Сейсмограф состоит из маятника, например, стальной гирьки, которая на пружине или тонкой проволоке подвешена к стойке, прочно закрепленной в грунте. Маятник соединен с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной ленте. При быстрых колебаниях почвы бумага сотрясается вместе с ней, маятник же с пером по инерции остаются неподвижными. На бумаге появляется волнистая линия, отражающая колебания почвы. Кривая на бумажной ленте, укрепленной на медленно вращающемся барабане под наносящим линию пером, называется сейсмограммой.
Действие сейсмографа основывается на том принципе, что свободно подвешенные маятники при землетрясениях остаются почти неподвижными. Верхний сейсмограф фиксирует горизонтальные, а нижний - вертикальные колебания земли.
Три красных барабана высотой около 20 см являются приемниками сейсмографов на современной сейсмической станции. Стоящий барабан принимает вертикальные колебания почвы, на одном из лежащих барабанов отмечаются колебания в направлении север-юг, на другом восток-запад. Стоящий рядом прибор регистрирует самые медленные подземные сдвиги, которые не поддаются трем остальным приемникам. Показания всех четырех приборов передаются для записи сейсмограммы сложным электронным устройствам.
В 1891 г. одно из самых сильных землетрясений, когда-либо наблюдавшихся в Японии, опустошило обширные области к западу от Токио. Очевидец так описывал разрушения: "На поверхности образовались глубокие провалы; дамбы, защищавшие низины от наводнений, обрушились, почти все дома были уничтожены, горные склоны сползли в бездны. 10000 человек погибли, 20000 получили травмы".
Сейсмограмма землетрясения, потрясшего 8 ноября 1983 г. в 1ч. 49м. Бельгию, Нидерланды и Северный Рейн - Вестфалию, записанная сейсмической станцией Гамбурга. Верхняя кривая показывает вертикальные колебания, нижняя - горизонтальные. При землетрясении погибли два человека.
Японские геологи, изучавшие последствия этой катастрофы, с удивлением установили, что четко выраженного ее эпицентра не существовало. Поверхность была рассечена почти прямой расщелиной длиной около 110 км, будто разрезана на две части гигантским ножом, причем края разреза были сдвинуты относительно друг друга. "Земля, - сообщал один из геологов, - разорвана на огромные глыбы и приподнята. Это выглядит как след, оставленный гигантским кротом. Улицы и дороги разорваны, на них зияют многометровые провалы; два дерева, до того стоявшие рядом в направлении восток- запад, очутились теперь на изрядном расстоянии, причем по оси север - юг. Землетрясение передвинуло одно из них на север, другое на юг".
Прошедший век подарил миру открытие Б.Б. Голицыным гальванометрического способа наблюдений сейсмических явлений. Последующий прогресс сейсмометрии был связан с этим открытием. Продолжателями дела Голицына были русский ученый Д.П. Кирнос, американцы Вуд-Андерсен, Пресс-Юинг. Русская школа сейсмометрии при Д.П. Кирносе отличалась тщательностью проработки аппаратуры и методики метрологического обеспечения сейсмических наблюдений. Записи сейсмических событий стали достоянием сейсмологии при решении не только кинематических, но и динамических задач. Естественным продолжением развития сейсмометрии было использование электронных средств снятия информации с пробной массы сейсмометров, ее использование в осциллографии и в цифровых методах измерения, накопления и обработки сейсмических данных. Сейсмометрия всегда пользовалась плодами научно-технического прогресса ХХ века. В России в 70-80 гг. разработаны электронные сейсмографы, перекрывающие частотный диапазон от сверхнизких частот (формально от 0 Гц) до 1000 Гц.
Введение
Землетрясения! Для тех, кто живет в активных сейсмических зонах, это не пустой звук. Люди спокойно живут, забыв о предыдущей катастрофе. Но вот неожиданно, чаще всего ночью, приходит ОНО. Сначала только толчки, даже выбрасывающие из постели, звон посуды, падение мебели. Затем грохот рушихся перекрытий, некапитальных стен, пыль, темнота, стоны. Так было в 1948 году в г. Ашхабаде. Страна об этом узнала много позже. Жарко. Почти раздетый Сотрудник института Сейсмологии в Ашхабаде в ту ночь готовился к выступлению на республиканской конференции по сейсмичности и писал доклад. Около 2 часов началось. Он успел выскочить во двор. На улице в клубах пыли и темной южной ночи ничего не было видно. Его супруга, тоже специалист-сейсмолог, успела встать в дверной проем, который тут же с двух сторон был закрыт рухнувшими перекрытиями потолка. Ее сестра, спавшая по причине жары на полу, была накрыта платяным шкафом, дверцы которого раскрылись, предоставив " убежище " для тела. Но ноги были зажаты верхом шкафа.
В Ашхабаде погибло несколько десятков тысяч жителей по причине ночного времени и отсутствия антисейсмических построек (Я слышал оценки достигающие 50000 чел. Погибшими. Во всяком случае так говорил Г.П.Горшков - зав. кафедрой динамической геологии МГУ. Прим. Ред.) Хорошо уцелело здание, за перерасход при постройке которого был осужден архитектор, его проектировавший.
Сейчас на памяти человечества насчитываются десятки исторических и современных катастрофических землетрясений, унесшие миллионные человеческие жизни. Из сильнейших землетрясений можно перечислить такие как Лиссабонское 1755 г., Японское 1891 г., Ассамское (Индия) 1897 г., в Сан-Франциско 1906 г., Мессинское (Сицилия-Калибрия) 1908 г., Китайское 1920 и 1976 г. . (Уже много позже Ашхабата в 1976 г. в Китае землетрясение унесло 250000 жизней, да и индийское прошлого года тоже не менее 20000 Прим. Ред.) , Японское 1923, Чили 1960 г., Агадир (Морокко) 1960 гю, Аляска, 1964 г., Спитак (Армения) 1988 г. После землетрясения на Аляске Беньеофом, американским специалистом в области сейсмометрии была получена запись собственных колебаний Земли как шара, по которому ударили. Перед и, особенно, после сильного землетрясения происходит серия - сотни и тысячи - более слабых землетрясений (афтершоков). Наблюдение за ними чувствительными сейсмографами позволяют оконтурить область основного толчка, получить пространственное описание очага землетрясений.
Есть два средства избежания больших потерь от
землетрясений: антисейсмическое строительство и заблаговременное оповещение о
возможном землетрясении. Но оба способа остаются неэффективными. Не всегда
антисейсмическое строительство адекватн
о тем колебаниям, которые вызываются
землетрясениями. Есть странные случаи необъяснимого разрушения железобетона,
как это было в Кобе, Япония. Структура бетона нарушается настолько, что бетон
рассыпается в местах пучностей стоячих волн в пыль. Происходят вращения зданий,
как это наблюдалось в Спитаке, Ленинакане, в Румынии.
