейсмометрией . раздел сейсмологии .

Концепция измерения «тряски» чего-либо означает, что слово «сейсмограф» можно использовать в более общем смысле. Например, станция мониторинга, отслеживающая изменения электромагнитных помех, влияющих на радиолюбительские волны, представляет собой радиочастотный сейсмограф . А гелиосейсмология изучает «землетрясения» на Солнце .

История

Первый сейсмометр был изготовлен в Китае во II веке. Его изобрел Чжан Хэн , китайский математик и астроном. Первое западное описание устройства принадлежит французскому физику и священнику Жану де Отфейлю в 1703 году. Современный сейсмометр был разработан в 19 веке.

Сейсмометры были размещены на Луне начиная с 1969 года в рамках пакета экспериментов на лунной поверхности «Аполлона» . В декабре 2018 года сейсмометр был развернут на планете Марс с помощью спускаемого аппарата InSight . Это был первый раз, когда сейсмометр был размещен на поверхности другой планеты.

древняя эпоха

Копия Чжан Хэна сейсмоскопа Хоуфэн Дидун И

Смотрите также: Список китайских изобретений

В Древнем Египте Аменхотеп , сын Хапу, изобрел предшественник сейсмометра: вертикальные деревянные столбы, соединенные деревянными желобами на центральной оси, которые служили для наполнения сосуда водой до тех пор, пока он не наполнится, для обнаружения землетрясений.

что в 132 году нашей эры Говорят , Чжан Хэн из китайской династии Хань изобрел первый сейсмоскоп (согласно приведенному выше определению), который назывался Хоуфэн Дидун И (что переводится как «инструмент для измерения сезонных ветров и движений Земли»). . Имеющееся у нас описание из « Истории поздней династии Хань » говорит, что это был большой бронзовый сосуд, около 2 метров в диаметре; в восьми точках вверху были головы драконов, держащие бронзовые шары. Во время землетрясения одна из пастей драконов открывалась и бросала свой шар в бронзовую жабу у основания, издавая звук и предположительно указывая направление землетрясения. По крайней мере, в одном случае, вероятно, во время сильного землетрясения в Ганьсу в 143 году нашей эры, сейсмоскоп показал землетрясение, хотя оно и не ощущалось. В доступном тексте говорится, что внутри судна находилась центральная колонна, способная передвигаться по восьми путям; Считается, что это относится к маятнику, хотя точно неизвестно, как он был связан с механизмом, который открывал пасть только одного дракона. Первое землетрясение, зафиксированное этим сейсмоскопом, предположительно произошло «где-то на востоке». Несколько дней спустя всадник с востока сообщил об этом землетрясении.

Ранние проекты (1259–1839)

К XIII веку сейсмографические устройства существовали в обсерватории Мараге (основанной в 1259 году) в Персии, хотя неясно, были ли они построены независимо или на основе первого сейсмоскопа. Французский физик и священник Жан де Отфей описал сейсмоскоп в 1703 году. в котором использовалась чаша, наполненная ртутью, которая попадала в один из восьми приемников, равномерно расположенных вокруг чаши, хотя нет никаких доказательств того, что он действительно сконструировал это устройство. Ртутный сейсмоскоп был сконструирован в 1784 или 1785 году Атанасио Кавалли . копию которого можно найти в университетской библиотеке в Болонье, а еще один ртутный сейсмоскоп был построен Никколо Каччиаторе в 1818 году. Джеймс Линд также построил сейсмологический инструмент неизвестной конструкции и эффективности (известный как сейсмическая машина) в конце 1790-х годов.

В то же время развивались маятниковые устройства. Неаполитанский натуралист Никола Чирилло создал сеть маятниковых детекторов землетрясений после землетрясения в Апулии 1731 года, где амплитуда была обнаружена с помощью транспортира для измерения раскачивающегося движения. Бенедиктинский монах Андреа Бина развил эту концепцию в 1751 году, заставив маятник оставлять следы на песке под механизмом, определяя как величину, так и направление движения. Неаполитанский часовщик Доменико Сальсано изготовил аналогичный маятник, который записывал с помощью кисти в 1783 году, назвав его гео-сисмометром , что, возможно, было первым использованием слова, похожего на сейсмометр . Натуралист Николо Зупо разработал прибор для одновременного обнаружения электрических возмущений и землетрясений (1784 г.).