Землетрясения сопровождаются другими явлениями. Свечение атмосферы, нарушение радиосвязи и не менее страшным явлением цунами, морские волны которого иногда возникают, если центр (очаг) землетрясения происходит в глубоководном желобе мирового океана (не все землетрясения происходящие на склонах глубоководного желоба являются цунамигенными, но последние выявляют с помощью сейсмографов по характерным признакам смещения в очаге). Так было в Лиссабоне, на Аляске, в Индонезии. Особенно опасны они тем, что практически внезапно волны появляются на берегу, на островах. Пример - Гавайские острова. Волна от Камчатского землетрясения 1952 года пришла неожиданно через 22 часа. Волна цунами незаметна в открытом море, но с выходом на берег она приобретает крутизну переднего фронта, уменьшается скорость движения волны и происходит нагон воды, что приводит к росту волны иногда до 30 м в зависимости от силы землетрясения и рельефа берега. Такой волной был начисто смыт поздней осенью 1952 года город Северо-Курильск, который находится на берегу пролива между о. Парамушир и о. Шумшу. Сила удара волны и ее движения вспять были настолько сильными, что танки, находившиеся в порту, попросту были смыты и исчезли "в неизвестном направлении" . Очевидец рассказал, что проснулся от колебаний сильного землетрясения и не смог быстро уснуть. Вдруг он услышал со стороны порта сильный гул низкой частоты. Выглянув в окно и ни секунды не думая, прямо в чем был выскочил на снег и бежал на возвышение, сумев обогнать наступавшую волну.
На приведенной карте показан наиболее активный в сейсмическом отношении Тихоокеанский тектонический пояс. Точками нанесены эпицентры сильных землетрясений только за ХХ век. Карта дает представление об активной жизни нашей планеты, а ее данные много говорят о возможных причинах землетрясений вообще. Существует много гипотез о причинах тектонических проявлений на лике Земли, но до сих пор нет надежной теор ии глобальной тектоники, однозначно определяющей теор ию явления.
Для чего нужны сейсмографы?
Прежде всего для изучения самого явления, далее надо определить инструментальным способом силу землетрясения, его место возникновения и частоту происхождения этих явления в данном месте и преимущественные места их возникновения. Возбуждаемые землетрясением упругие колебания подобно лучу света от прожектора способны осветить детали строения Земли.
Возбуждаются четыре основных типа волн: продольные, имеющие максимальную скорость распространения и приходящих к наблюдателе в первую очередь, затем поперечные колебания и наиболее медленные - поверхностные волны с колебаниями по эллипсу в вертикальной плоскости (Рэлея) и в горизонтальной плоскости (Лява) в направлении распространения. Разность времени первых вступлений волн используется для определения расстояния до эпицентра, положения гипоцентра и выяснения внутреннего строения Земли и местонахождения источника землетрясений. С помощью записи сейсмических волн, прошедших через ядро Земли удалось определить его строение. Внешнее ядро оказалось в жидком состоянии. В жидкости распространяются только продольные волны. Твердое внутреннее ядро обнаружено с помощью поперечных волн, которые возбуждаются продольными волнами, попавшими на границу раздела жидкость-твердость. По картине записываемых колебаний и типов волн, по временам вступлений сейсмических волн сейсмографами на поверхности Земли удалось определить размеры составных частей ядра, их плотности.
Решаются и другие задачи по определению энерги и землетрясений (магнитуды по шкале Рихтера, нулевая магнитуда соответствует энерги и 10(+5) Джоулей, максимально наблюдавшаяся магнитуда соответствует энерги и 10(+20-+21) Дж), спектрального состава для решений задачи сейсмостойкого строительства, для обнаружения и контроля за подземными испытаниями ядерного оружия, сейсмического контроля и аварийного отключения на таких опасных объектах как АЭС, железнодорожный транспорт и даже лифтов в высотных зданиях, контроля гидротехнических сооружений. Неоценима роль сейсмических приборов в сейсморазведке полезных ископаемых и, в частности, для поиска " резервуаров " с нефтью. Применялись они и при расследовании причин гибели Курска, именно с помощью этих приборов были установлены время и мощность первого и второго взрывов.
Механические сейсмические приборы
Принцип действия сейсмических датчиков - сейсмометров - образующих систему сейсмографа, в которую входят такие узлы - сейсмометр, преобразователь его механического сигнала в электрическое напряжение и регистратор - накопитель информации, основан сразу на первом и третьем законе Ньютона - свойстве масс к инерции и к тяготению. Главным элементом устройства любого сейсмометра является масса, имеющая некий подвес к основанию прибора. В идеале масса не должна иметь каких либо механических или электромагнитных связей с корпусом. Просто висеть в пространстве! Однако это пока нереализуемо в условиях притяжения Земли. Различают вертикальные и горизонтальные сейсмометры. В первых, масса имеет возможность перемещения только в вертикальной плоскости и обычно вывешена с помощью пружины для противодействия силе притяжения Землей. В горизонтальных сейсмометрах масса имеет степень свободы только в горизонтальной плоскости. Положение равновесия массы сохраняется как с помощью гораздо более слабой пружины подвеса (как правило плоские пластины) и, обратите особое внимание, возвращающей силой притяжения Земли, которая сильно ослаблена реакцией почти вертикально расположенной осью подвеса и действует в почти горизонтальной плоскости перемещения массы.
Наиболее древние устройства для фиксации актов землетрясения обнаружены и восстановлены в Китае [Саваренский Е.Ф., Кирнос Д.П., 1955] . Прибор не имел средств записи, а только помогал определению силы землетрясения и направление на его эпицентр. Такие приборы называются сейсмоскопами. Древний китайский сейсмоскоп относится к 123 г. нашей эры и представляет собой произведение скусства и инженерной техники. Внутри художественно оформленного сосуда находился астатический маятник. Масса такого маятника располагается выше упругого элемента, который поддерживает маятник в вертикальном положении. В сосуде по азимутам расположены пасти драконов, в которых помещены металлические шарики. При сильном землетрясении маятник ударял по шарикам и они сваливались в маленькие сосуды в форме лягушек с открытыми ртами. Естественно, максимальные удары маятника приходились вдоль азимута на очаг землетрясения. По шарикам, обнаруживаемым в лягушках можно было определить, откуда пришли волны землетрясения. Подобные приборы называются сейсмоскопами. Они широко используются и сейчас, давая ценную информацию о сильных землетрясениях в массовых масштабах на большой территории. В Калифорнии (США) размещены тысячи сейсмоскопов с записью астатическими маятниками на сферическом стекле, покрытом сажей. Обычно, видна сложная картина движения острия маятника по стеклу, в которой можно выделить колебания продольных волн, указывающие направление на очаг. А максимальные амплитуды траекторий записи дают представление о силе землетрясении. Период колебаний маятника и его затухание заданы таким образом, чтобы моделировать поведение типичных построек и, таким образом, оценивать балльность землетрясений. Балльность землетрясений определяется по внешним характеристикам воздействия колебаний на человека, животных, деревья, типичные здания, мебель, посуду и т.п. Существую разные шкалы балльности. В средствах массовой информации применяется " балльность по шкале Рихтера " . Это определение рассчитано на массового жителя и не соответствует научной терминологии. Правильно говорить - магнитуда землетрясения по шкале Рихтера. Она определяется по инструментальным измерениям с помощью сейсмографов и условно обозначает логарифм максимальной скорости записи, отнесенное к очагу землетрясения. Такая величина условно показывает выделившуюся энерги ю упругих колебаний в очаге землетрясения.