Первое умеренно успешное устройство для определения времени землетрясения было изобретено Асканио Филомарино в 1796 году, который усовершенствовал маятниковый инструмент Сальсано, используя карандаш для отметок и используя волосы, прикрепленные к механизму, чтобы тормозить движение балансового колеса часов. . Это означало, что часы запускались только после землетрясения, что позволяло определить время землетрясения.

После землетрясения, произошедшего 4 октября 1834 года, Луиджи Пагани заметил, что ртутный сейсмоскоп, хранившийся в Болонском университете, полностью вылился и не дал полезной информации. Поэтому он разработал портативное устройство, которое использовало свинцовую дробь для определения направления землетрясения, при этом свинец падал в четыре контейнера, расположенных по кругу, для определения квадранта землетрясения. Он завершил работу над инструментом в 1841 году.

Проекты раннего Нового времени (1839–1880)

В ответ на серию землетрясений возле Комри в Шотландии был сформирован комитет в 1839 году в Соединенном Королевстве с целью производства более совершенных устройств для обнаружения землетрясений. Результатом этого стал сейсмометр с перевернутым маятником, сконструированный Джеймсом Дэвидом Форбсом , впервые представленный в отчете Дэвида Милн-Хоума в 1842 году, который записывал измерения сейсмической активности с помощью карандаша, помещенного на бумагу над маятником. Согласно отчетам Милна, предоставленные проекты не оказались эффективными. Именно Милн в 1841 году придумал слово «сейсмометр» для описания этого прибора. В 1843 году Милн сообщил о первом горизонтальном маятнике, который был использован в сейсмометре (хотя неясно, был ли он первоначальным изобретателем). После этих изобретений Роберт Маллет опубликовал в 1848 году статью, в которой предложил идеи конструкции сейсмометра, предполагая, что такое устройство должно будет регистрировать время, записывать амплитуды по горизонтали и вертикали и определять направление. Предложенный им проект был профинансирован, и была предпринята попытка строительства, но его окончательный проект не оправдал его ожиданий и страдал от тех же проблем, что и проект Forbes, поскольку был неточным и не записывал себя сам.

Карл Крейл сейсмометр построил в Праге между 1848 и 1850 годами, в котором использовался жесткий цилиндрический маятник с точечной подвеской, покрытый бумагой, нарисованный фиксированным карандашом. Цилиндр вращался каждые 24 часа, что позволяло определить приблизительное время данного землетрясения.

Луиджи Пальмьери , находящийся под влиянием статьи Малле 1848 года, изобрел сейсмометр в 1856 году, который мог регистрировать время землетрясения. В этом устройстве использовались металлические маятники, которые замыкали электрическую цепь с помощью вибрации, которая затем приводила в действие электромагнит, останавливавший часы. Сейсмометры Palmieri были широко распространены и использовались в течение длительного времени.

К 1872 году комитет в Соединенном Королевстве во главе с Джеймсом Брайсом выразил свое недовольство имеющимися в настоящее время сейсмометрами, все еще использующими большое устройство Forbes 1842 года, расположенное в приходской церкви Комри, и запросил сейсмометр, который был бы компактным, простым в установке и легко читаемым. . В 1875 году они остановились на большом образце устройства Малле, состоящем из набора цилиндрических штырей разных размеров, установленных под прямым углом друг к другу на песчаном дне, где более сильные землетрясения могли бы сбить более крупные штифты. Это устройство было построено в «Доме землетрясений» недалеко от Комри, который можно считать первой в мире специально построенной сейсмологической обсерваторией. По состоянию на 2013 год ни одно землетрясение не было достаточно сильным, чтобы привести к падению какого-либо цилиндра как в оригинальном устройстве, так и в его копиях.

Первые сейсмографы (1880-)

Первые сейсмографы были изобретены в 1870-х и 1880-х годах. Первый сейсмограф был произведен Филиппо Чекки примерно в 1875 году. Сейсмоскоп запускал устройство для начала записи, а затем записывающая поверхность автоматически создавала графическую иллюстрацию толчков (сейсмограмму). Однако инструмент не был достаточно чувствительным, и первая сейсмограмма, полученная с помощью инструмента, была получена в 1887 году, когда Джон Милн уже продемонстрировал свою конструкцию в Японии .

Горизонтальный маятниковый сейсмометр Милна. Одна из важных культурных ценностей Японии . Экспонат Национального музея природы и науки , Токио , Япония .

В 1880 году первый горизонтальный маятниковый сейсмометр был разработан командой Джона Милна , Джеймса Альфреда Юинга и Томаса Грея , которые работали советниками иностранного правительства в Японии с 1880 по 1895 год. Милн, Юинг и Грей, которые были наняты правительством Мэйдзи в предыдущие пять лет для оказания помощи усилиям Японии по модернизации , основали Сейсмологическое общество Японии в ответ на землетрясение, которое произошло 22 февраля 1880 года в Иокогаме (Йокогамское землетрясение). ). В течение следующего года Юинг сконструировал два прибора: один - сейсмометр с обычным маятником, а другой - первый сейсмометр, использующий затухающий горизонтальный маятник. Инновационная система записи впервые позволила вести непрерывную запись. Первая сейсмограмма была записана 3 ноября 1880 года обоими приборами Юинга. Современные сейсмометры в конечном итоге произошли от этих конструкций. Милна называют «отцом современной сейсмологии». а его конструкция сейсмографа была названа первым современным сейсмометром.

Это привело к первому эффективному измерению горизонтального движения. Грей разработал первый надежный метод записи вертикального движения, который позволил получить первые эффективные трехосные записи.

Ранний сейсмометр специального назначения представлял собой большой стационарный маятник со щупом на дне. Когда Земля начала двигаться, тяжелая масса маятника имела инерцию , чтобы оставаться неподвижной в пределах кадра . В результате стилус нацарапал узор, соответствующий движению Земли. Этот тип сейсмометра сильных движений записывал на дымчатом стекле (стекле с углеродистой сажей ). Хотя этот инструмент недостаточно чувствителен для обнаружения отдаленных землетрясений, он может указать направление волн давления и, таким образом, помочь найти эпицентр местного землетрясения. Такие инструменты были полезны при анализе землетрясения в Сан-Франциско 1906 года . Дальнейший анализ был проведен в 1980-х годах с использованием этих ранних записей, что позволило более точно определить первоначальное местоположение разлома в округе Марин и его последующее распространение, в основном на юг.

Позже в профессиональных наборах инструментов для всемирной стандартной сейсмографической сети один набор инструментов был настроен на колебания с частотой пятнадцать секунд, а другой — на девяносто секунд, причем каждый набор измерял в трех направлениях. Любители или обсерватории с ограниченными средствами настраивали свои меньшие и менее чувствительные инструменты на десять секунд.Базовый демпфированный горизонтальный маятниковый сейсмометр раскачивается, как ворота забора. Тяжелая гиря устанавливается на вершину длинного (от 10 см до нескольких метров) треугольника, шарнирно шарнирно закрепленного за его вертикальный край. Когда земля движется, вес остается неподвижным, раскачивая «ворота» на шарнире.

Преимущество горизонтального маятника в том, что он обеспечивает очень низкие частоты колебаний в компактном приборе. «Ворота» слегка наклонены, поэтому груз стремится медленно вернуться в центральное положение. Маятник настраивается (до установки демпфирования) на колебание один раз в три секунды или один раз в тридцать секунд. Приборы общего назначения небольших станций или любительских станций обычно колеблются один раз в десять секунд. Под рычагом помещается поддон с маслом, а небольшой металлический лист, установленный на нижней стороне рычага, втягивает масло для гашения колебаний. Уровень масла, положение на рычаге, угол и размер листа регулируются до тех пор, пока демпфирование не станет «критическим», то есть практически не имеющим колебаний. Шарнир имеет очень низкое трение, часто происходит скручивание проволоки, поэтому единственным трением является внутреннее трение проволоки. Небольшие сейсмографы с малой условной массой помещают в вакуум, чтобы уменьшить возмущения от воздушных потоков.