Подобный сейсмоскоп сделал в 1848 году итальянец Каччиаторе, в котором маятник и шарики заменены ртутью. При колебаниях грунта ртуть выливалась в сосуды, расположенные равномерно по азимутам. В России используются сейсмоскопы С.В.Медведева, в Армении разработаны сейсмоскопы АИС А.Г.Назарова, в которых применены несколько маятников, имеющих разные частоты. Они дают возможность грубо получать спектры колебаний, т.е. зависимость амплитуды записей от частот колебаний при землетрясении. Это ценная информация для проектировщиков антисейсмических построек.
Первый сейсмограф, имевший научное значение, был построен 1879 г. в Японии Юингом. В качестве груза для маятника было чугунное кольцо весом 25 кг, подвешенное на стальной проволоке. Общая длина маятника составила почти 7 метров. За счет длины получен момент инерции в 1156 кг ּ м 2 . Относительные перемещения маятника и грунта записывались на закопченном стекле, вращающемся вокруг вертикальной оси. Большой момент инерции способствовал снижению влияния трения острия маятника о стекло. В 1889 г. японский сейсмолог опубликовал описание горизонтального сейсмографа, послужившего прототипом для большого числа сейсмографов. Подобные сейсмографы изготавливались в Германии в 1902-1915 гг. При создании механических сейсмографов задача повышения чувствительности могла быть решена только с помощью увеличительных рычагов Архимеда. Сила трения при записи колебаний преодолевалась за счет огромной массы маятника. Так сейсмограф Вихерта имел маятник с массой 1000 кг. При этом достигалось увеличение всего 200 для периодов записываемых колебаний не выше собственного периода маятника 12 сек. Наибольшей массой обладал вертикальный сейсмограф Вихерта, вес маятника которого был 1300 кг, подвешенный на мощных винтовых пружинах из 8 мм стальной проволоки. Чувствительность составила 200 для периодов сейсмических волн не выше 5 сек. Вихерт был великим изобретателем и конструктором механических сейсмографов и построил несколько разных и остроумных приборов. Запись относительного движения инертной массы маятников и грунта осуществлялась на закопченной бумаге, вращаемой непрерывной лентой часовым механизмом.
Сейсмографы с гальванометрической регистрацией
Переворот в технике сейсмометрии произвел блестящий ученый в области оптики, математики князь Б.Б.Голицын. Он изобрел способ гальванометрической записи землетрясений. Россия - основоположница в мире сейсмографов с гальванометрической регистрацией. Впервые в мире им разработана теор ию сейсмографа в 1902 году , создан сейсмограф и организовал первые сейсмические станции, на которых были установлены новые приборы. Германия имела опыт производства сейсмографов и первые сейсмометры Голицына были изготовлены там. Однако записывающий аппарат был спроектирован и изготовлен в мастерских Российской Академии Наук в Петербурге. И до сих пор этот аппарат носит все характерные черты первого регистрира. Барабан, на котором закреплялась фотобумага длиной почти 1 м и шириной 28 см, приводился во вращательное движение со смещением при каждом обороте на выбранное и сменяемое согласно задаче наблюдений расстояние вдоль оси барабана. Разделение сейсмометра и средства записи относительных движений инертной массы прибора было настолько прогрессивным и удачным, что подобные сейсмографы получили всемирное признание на многие десятилетия вперед. Б.Б.Голицын выделил следующие преимущества нового способа регистрации.
1. Возможность простым приемом получать большую по тем временам чувствительность .
2. Осуществление регистрации на расстоянии от места установки сейсмометров. Удаленность, сухое помещение, доступность к сейсмическим записям для дальнейшей их обработки придали новое качество процессу сейсмических наблюдений и исключение нежелательных воздействий на сейсмометры со стороны персонала сейсмической станции.
3. Независимость качества записи от дрейфа нуля сейсмометров.
Эти главные преимущества и определили на многие десятилетия развитие и использование гальванометрической регистрации во всем мире.
Вес маятника уже не играл такого значения как в механических сейсмографах. Было только одно явление, которое надо было учитывать - магнитоэлектрическая реакция рамки гальванометра, находящейся в воздушном зазоре постоянного магнита, на маятник сейсмометра. Как правило, эта реакция уменьшала затухание маятника, что приводило к возбуждению лишних собственных его колебаний, искажавших волновую картину записываемых волн от землетрясений. Поэтому Б.Б.Голицын использовал массу маятников порядка 20 кг, чтобы пренебречь обратной реакцией гальванометра на сейсмометр.
Катастрофическое землетрясение 1948 года в Ашхабаде стимулировало финансирование расширение сети сейсмических наблюдений в СССР. Для оснащения новых и старых сейсмических станций профессором Д. П. Кирносом совместно с инженером В.Н.Соловьевым были разработаны гальванометрические сейсмографы общего типа СГК и СВК вместе с гальванометром ГК-VI . Работы были начаты в стенах Сейсмологического института Академии Наук СССР и его инструментальных мастерских. Приборы Кирноса отличались тщательной научно-технической проработкой. Методика калибровки и эксплуатации была доведена до совершенства, что обеспечило высокую точность (около 5%) амплитудной и фазовой частотной характеристики (АЧХ) при записи событий. Это позволило сейсмологам ставить и решать не только кинематические, но и динамические задачи при интерпретации записей. Этим школа Д.П.Кирноса выгодно отличалась от американской школы аналогичных инструментов. Д.П.Кирносом была совершенствована теор ия сейсмографов с гальванометрической регистрацией введением коэффициента связи сейсмометра и гальванометра, позволившая построить амплитудную частотную характеристику сейсмографа для записи смещения грунта сначала в полосе 0,08 - 5 Гц, а затем в полосе 0,05 - 10 Гц с помощью вновь разработанных сейсмометров типа СКД. В данном случае речь идет о введении в сейсмометрию широкополосной АЧХ.
Российские механические сейсмографы
После катастрофы в Северо-Курильске вышло Постановление Правительства о создании службы предупреждения о цунами на Камчатке, Сахалине и на Курильских островах. Выполнение Постановления было поручено Академии Наук, Гидрометеослужбе СССР и Министерству связи. В 1959 г. в указанный регион была направлена комиссия для выяснения положения на местах. Петропавловск Камчатский, Северо-Курильск, Южно-Курильск, Сахалин. Средства передвижения - самолеты ЛИ-2 (бывший Дуглас), пароход, поднятый со дна моря и восстановленный, катера. Первый рейс назначен на 6 утра. До аэропорта " Халатырка " (г. Петропавловск-Камчатский) комиссия добралась во время. Но самолет вылетел раньше - открылось небо над Шумшу. Через пару часов нашелся грузовой ЛИ-2 и состоялось благополучное приземление на полосу базы с подземными аэродромами, построенную еще японцами. Шумшу - самый северный остров в Курильской гряде. Только на северо-западе из вод Охотского моря вздымается красивый конус вулкана Аделаид. Остров выглядит совершенно ровным, как толстый блин среди морских вод. На острове, в основном, пограничники. Комиссия прибыла на юго-западный причал. Там ждал военно-морской катер, который с большой скоростью помчал к порту Северо-Курильска. На палубе кроме комиссии несколько пассажиров. У борта матрос с девицей что-то увлеченно говорят. Катер на полном ходу влетает на акваторию порта. Рулевой по ручному телеграфу дает сигнал в машинное отделение: " Дзинь-дзинь " , и еще " Дзинь-дзинь " - никакого эффекта! Вдруг матрос у борта кубарем летит вниз. Несколько поздно - катер достаточно сильно врубается в деревянные ограждения борта рыболовецкой шхуны. Летят щепки, люди чуть не падают. Матросы молча без всяких эмоций причалили катер. Такова специфика службы на Дальнем Востоке.
В поездке было всякое: и мелкий дождь, капли которого летели почти параллельно земле, мелкий и жесткий бамбук - среда обитания медведей, и огромная "авоська" , в которую загрузили пассажиров (женщину с ребенком в центр) и поднимали паровой лебедкой на палубу восстановленного корабля по причине крупной штормовой волны, и грузовик ГАЗ-51, в открытом кузове которой комиссия пересекала остров Кунашир от Тихого океана до Охотского побережье и который на полпути в огромной луже разворачивался много раз - передние колеса в одной клее, задние в другой - до тех пор, пока колея не была исправлена обычной лопатой, и линия прибоя у входа в нерестовый ручей, отмеченная сплошной полосой красной икры лосося.
Комиссия установила, что пока единственным сейсмическим прибором, способном выполнить задачу службы предупреждения о цунами, может быть только механический сейсмограф с регистрацией на закопченной бумаге. Сейсмографы были разработаны в сейсмометрической лаборатории Института физики Земли АН. Сейсмограф с малым увеличением 7 и сейсмограф с увеличением 42 поступили на оснащение специально построенных цунами-станций. Барабаны с закопченной бумагой приводились в движение пружинными часовыми механизмами. Вес массы сейсмографа с увеличением 42 набирался из железных дисков и составлял 100 кг. На этом завершилась эпоха механических сейсмографов.
Состоялось заседание Президиума АН, посвященное выполнению Правительственного Постановления. Председатель академик Несмеянов с крупным импозантным загорелым лицом, небольшого роста академик-секретарь Топчиев, члены Президиума. Докладывал известный сейсмолог Е.Ф.Саваренский, демонстрируя фото в полный рост механический сейсмограф [Кирнос Д.П., Рыков А.В., 1961] . В дискуссии принял участие академик Арцимович: " Проблема цунами решается легко переносом всех объектов на берегу на высоты выше 30 метров!" . Экономически это невозможно и не решается вопрос об единицах Тихоокеанского Флота.
Во второй половине ХХ века наступила эра электронных сейсмографов. На маятники сейсмометров в электронных сейсмографах помещаются параметрические преобразователи. Свое название они получили от термина - параметр. В качестве переменного параметра может служить емкость воздушного конденсатора, индуктивное сопротивление высокочастотного трансформатора, сопротивление фоторезистора, проводимость фотодиода под лучом светодиода, датчик Холла и все, что попадалось под руку изобретателям электронного сейсмографа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, экономичность в электропитании. Главными преимуществами электронных сейсмографов перед сейсмографами с гальванометрической регистрацией состоят в том, что а) спад частотной характеристики в сторону низких частот происходит в зависимости от частоты сигнала f не как f^3 , а как f^2 - т.е. намного медленнее, б) есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации, с) возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС) [ Рыков А.В.,1963 ] . Однако пункт с) имеет свою специфику применения в сейсмометрии. С помощью ОС формируют частотную характеристику, чувствительность, точность и стабильность сейсмометра. Открыт способ увеличения собственного периода колебаний маятника с помощью отрицательной ОС, что неизвестно ни в автоматическом регулировании, ни в существующей в мире сейсмометрии [ Рыков А.В., ].
В России четко сформулировано явление плавного перехода инерционной чувствительности вертикального и горизонтального сейсмометра в его чувствительность гравитационную по мере снижения частоты сигнала [ Рыков А.В.,1979 ] . При высокой частоте сигнала преобладает инерционное поведение маятника, при очень низкой частоте инерционный эффект снижается настолько, что преобладающим становится гравитационный сигнал. Что это значит? Например, при вертикальных колебаниях грунта возникают как инерционные силы, заставляющие маятник сохранять свое положение в пространстве, так и изменение сил тяготения по причине изменения расстояния прибора от центра Земли. При увеличении расстояния между массой и центром Земли сила тяжести уменьшается и масса получает дополнительную силу, поднимающую маятник вверх. И, наоборот, при опускании прибора - масса получает дополнительную силу, опускающую ее вниз.
Для высоких частот колебаний грунта инерционный эффект во много раз больше гравитационного. На низких частотах все наоборот - ускорения чрезвычайно малы и инерционный эффект практически очень мал, а эффект изменения силы тяжести для маятника сейсмометра будет во много раз больше. Для горизонтального сейсмометра эти явления будут проявляться при отклонении оси качания маятника от линии отвеса, определяемой все той же силой тяготения. Для наглядности амплитудная частотная характеристика вертикального сейсмометра показана на фиг.1. Наглядно показано, как с уменьшением частоты сигнала происходит переход чувствительности сейсмометра от инерционной к гравитационной. Без учета этого перехода невозможно объяснить то, что гравиметры и сейсмометры способны записывать лунно-солнечные приливыСогласно традиционавления нужно было бы продолжитьлинию " скорость " до столь малой чувствительности, что приливы, имеющие периоды до 25 часов и амплитуду в Москве 0,3 м, не могли бы быть обнаружены. Пример записи прилива и наклона в приливной волне показаны на фиг.2. Здесь Z - запись смещения Земной поверхности в Москве за 45 часов, Н - запись наклона в приливной волне. Четко видно, что максимальный наклон приходится не на горб прилива, а на склон приливной волны.
Таким образом, характерными чертами современных электронных сейсмографов является широкополосная частотная характеристика от 0 до 10 Гц колебаний поверхности Земли и цифровой способ измерения этих колебаний. То, что Беньеоф в 1964 г. наблюдал собственные колебания Земли после сильного землетрясения с помощью стрейнметров (деформографов) сейчас доступно рядовому электронному сейсмографу (The largest recorded earthquake in the United Stateswas a magnitude 9.2 that struck Prince William Sound, Alaska on Good Friday, March 28, 1964 Последствия того землетрясения еще хорошо видны, в том числе и по огромным площадям вымершего леса, поскольку произошло опускание части суши на протяжении 500 км в некоторых случаях до 16 м, и во многих местах в грунтовые воды пошла морская вода, лес умер. Прим.Ред).