Цольнер описал торсионно-подвешенные горизонтальные маятники еще в 1869 году, но разработал их для гравиметрии, а не для сейсмометрии.

Ранние сейсмометры имели рычаги на подшипниках, украшенных драгоценными камнями, чтобы царапать дымчатое стекло или бумагу. Позже зеркала отражали луч света на пластину прямой записи или рулон фотобумаги. Короче говоря, некоторые конструкции вернулись к механическим механизмам, чтобы сэкономить деньги. В системах середины двадцатого века свет отражался на пару дифференциальных электронных фотодатчиков, называемых фотоумножителями. Напряжение, генерируемое фотоумножителем, использовалось для привода гальванометров, на оси которых было установлено небольшое зеркало. Движущийся отраженный луч света падал на поверхность вращающегося барабана, покрытую светочувствительной бумагой. Расходы на разработку светочувствительной бумаги заставили многие сейсмические обсерватории перейти на чернила или термочувствительную бумагу.

После Второй мировой войны сейсмометры, разработанные Милном, Юингом и Греем, были адаптированы в широко используемый сейсмометр Пресс-Юинга .

Современные инструменты

Упрощенная подвеска LaCoste с использованием пружины нулевой длины.

Трехосный широкополосный сейсмометр КМГ-40Т

Сейсмометр без корпуса; представлено во время демонстрации для детей о землетрясениях в Институте Альфреда Вегенера.

В современных приборах используются электронные датчики, усилители и записывающие устройства. Большинство из них являются широкополосными и охватывают широкий диапазон частот. Некоторые сейсмометры могут измерять движения с частотами от 500 Гц до 0,00118 Гц (от 1/500 = 0,002 секунды за цикл до 1/0,00118 = 850 секунд за цикл). Механическая подвеска для горизонтальных инструментов остается описанной выше садовой калиткой. В вертикальных инструментах используется своего рода подвеска постоянной силы, например подвеска LaCoste . В подвеске LaCoste используется пружина нулевой длины, обеспечивающая длительный период (высокая чувствительность). В некоторых современных приборах используется «трехосная» конструкция или конструкция «Гальперина» , в которой три одинаковых датчика движения установлены под одинаковым углом к ​​вертикали, но на расстоянии 120 градусов друг от друга по горизонтали. Вертикальные и горизонтальные движения могут быть рассчитаны на основе выходных сигналов трех датчиков.

Сейсмометры неизбежно вносят некоторые искажения в измеряемые ими сигналы, но профессионально разработанные системы тщательно характеризуют частотные преобразования.

Современная чувствительность представлена ​​в трех широких диапазонах: сейсмоприемники — от 50 до 750 В /м; местные геологические сейсмографы, около 1500 В/м; и телесейсмографы, используемые для мировой съемки, около 20 000 В/м. Инструменты бывают трех основных разновидностей: краткосрочные, долгосрочные и широкополосные. Короткий и длинный период измеряют скорость и очень чувствительны, однако они «обрезают» сигнал или выходят за пределы шкалы при движении грунта, которое достаточно сильное, чтобы его ощутили люди. 24-битный аналого-цифровой канал преобразования является обычным явлением. Практические устройства линейны примерно до одной части на миллион.

Поставляемые сейсмометры имеют два типа вывода: аналоговый и цифровой. Для аналоговых сейсмографов требуется аналоговое записывающее оборудование, возможно, включая аналого-цифровой преобразователь. Выходные данные цифрового сейсмографа можно просто ввести в компьютер. Он представляет данные в стандартном цифровом формате (часто «SE2» через Ethernet ).

Телесейсмометры

Низкочастотный трехмерный донный сейсмометр (крышка снята). Видны две массы для направлений x и y, третья для направления z находится ниже. Эта модель представляет собой CMG-40TOBS, производимую компанией Güralp Systems Ltd и являющуюся частью Монтерейской системы ускоренных исследований .

Современный широкополосный сейсмограф может регистрировать очень широкий диапазон частот . Он состоит из небольшой «устойчивой массы», удерживаемой электрическими силами, управляемыми сложной электроникой . Когда Земля движется, электроника пытается удерживать массу устойчивой посредством цепи обратной связи . Затем записывается количество силы, необходимое для достижения этого.