На фиг.3 показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения.
Фиг.3. Вертикальная Z и горизонтальная H компоненты записи колебания после землетрясения в Иране, 14.03.98, М = 6.9. Видно, что преобладают радиальные колебания над крутильными, имеющими горизонтальную ориентацию.
Покажем на фиг.4, как выглядит трехкомпонентная запись сильного землетрясения после преобразования цифрового файла в визуальный.
Фиг.4. Образец цифровой записи землетрясения в Индии, М=7.9, 26.01.2001, полученной на постоянно действующей широкополосной станции КСЭШ-Р.
Хорошо видны первые вступления двух продольных волн до 25 минуты, далее на горизонтальных сейсмографах вступает поперечная волна примерно на 28 минуте и волна Лява на 33 минуте. На средней вертикальной компоненте волна Лява отсутствует (она горизонтальная), а по времени дальше начинается волна Релея (38 минута), которая видна и на горизонтальных, и на вертикальной трассах.
На фото № 3 .4 можно видеть современный электронный
вертикальный сейсмометр, с помощью которого показаны примеры записей прилива,
собственных колебаний Земли и записи сильного землетрясения. Хорошо видны
основные элементы конструкции вертикального маятника: два диска массы общим
весом 2 кг, две цилиндрические пружины для компенсации силы тяжести Земли и
удерживания массу маятника в горизонтальном положении. Между массами на
основании прибора расположен цилиндрический магнит, в воздушный зазор которого
входит катушка провода. Катушка входит в конструкцию маятника. В середине
" выглядывает " электронная плата емкостного преобразователя.
Воздушный конденсатор расположен за магнитом и он имеет малый размер. Площадь
конденсатора всего 2 см(+2). Магнит с катушкой служит для силового воздействия
с помощью ОС по смещению, скорости и интеграла от смещения на маятник. ОС
обеспечивают АЧХ, представленной на фиг.1, стабильность сейсмометра во времени
и высокую точность измерения колебаний грунта порядка сотой процента.
Фото № 34. Вертикальный сейсмометр установки КСЭШ-Р со снятым корпусом.
В международной практике приобрели признание и широкое
распространение сейсмографы Виланда-Стрекайзена . Эти приборы приняты за основу в Мировой сети цифровых
сейсмических наблюдений (IRIS) . Частотная характеристика сейсмометров IRIS
подобна АЧХ, изображенной на фиг.1. Отличие состоит в том, что для частот менее
0,0001 Гц сейсмометры Виланда сильнее " зажаты " интегральной ОС, что
привело к большей временной стабильности, но снизило чувствительность на
сверхнизких частотах по сравнению с сейсмографами КСЭШ примерно в 3 раза.
Электронные сейсмометры способны открывать экзотические чудеса, которые пока могут быть оспоренными. Профессор Е.М.Линьков в Университете г.Петергофа с помощью магнетронного вертикального сейсмографа интерпретировал колебания с периодами 5 - 20 дней как " поплавковые " колебания Земли на орбите вокруг Солнца. Расстояние между Землей и Солнцем остается традиционным, а Земля несколько колеблется как на привязи по поверхности эллипсоида с двойной амплитудой до 400 мк. Проглядывалась связь этих колебаний с солнечной активностью [ дополнительно можно посмотреть 22].
Таким образом, сейсмографы за ХХ век активно совершенствовались. Начало революционному началу этого процесса положил князь Борис Борисович Голицын - русский ученый. На очереди можно ожидать новые технологии в инерциальных и гравитационных способах измерения. Не исключено, что именно электронные сейсмографы смогут, наконец, обнаружить гравитационные волны во Вселенной.
Литература
1. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.
2. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.
3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.
4. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.
5. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор . Лит., М.1955 г.
6. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во " Наука " , М. 1974 г.
7. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.
8. Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, " Проблемы цунами " , № 9, 1961 г.
9. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.
10. А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., " Наука " , Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 12, 1979 г.
11. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., " Наука " , 1992 г.
12. Wieland E.., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance // Bull. Seismol..Soc. Amer.,1982. Vol. 72. P.2349-2367.
13. Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232.
14. А.В.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г.
15. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html
16. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии http:/ /www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549
17. http://earthquake.usgs.gov/ 21. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html это сильнейшие землетрясения в мире.
22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Предвестники землетрясений в околоземном космическом пространстве - В журнале "Урания" появилась новая статья (на русском и английском языках). Работа сотрудников МИФИ посвящена предсказанию землетрясений по спутниковым наблюдениям.
Использование: сейсмология, для контроля и записи вибрационных перемещений земной коры при различных динамических процессах как на поверхности так и внутри грунтовых массивов, а также любого технологического оборудования, включая атомные реакторы. Сущность изобретения: содержит герметический корпус, в котором размещены шасси, маятник, демпфирующее устройство, преобразователь перемещения маятника, узел компенсации момента силы тяжести, узел качения и элементы связи и передачи информации на диспетчерский пункт. Все элементы, размещенные на маятнике, кроме своих непосредственных функций, создают дополнительный момент инерции, направленный на понижение резонансной частоты за счет периферийного размещения симметрично относительно центра тяжести маятника. Корпус прибора, кроме своих защитных функций, участвуют в создании понижения добротности собственной резонансной частоты шасси за счет использования системы крепления и за счет легкой прессовой посадки шасси в корпусе. Компактное размещение узлов обусловлено выбором формы маятника: титановая трубка со скошенными торцами и с технологическими и крепежными отверстиями, а также выполнением узла качения: пара ножей, одна из которых жестко закреплена на цилиндрической форме маятника, а другая связана с шасси, причем ножи размещены друг относительно друга встречно с возможностью установки осевой линии их кромок закругления по одной прямой. 6 ил.