В большинстве конструкций электроника удерживает массу неподвижно относительно рамы. Это устройство называется «акселерометр баланса сил». Он измеряет ускорение, а не скорость движения земли. По сути, расстояние между массой и некоторой частью рамы измеряется очень точно с помощью линейного регулируемого дифференциального трансформатора . В некоторых приборах используется линейный переменный дифференциальный конденсатор .

Это измерение затем усиливается электронными усилителями, подключенными к частям электронной петли отрицательной обратной связи . Один из усиленных токов из контура отрицательной обратной связи приводит в действие катушку, очень похожую на громкоговоритель . В результате масса остается почти неподвижной.

Большинство приборов непосредственно измеряют движение грунта с помощью датчика расстояния. Напряжение, генерируемое магнитом в сенсорной катушке на массе, напрямую измеряет мгновенную скорость земли. Ток, подаваемый на катушку привода, обеспечивает чувствительное и точное измерение силы между массой и рамой, таким образом непосредственно измеряя ускорение земли (используя f=ma, где f=сила, m=масса, a=ускорение).

Одной из постоянных проблем чувствительных вертикальных сейсмографов является плавучесть их масс. Неравномерные изменения давления, вызванные ветром, дующим в открытое окно, могут легко изменить плотность воздуха в помещении настолько, что вертикальный сейсмограф будет показывать ложные сигналы. Поэтому большинство профессиональных сейсмографов заключены в жесткие газонепроницаемые корпуса. Например, именно поэтому обычная модель Streckeisen имеет толстое стеклянное основание, которое необходимо приклеить к опоре без пузырьков в клее.

Может показаться логичным заставить тяжелый магнит служить массой, но это подвергает сейсмограф ошибкам при движении магнитного поля Земли. Именно поэтому движущиеся части сейсмографа изготовлены из материала, минимально взаимодействующего с магнитными полями. Сейсмограф также чувствителен к изменениям температуры, поэтому многие инструменты изготовлены из материалов с низким коэффициентом расширения, таких как немагнитный инвар .

Петли сейсмографа обычно запатентованы, и к моменту истечения срока действия патента конструкция уже совершенствуется. В наиболее успешных конструкциях, являющихся общественным достоянием, в зажиме используются тонкие петли из фольги.

Другая проблема заключается в том, что передаточная функция сейсмографа должна быть точно охарактеризована, чтобы была известна его частотная характеристика. Часто это решающее различие между профессиональными и любительскими инструментами. Большинство из них характеризуются на вибростоле с переменной частотой.

Сейсмометры сильных движений

Другой тип сейсмометра — цифровой сейсмометр сильных движений, или акселерограф . Данные такого инструмента необходимы для понимания того, как землетрясение влияет на искусственные конструкции с помощью сейсмической инженерии . Записи таких приборов имеют решающее значение для оценки сейсмической опасности с помощью инженерной сейсмологии .

Сейсмометр сильных движений измеряет ускорение. Позже это можно математически проинтегрировать , чтобы определить скорость и положение. Сейсмометры сильных движений не так чувствительны к колебаниям грунта, как телесейсмические приборы, но сохраняют шкалу даже при самых сильных сейсмических трясках.

Датчики сильного движения используются для измерения интенсивности.

Другие формы

Сейсмограф Kinemetrics, ранее использовавшийся Министерством внутренних дел США .

Работающий сейсмометр записывает сейсмограмму.

Акселерографы и геофоны часто представляют собой тяжелые цилиндрические магниты с подпружиненной катушкой внутри. При движении корпуса катушка стремится оставаться неподвижной, поэтому магнитное поле перерезает провода, индуцируя ток в выходных проводах. Они принимают частоты от нескольких сотен герц до 1 Гц. Некоторые из них имеют электронное демпфирование — малобюджетный способ получить некоторые характеристики широкополосных геологических сейсмографов с обратной связью.

Тензометрические акселерометры, построенные в виде интегральных схем, слишком нечувствительны для геологических сейсмографов (2002), но широко используются в геофонах.

Некоторые другие чувствительные конструкции измеряют ток, генерируемый потоком неагрессивной ионной жидкости через электретную губку или проводящей жидкости через магнитное поле .