Изобретение относится к сейсмологии, в частности к конструкциям приемников сейсмических сигналов, и может быть использовано для контроля и записи вибрационных перемещений земной коры при различных динамических процессах как на поверхности, так и внутри грунтовых массивов, а также любого технологического оборудования, включая ядерные реакторы. Известен сейсмограф ВЭГИК для изучения сейсмического эффекта взрывов, регистрации землетрясений и микросейсм первого рода . Сейсмограф содержит маятник, подвешенный к стойкам на двух парах взаимно перпендикулярных тонких стальных пластин (крестовой упругий шарнир), образующих ось вращения маятника. Для регистрации вертикальных колебаний оси вращения придается горизонтальное положение, а маятник находится в горизонтальном положении (центр тяжести в одной горизонтальной плоскости с осью вращения удерживается при помощи стальной винтовой пружины). Положение равновесия маятника регулируется винтом, меняющим натяжение пружины, а период собственных колебаний (Т 1 = 0,8-2 с) - путем изменения угла наклона пружины и сменой подвесных стальных пластин. Для регистрации горизонтальных колебаний пружина снимается с маятника, прибор поворачивается на 90 о и становится на три установочных винта. Маятник оканчивается легкой дюралюминиевой формой, на конце которой жестко укреплен легкий цилиндрический каркас из плексигласа с намотанными на нем двумя обмотками (катушками) из тонкого эмалированного медного провода. Катушка находится в цилиндрическом воздушном зазоре постоянного магнита. Одна из катушек служит для регистрации движения маятника, другая - для регулировки его затухания. Маятник со стойками и магнит смонтированы на плоской станине, которая жестко крепится в металлическом корпусе. Одна из боковых стенок для наблюдения за состоянием маятника сделана из плексигласа. Регистрация колебаний производится обычно при помощи малогабаритных гальванометров . Недостатком известного сейсмографа является низкая надежность, обусловленная наличием крестообразного подвеса. Резкие колебания (при взрывах, толчках) сминают или срезают пластины. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является сейсмограф ВБП-3, содержащий маятник, состоящий из двух неравных, но близких по величине масс, размещенных симметрично с двух сторон от оси вращения. Маятник выполнен в виде плоской алюминиевой рамки, на одной стороне которой для уменьшения массы высверлены отверстия. Для прочности у рамки имеются ребра жесткости. Латунные полуоси, закрепленные на рамке и посаженные в радиальные шарикоподшипники, образуют ось вращения маятника. Цилиндрическая рамка из электролитической меди, закрепленная на маятнике, служит для демпфирования его собственных колебаний. На рамку намотана тонким медным эмалированным проводом плоская индукционная катушка, служащая преобразователем. Маятник на подшипниках установлен в гнездах латунной скобы, жестко прикрепленной к полюсным наконечникам подковообразного постоянного магнита из сплава "Магнико". Полюсные наконечники из мягкого железа приклеены к магниту клеем БФ. На скобе на двух направляющих стержнях установлен еще цилиндрический сердечник из мягкого железа. В воздушном зазоре между полюсными наконечниками и сердечником образуется равномерное радиальное магнитное поле. При намагничивании сердечник снимается, иначе основной магнитный поток направляется через него, а не через магнит. Взамен сердечника в воздушный зазор вводится латунный клин, чтобы избежать поломки магнита. В этом зазоре находится медная рамка демпфера с индукционной катушкой преобразователя. При такой системе подвески маятник колеблется с угловыми поворотами до 30 о в обе стороны от положения равновесия, не ударяясь об ограничители (скобу). Магнит с маятником вставляется в выемку станины (шасси) и жестко крепится к ней перекладиной и болтами. Концы индукционной катушки выведены к колодке на станине. К ней же подведен кабель, пропущенный через герметичный сальник в станине. Защитный кожух из немагнитного материала прижимается болтами к станине через резиновую прокладку и обеспечивает герметичность прибора до давления в 2 атм. На станине укреплена ручка для переноски прибора. Жестко связанные между собой скоба, магнит, станина и кожух образуют основание прибора, которое при измерениях следует за движением объекта, маятник при этом стремится остаться в покое. В индукционной катушке возбуждается ЭДС, пропорциональная скорости движения основания относительно маятника. Эта ЭДС подается на клеммы гальванометра магнитоэлектрического осциллографа (регистратора) . Недостатком известного сейсмографа является низкая чувствительность, обусловленная тем, что подвес маятника осуществлен на осях, вращающихся в шарикоподшипниках. Цель изобретения - повышение чувствительности, расширение диапазона измерения в сторону нижних частот, противогрузочной способности и создание технической возможности размещения в вертикальных каналах и скважинах (уменьшение габаритов). На фиг.1 представлена конструктивная схема сейсмографа; на фиг.2 - узел качения; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 - узел I на фиг.3; на фиг.5 - разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг.6 - узел II на фиг.5. Сейсмограф состоит из жесткого цилиндрического корпуса 1 (герметичного), который через зажимное кольцо 2 шпильками 3 крепится к объекту 4 исследования. Внутри корпуса 1 размещено шасси 5, крепление которого к корпусу 1 осуществлено посредством стопорного резьбового кольца 6, фиксированного верхней запаянной крышкой 7. Для ликвидации взаимных подвижек корпуса 1 и шасси, вызванных различиями в температурных коэффициентах расширения материалов, предусмотрена предварительно нагруженная с усилием 400 Н плоская пружина 8, расположенная между днищем корпуса 1 и основанием шасси 5. Конструктивные шип и паз (без позиции) в данном соединении препятствуют повороту шасси 5 относительно корпуса 1. Внутри корпуса 1 размещен маятник 9, выполненный из титановой трубки со скошенными торцами и с технологическими и крепежными отверстиями на его образующей поверхности. Маятник 9 соединен с узлом качения 10 посредством титанового кронштейна 11. Сейсмограф имеет измерительный преобразователь перемещения маятника, демпфирующее устройство, узел компенсации момента силы тяжести и элементы связи и передачи информации на диспетчерский пункт. На несущей конструкции маятника 9 симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через центр тяжести, установлены по мере удаления от этого центра тяжести следующие элементы: замыкатель 12 (шунтирующая часть) преобразователя перемещения, каркас 13 из проводящего немагнитного материала с силовой обмоткой 14 узла компенсации и пассивный элемент 15 (медная пластинка) демпфирующего устройства. Кроме того, на маятнике 9 размещены элементы, повышающие жесткость маятника, и элементы балансировки маятника (не показаны). На шасси 5 закреплены ответные части: катушки 16 - активные системы преобразователя перемещения, магнитные системы 17 узла компенсации момента силы тяжести, магнитные системы 18 демпфирующих устройств, узел качения 10 (подвески) маятника 9, магнитные экраны 19, клеммные колодки (не показаны) и опорные элементы (не показаны) трассировки проводов (элементы связи и передачи информации на диспетчерский пункт). Активные системы - катушки 16 преобразователя перемещения состоят из П-образного магнитопровода, выполненного из электролитической стали, обмотки - из провода ПНЭТ - КСОТ, содержащих по 150 витков, и держателя с магнитами элементами фиксации провода. В конструкции держателя предусмотрены элементы, увеличивающие