Взаимосвязанные сейсмометры

Сейсмометры, расположенные в сейсмической группе, также могут использоваться для точного определения местоположения в трех измерениях источника землетрясения, используя время, необходимое сейсмическим волнам для распространения от гипоцентра , начальной точки разрыва разлома (см. также Местоположение землетрясения ). ). Взаимосвязанные сейсмометры также используются как часть Международной системы мониторинга для обнаружения подземных ядерных испытательных взрывов, а также для раннего предупреждения о землетрясениях систем . Эти сейсмометры часто используются в рамках крупномасштабных правительственных или научных проектов, но некоторые организации, такие как Quake-Catcher Network , могут также использовать детекторы жилого размера, встроенные в компьютеры, для обнаружения землетрясений.

В сейсмологии отражения ряд сейсмометров отображает особенности недр. Данные преобразуются в изображения с использованием алгоритмов, аналогичных томографии . Методы обработки данных напоминают методы компьютерной томографической медицинской визуализации, рентгеновских аппаратов (CAT-сканирование) или визуализирующих гидролокаторов .

Всемирный массив сейсмометров действительно может отображать внутреннюю часть Земли по скорости волн и коэффициенту пропускания. Этот тип системы использует такие события, как землетрясения, удары или ядерные взрывы , в качестве источников волн. Первые попытки использования этого метода включали ручную обработку данных с бумажных сейсмографических карт. Записи современных цифровых сейсмографов лучше адаптированы для непосредственного использования на компьютере. Благодаря недорогим конструкциям сейсмометров и доступу в Интернет любители и небольшие учреждения даже сформировали «общественную сеть сейсмографов».

Сейсмографические системы, используемые для разведки нефти или других полезных ископаемых, исторически использовали взрывчатку и проводную линию геофонов, развернутую за грузовиком. Сейчас в большинстве систем ближнего действия используются «ударники», которые ударяются о землю, а некоторые небольшие коммерческие системы имеют настолько хорошую цифровую обработку сигналов, что нескольких ударов кувалдой достаточно для рефракционных исследований на коротких расстояниях. Экзотические перекрестные или двумерные массивы сейсмоприемников иногда используются для выполнения трехмерных отражательных изображений объектов недр. Базовое программное обеспечение для геокартирования линейной рефракции (когда-то это было «черное искусство») доступно в готовом виде, работает на портативных компьютерах и использует веревки размером до трех геофонов. Некоторые системы теперь поставляются в пластиковом полевом кейсе размером 18 дюймов (0,5 м) с компьютером, дисплеем и принтером в крышке.

Небольшие системы сейсмической визуализации в настоящее время достаточно недороги, чтобы их могли использовать инженеры-строители для обследования фундаментов, обнаружения коренных пород и поиска подземных вод.

Волоконно-оптические кабели в качестве сейсмометров

Был найден новый метод обнаружения землетрясений с использованием оптоволоконных кабелей. В 2016 году группа метрологов, проводившая эксперименты по частотной метрологии в Англии, наблюдала шум, форма волны которого напоминала сейсмические волны, генерируемые землетрясениями. Было обнаружено, что это соответствует сейсмологическим наблюдениям 6,0 _{Землетрясение магнитудой} в Италии, примерно в 1400 км. Дальнейшие эксперименты в Англии, Италии и с использованием подводного оптоволоконного кабеля на Мальту выявили дополнительные землетрясения, в том числе одно на расстоянии 4100 км и ML _{Землетрясение магнитудой} 3,4 в 89 км от кабеля.

Сейсмические волны можно обнаружить, поскольку они вызывают микрометровом изменения длины кабеля в масштабе. По мере изменения длины меняется и время, необходимое пакету света для прохождения до дальнего конца кабеля и обратно (с использованием второго волокна). При использовании сверхстабильных лазеров метрологического уровня эти чрезвычайно незначительные сдвиги времени (порядка фемтосекунд ) проявляются как фазовые изменения.