его жесткость (например, в виде дополнительных ребер жесткости). Магнитные системы 17 узла компенсации силы тяжести выполнены в виде коаксиально-цилиндрической конструкции с кольцевым магнитом (из материала 10 НДК 35Т5А) и магнитопроводов (из сплава 49 КФ 2), обеспечивающих цилиндрический рабочий зазор с индукцией магнитного поля 1 Тл. Обечайка (без позиции) магнитной системы 17 выполнена из титанового сплава. Соединение деталей магнитной системы осуществлено спецклеем, выдерживающим нагрев до 400 о С (например К-400). Кроме того, узел компенсации может быть выполнен в виде индукционного токовихревого привода, статорная часть которого жестко закреплена на шасси. Магнитные системы 18 демпфирующих устройств выполнены в виде О-образного магнитопровода с парой последовательно включенных магнитов. Элементы крепления магнитной системы допускают регулировку демпфирования путем шунтирования части рабочего магнитного потока. Магнитные экраны 19 представляют собой пластины из стали Ст10 и предназначены для ослабления влияния полей рассеяния магнитных систем на пассивные элементы - замыкатели 12 преобразователя перемещения маятника. Клеммная колодка выполнена из керамики и несет на себе клеммы, к которым методом контактной сварки присоединены провода. Опорные элементы трассировки проводов выполнены из керамики и расположены как на самом шасси, так и в специально отведенных каналах. Узел качения имеет опорный нож 20, жестко связанный при помощи кронштейна 11 с маятником 9, и вспомогательный нож 21, связанный с шасси 5 через упругий элемент 22 (силовая пружина). Ножи 20 и 21 установлены друг относительно друга встречно и имеют систему (регулировки) совмещения осевой линии их кромок закругления (осей ножей) по вертикали - гайка 23, и по горизонтали путем вращения ножа 21 вокруг продольной его оси стержнями, вставляемыми в специальные отверстия 24. Опорный узел подвески маятника выполнен из стали Р18, закаленной до HRC 65 ед, и представляет собой конструкцию, содержащую подушки 25 под опорный нож 20, пластины 26 - ограничители горизонтальных подвижек ножа, паз 27 для укладки силовой пружины 22 и винты 28 установки требуемого прижимного усилия с автофикcацией. Все элементы электромагнитных систем (преобразователя перемещения, демпфирующего устройства и узла компенсации) являются элементами оригинального исполнения, в основу которых заложены известные конструктивные и технологические приемы. Сейсмограф работает следующим образом. Принцип работы основан на преобразовании вертикальных возмущающих (вибрационных) перемещений основания сейсмографа во вращательные движения вертикального маятника 9 Голицына. Для приведения системы в равновесие в оси должен действовать постоянный, независящий от угла момент M m , компенсирующий действие силы тяжести. Значение этого момента определяется выражением M m = m g l cos , где m - масса маятника; g - ускорение свободного падения, l - длина рычага; - угол провисания. На центр тяжести (ЦТ) маятника 9 действует сила, создающая момент m g l. Компенсирующий момент создается парой сил электромагнитной системы 13, 14, 17. Причем неподвижным элементом являются магнитные системы 17, исключающие влияние внешних магнитных полей (за счет экранировки обмотки магнитопровода системы 17). Совокупность масс элементов 12, 13, 14, 15, массы маятника 9, а также их взаимное расположение (симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ЦТ маятника) на перифериях маятника определяют момент инерции I и положение ЦТ маятника. Пренебрегая трением в опоре узла качения 10, выражение для амплитудно-частотной характеристики (АЧК) можно представить в виде = 
где А вых - амплитуда перемещения замыкателя 12 преобразователя перемещения маятника; А вх - амплитуда вертикальных входных перемещений; - 6,28 F - круговая частота вибрационных воздействий; F - частота вибрации; o =
- собственная частота маятника;
bc - декремент затухания (подбирается в процессе настройки);
R - расстояние от оси вращения. Вращательное движение вертикального маятника 9 преобразуется с помощью замыкания 12 и катушки 16 в электрический сигнал. Индуктивный полумост, на базе которого выполнен преобразователь перемещения маятника, питается переменным напряжением частотой 5 кГц и амплитудой до 30 В (преимущественно 25 В). Электромагнитные системы 13, 14, 17, поддерживающие маятник 9 в подвешенном состоянии, питаются от стабилизатора тока, который соединен кабелем КУГВЭВ нг (по линии питания переменным напряжением 5 кГц) и кабелем КВВГЭ нг (по линии питания постоянным током). Сейсмограф прошел испытания и подтвердил свою эффективность. Сейсмограф компактен (габариты: высота корпуса Н = 350 мм 0,5, диаметр d = 74 мм 0,5) за счет использования некоторых узлов конструкции для выполнения нескольких функций. Так, узлы 13, 14, 17 кроме создания компенсационной пары сил выполняют дополнительную функцию демпфера. Ножи 20, 21, кроме выполнения функции оси вращения, несут функцию удержания контакта при перегрузках более 1 g за счет встречного расположения. Все элементы, размещенные на маятнике, кроме своих непосредственных функций создают дополнительный момент инерции, направленный на понижение резонансной частоты за счет периферийного размещения симметрично относительно ЦТ маятника. Корпус 1, кроме своих защитных функций, участвует в создании понижения добротности собственной резонансной частоты шасси 5 за счет использования системы крепления (гайка 6) и за счет легкой прессовой посадки шасси 5 в корпусе 1. Применение изобретения позволит повысить надежность эксплуатации промышленных агрегатов в районах с сейсмической активностью. Высокая чувствительность в области низких частот (0,1-2 Гц) делает этот прибор незаменимым при контроле начала аварийных ситуаций особенно на взрывоопасных объектах, использующих атомную энергию.
Формула изобретения
СЕЙСМОГРАФ, содержащий герметичный корпус, в котором размещены шасси, маятник, узел качения, электромагнитный преобразователь перемещения маятника, узел компенсации момента силы тяжести, электромагнитное демпфирующее устройство и элементы линии связи с регистратором, отличающийся тем, что электромагнитный преобразователь перемещения маятника, узел компенсации момента силы тяжести и электромагнитное демпфирующее устройство выполнены из двух идентичных систем, размещенных симметрично относительно плоскости, проходящей через центр тяжести маятника и перпендикулярной к его оси вращения, при этом маятник выполнен в виде протяженной фигурной полой цилиндрической формы, а узел качения выполнен в виде пары ножей, один из которых жестко закреплен на цилиндрической форме, а другой нож связан с шасси через упругий элемент, причем ножи размещены друг относительно друга встречно с возможностью установки осевой линии их кромок закругления по одной прямой, узел компенсации выполнен в виде коаксиально установленных магнитной системы, закрепленной на шасси, и полой глухой катушки, обмотка которой размещена на каркасе из проводящего немагнитного материала, жестко закрепленного на маятнике, на котором установлены пассивные элементы демпфирующего устройства и преобразователя перемещения маятника, а магнитные системы демпфирующего устройства и преобразователя перемещения закреплены на шасси, при этом пассивные элементы преобразователя перемещения маятника, узла компенсации момента силы тяжести и демпфирующего устройства размещены на противоположных концах цилиндрической формы маятника.
Вопрос 1. Что такое земная кора?
Земная кора - внешняя твёрдая оболочка (кора) Земли, верхняя часть литосферы.
Вопрос 2. Какие существуют виды земной коры?
Материковая кора. Она состоит из нескольких слоев. Верхний - слой осадочных горных пород. Мощность этого слоя до 10-15 км. Под ним залегает гранитный слой. Горные породы, которые его слагают, по своим физическим свойствам сходны с гранитом. Толщина этого слоя от 5 до 15 км. Под гранитным слоем располагается базальтовый слой, состоящий из базальта и горных пород, физические свойства которых напоминают базальт. Толщина этого слоя от 10 до 35 км.
Океаническая земная кора. Она отличается от материковой коры тем, что не имеет гранитного слоя или он очень тонок, поэтому толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.
Вопрос 3. Чем отличаются виды земной коры друг от друга?
Виды земной коры отличаются друг от друга толщиной. Общая толщина материковой земной коры достигает 30-70 км. Толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.
Вопрос 4. Почему мы не замечаем большую часть движений земной коры?
Потому что земная кора движется очень медленно, и только при трениях между плитами возникают землетрясения.
Вопрос 5. Куда и как движется твёрдая оболочка Земли?
Каждая точка земной коры движется: поднимается вверх или опускается вниз, смещается вперёд, назад, вправо или влево относительно других точек. Их совместные передвижения приводят к тому, что где-то земная кора медленно поднимается, где-то опускается.
Вопрос 6. Какие виды движения характерны для земной коры?
Медленные, или вековые, движения земной коры - это вертикальные движения поверхности Земли со скоростью до нескольких сантиметров в год, связанные с действием процессов, протекающих в её недрах.
Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.
Вопрос 7. Как называется наука, изучающая движения земной коры?
Наука, занимающаяся изучением землетрясений, называется сейсмологией, от слова «сейсмос» - колебания.
Вопрос 8. Что такое сейсмограф?
Все землетрясения чётко фиксируются чувствительными приборами, которые называются сейсмографами. Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.
Вопрос 9. Что такое очаг землетрясения?
Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром.
Вопрос 10. Где расположен эпицентр землетрясения?
Район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.
Вопрос 11. Чем отличаются виды движения земной коры?
Тем, что вековые движения земной коры происходят очень медленно и незаметно, а быстрые движения коры (землетрясения) – быстро и имеют разрушительные последствия.
Вопрос 12. Как можно обнаружить вековые движения земной коры?
В результате вековых движений земной коры на поверхности Земли сухопутные условия могут сменяться морскими - и наоборот. Так, например, можно обнаружить на Восточно-Европейской равнине окаменевшие раковины принадлежавшие моллюскам. Это говорит о том, что там когда-то было море, но дно поднялось и теперь там холмистая равнина.
Вопрос 13. Почему возникают землетрясения?
Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Большинство землетрясений возникает в районах сейсмических поясов, самый крупный из которых - Тихоокеанский.
Вопрос 14. В чём состоит принцип работы сейсмографа?
Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.
Вопрос 15. Какой принцип положен в основу определения силы землетрясения?
Силу землетрясений измеряют в баллах. Для этого разработана специальная 12-балльная шкала силы землетрясений. Силу землетрясения определяют по последствиям этого опасного процесса, то есть по разрушениям.
Вопрос 16. Почему вулканы чаще всего возникают на дне океанов или на их берегах?
Возникновение вулканов связано с прорывом на поверхность Земли вещества из мантии. Чаще всего это происходит там, где земная кора имеет небольшую толщину.
Вопрос 17. Используя карты атласа, определите, где чаще происходят извержения вулканов: на суше или на дне океана?
Больше всего извержений происходит на дне и берегах океанов на стыке литосферных плит. Например, вдоль Тихоокеанского побережья.
Сейсмограф
Сейсмограф
Сейсмограф - специальный измерительный прибор , который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие - к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).
До недавнего времени в качестве чувствительных элементов сейсмографов в основном использовались механические или электромеханические устройства. Вполне естественно, что стоимость таких инструментов, содержащих элементы точной механики, является настолько высокой, что они практически недоступны для рядового исследователя, а сложность механической системы и, соответственно, требования к качеству ее исполнения фактически означают невозможность изготовления подобных приборов в промышленных масштабах.
Бурное развитие микроэлектроники и квантовой оптики в настоящее время привело к появлению серьёзных конкурентов традиционным механическим сейсмографам в средне- и высокочастотной области спектра. Однако, такие устройства на основе микромашинной технологии, волоконной оптики или лазерной физики, обладают весьма неудовлетворительными характеристиками в области инфранизких частот (до нескольких десятков Гц), что является проблемой для сейсмологии (в частности, организации телесейсмических сетей).
Существует и принципиально иной подход к построению механической системы сейсмографа - замена твёрдой инерционной массы жидким электролитом. В таких устройствах внешний сейсмический сигнал вызывает поток рабочей жидкости, который, в свою очередь, преобразуется в электрический ток с помощью системы электродов. Чувствительные элементы подобного типа получили название молекулярно-электронных. Преимуществами сейсмографов с жидкой инерционной массой является низкая стоимость, продолжительный, порядка 15 лет, срок службы и отсутствие элементов точной механики, что резко упрощает их изготовление и эксплуатацию.
С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Сейсмограф … Орфографический словарь-справочник
- (греч., от seismos колебание, сотрясение, и grapho пишу). Аппарат для наблюдения землетрясений. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. СЕЙСМОГРАФ греч., от seismos, потрясение, и grapho, пишу. Аппарат для… … Словарь иностранных слов русского языка
Син. термина сейсмоприемник. Геологический словарь: в 2 х томах. М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др.. 1978 … Геологическая энциклопедия
Геофон, сейсмоприемник Словарь русских синонимов. сейсмограф сущ., кол во синонимов: 2 геофон (1) … Словарь синонимов
- (от сейсмо... и...граф) прибор для записи колебаний земной поверхности во время землетрясений или при взрывах. Основные части сейсмографа маятник и регистрирующее устройство … Большой Энциклопедический словарь
- (сейсмометр), прибор для измерения и записи СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН, вызванных движением (ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕМ или взрывом) в земной коре. Колебания записываются с помощью пишущего элемента на вращающемся барабане. Некоторые сейсмографы способны улавливать… … Научно-технический энциклопедический словарь
СЕЙСМОГРАФ, сейсмографа, муж. (от греч. seismos трясение и grapho пишу) (геол.). Прибор для автоматической записи колебаний земной поверхности. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
СЕЙСМОГРАФ, а, муж. Прибор для записи колебаний земной поверхности во время землетрясений или при взрывах. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Сейсмограф - - прибор, предназначенный для записи колебаний земной поверхности, вызываемых сейсмическими волнами. Состоит из маятника, например, стальной гирьки, которая на пружине или тонкой проволоке подвешена к стойке, прочно закрепленной в грунте.… … Нефтегазовая микроэнциклопедия
сейсмограф - Прибор для преобразования механических колебаний почвы в электрические и последующей записи на светочувствительной бумаге. [Словарь геологических терминов и понятий. Томский Государственный Университет] Тематики геология, геофизика Обобщающие… … Справочник технического переводчика