Точку кабеля, впервые нарушенную p-волной землетрясения (по сути, звуковой волной в горной породе), можно определить путем отправки пакетов в обоих направлениях по закольцованной паре оптических волокон; разница во времени прибытия первой пары возмущенных пакетов указывает на расстояние по кабелю. Эта точка также является ближайшей к эпицентру землетрясения точкой, которая должна находиться в плоскости, перпендикулярной кабелю. Разница между временем прихода p-волн и s-волн обеспечивает расстояние (в идеальных условиях), ограничивающее эпицентр кругом. Второе обнаружение на непараллельном кабеле необходимо для устранения неоднозначности полученного решения. Дополнительные наблюдения ограничивают местоположение эпицентра землетрясения и могут определить глубину.

Ожидается, что этот метод станет благом при наблюдении землетрясений, особенно небольших, на обширных участках мирового океана, где нет сейсмометров, и будет стоить намного дешевле, чем донные сейсмометры.

Глубокое обучение

Исследователи из Стэнфордского университета создали алгоритм глубокого обучения под названием UrbanDenoiser, который может обнаруживать землетрясения, особенно в крупных городах. Алгоритм отфильтровывает фоновый шум из сейсмического шума, собранного в оживленных городах, для обнаружения землетрясений.

Запись

Просмотр фильма Develocorder

Сейсмологическая обсерватория Мацусиро

График сейсмограммы

Дополнительная информация: Сейсмограмма.

Сегодня наиболее распространенным рекордером является компьютер с аналого-цифровым преобразователем, дисководом и подключением к Интернету; для любителей достаточно ПК со звуковой картой и соответствующим программным обеспечением. Большинство систем записывают непрерывно, но некоторые записывают только при обнаружении сигнала.о чем свидетельствует кратковременное увеличение вариации сигнала по сравнению с его долговременнымсреднее значение (которое может медленно меняться из-за изменений сейсмического шума) , также известный как триггер STA/LTA.

До появления цифровой обработки сейсмических данных в конце 1970-х годов записи делались в нескольких различных формах на разных типах носителей. Барабан «Геликордер» представлял собой устройство, используемое для записи данных на фотобумагу или в виде бумаги и чернил. «Девелокордер» представлял собой машину, записывающую данные с 20 каналов на 16-миллиметровую пленку. Записанный фильм можно просмотреть на машине. Считывание и измерение с этих типов носителей можно выполнять вручную. После применения цифровой обработки архивы сейсмических данных были записаны на магнитные ленты. Из-за износа старых магнитных лент большое количество сигналов из архивов невозможно восстановить.

См. также

• Акселерометр
• Galitzine, Boris Borisovich
• геофон
• Инге Леманн
• Консорциум ИРИС
• Джон Милн
• Тихоокеанская северо-западная сейсмическая сеть
• Тектоника плит
• Сеть Quake-Catcher
• Сейсмометр Вуда-Андерсона

Внешние ссылки

• История первых сейсмометров
• Любительский сейсмограф Lehman из журнала Scientific American, заархивированный 4 февраля 2009 г. в Wayback Machine , не предназначен для калиброванных измерений.
• Профессиональная конструкция любительского телесейсмографа, разработанная Шоном Морриси. См. также версию Кита Пэйя. Оба доступа 29 сентября 2010 г. Моррисси был профессиональным инженером по сейсмографическим приборам. В этой превосходной конструкции используется пружина нулевой длины для достижения 60-секундного периода, активная обратная связь и уникально удобный дифференциальный преобразователь с переменным сопротивлением, детали которого взяты из хозяйственного магазина. Преобразование частоты тщательно разработано, в отличие от большинства любительских инструментов. Морриси умер, но сайт продолжает работать как общественная служба.
• SeisMac — это бесплатный инструмент для последних портативных компьютеров Macintosh, который реализует трехосный сейсмограф в реальном времени.
• Развитие сверхширокополосной сейсмографии: сотрудничество Quanterra и Iris. Архивировано 10 августа 2016 г. в Wayback Machine. В ней обсуждается история развития основной технологии в исследовании глобальных землетрясений.
• Видео сейсмографа Гавайской вулканической обсерватории - на Flickr - получено 15 июня 2009 г.
• Сейсмоскоп – Ссылки на исследования 2012 г.
• Iris EDU – Как работает сейсмометр?
• Сейсмометры, сейсмографы, сейсмограммы – в чем разница? Как они работают? – Геологическая служба США