Sejsmometr
| Część serii o |
| trzęsieniach ziemi |
|---|
 |
Sejsmometr to instrument, który reaguje na odgłosy i wstrząsy ziemi, takie jak spowodowane trzęsieniami ziemi , erupcjami wulkanów i eksplozjami . Zwykle są one łączone z urządzeniem do pomiaru czasu i urządzeniem rejestrującym, tworząc sejsmograf . Wyjściem takiego urządzenia – dawniej zapisywanym na papierze (patrz zdjęcie) lub kliszy, obecnie rejestrowanym i przetwarzanym cyfrowo – jest sejsmogram . Takie dane są wykorzystywane do lokalizowania i charakteryzowania trzęsień ziemi oraz do badania wewnętrznej struktury Ziemi.
Podstawowe zasady
Prosty sejsmometr, wrażliwy na ruchy Ziemi w górę iw dół, jest jak ciężarek zawieszony na sprężynie, oba zawieszone na ramie, która porusza się wraz z każdym wykrytym ruchem. Względny ruch między obciążnikiem (zwanym masą) a ramą zapewnia pomiar pionowego ruchu podłoża . Obracający się bęben jest przymocowany do ramy, a długopis jest przymocowany do ciężarka, rejestrując w ten sposób każdy ruch ziemi na sejsmogramie .
Każdy ruch z ziemi porusza ramę. Masa nie porusza się z powodu swojej bezwładności , a mierząc ruch między ramą a masą, można określić ruch podłoża.
Wczesne sejsmometry wykorzystywały dźwignie optyczne lub połączenia mechaniczne do wzmacniania niewielkich ruchów, rejestrując je na papierze pokrytym sadzą lub papierze fotograficznym. Nowoczesne instrumenty wykorzystują elektronikę. W niektórych systemach masa jest utrzymywana prawie nieruchomo względem ramy przez elektroniczną pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego . Mierzony jest ruch masy względem ramy, a pętla sprzężenia zwrotnego przykłada siłę magnetyczną lub elektrostatyczną, aby utrzymać masę w niemal bezruchu. Napięcie potrzebne do wytworzenia tej siły jest sygnałem wyjściowym sejsmometru, który jest rejestrowany cyfrowo.
W innych systemach ciężarek może się poruszać, a jego ruch wytwarza ładunek elektryczny w cewce przymocowanej do masy, której napięcie przemieszcza się przez pole magnetyczne magnesu przymocowanego do ramy. Ten projekt jest często używany w geofonie , który jest używany do poszukiwania ropy i gazu.
Obserwatoria sejsmiczne zwykle mają instrumenty mierzące trzy osie: północ-południe (oś y), wschód-zachód (oś x) i pionową (oś z). Jeśli mierzona jest tylko jedna oś, zwykle jest to pionowa, ponieważ jest mniej hałaśliwa i daje lepsze zapisy niektórych fal sejsmicznych. [ potrzebne źródło ]
Fundament stacji sejsmicznej ma kluczowe znaczenie. Profesjonalna stacja jest czasami montowana na podłożu skalnym . Najlepsze mocowania mogą znajdować się w głębokich otworach wiertniczych, które pozwalają uniknąć efektów termicznych, hałasu gruntu i przechyleń spowodowanych pogodą i pływami. Inne instrumenty są często montowane w izolowanych obudowach na małych zakopanych filarach z niezbrojonego betonu. Pręty zbrojeniowe i kruszywa zniekształciłyby pirs pod wpływem zmian temperatury. Miejsce jest zawsze badane pod kątem hałasu gruntu z tymczasową instalacją przed wylaniem pirsu i ułożeniem przewodu. Pierwotnie europejskie sejsmografy były umieszczane na określonym obszarze po niszczycielskim trzęsieniu ziemi. Obecnie są one rozproszone w celu zapewnienia odpowiedniego pokrycia (w przypadku sejsmologii słabych ruchów) lub skoncentrowane w regionach wysokiego ryzyka (sejsmologia silnych ruchów).
Nomenklatura
Słowo pochodzi od greckiego σεισμός, seismós , drżenie lub trzęsienie, od czasownika σείω, seíō , wstrząsać; i μέτρον, métron , do pomiaru, i został ukuty przez Davida Milne-Home'a w 1841 roku, aby opisać instrument zaprojektowany przez szkockiego fizyka Jamesa Davida Forbesa .
Seismograph to kolejny grecki termin od seismós i γράφω, gráphō , do rysowania. Często używa się go w znaczeniu sejsmometru , choć bardziej odnosi się to do starszych przyrządów, w których połączono pomiar i rejestrację ruchu gruntu, niż do nowoczesnych systemów, w których funkcje te są rozdzielone. Oba typy zapewniają ciągły zapis ruchu naziemnego; ten zapis odróżnia je od sejsmoskopów , które jedynie wskazują, że wystąpił ruch, być może z jakąś prostą miarą jego wielkości.
Dyscyplina techniczna dotycząca takich urządzeń nazywa się sejsmometrią , gałęzią sejsmologii .
Koncepcja pomiaru „wstrząsów” czegoś oznacza, że słowo „sejsmograf” może być używane w bardziej ogólnym znaczeniu. Na przykład stacja monitorująca, która śledzi zmiany w elektromagnetycznym wpływającym na amatorskie fale radiowe, przedstawia sejsmograf RF . A heliosejsmologia bada „trzęsienia” na Słońcu .
Historia
Pierwszy sejsmometr powstał w Chinach w II wieku. Został wynaleziony przez Zhang Henga , chińskiego matematyka i astronoma. Pierwszy zachodni opis urządzenia pochodzi od francuskiego fizyka i księdza Jeana de Hautefeuille w 1703 roku. Współczesny sejsmometr powstał w XIX wieku.
Sejsmometry zostały umieszczone na Księżycu począwszy od 1969 roku jako część pakietu Apollo Lunar Surface Experiments . W grudniu 2018 roku sejsmometr został umieszczony na planecie Mars przez lądownik InSight , po raz pierwszy sejsmometr został umieszczony na powierzchni innej planety.
Era starożytna
W starożytnym Egipcie Amenhotep , syn Hapu, wynalazł prekursora sejsmometru, pionowe drewniane słupy połączone z drewnianymi rynnami na centralnej osi służyły do napełniania wodą naczynia aż do zapełnienia w celu wykrycia trzęsień ziemi.
, że w 132 roku Zhang Heng z chińskiej dynastii Han wynalazł pierwszy sejsmoskop (zgodnie z powyższą definicją), który nazywał się Houfeng Didong Yi (przetłumaczone jako „przyrząd do pomiaru sezonowych wiatrów i ruchów Ziemi”) . Opis, który mamy, pochodzi z Historii późniejszej dynastii Han , mówi, że było to duże naczynie z brązu, o średnicy około 2 metrów; w ośmiu punktach wokół szczytu znajdowały się smocze głowy trzymające brązowe kule. Podczas trzęsienia ziemi jedna ze smoczych paszczy otwierała się i wrzucała kulę do ropuchy z brązu u podstawy, wydając dźwięk i rzekomo wskazując kierunek trzęsienia ziemi. Przynajmniej raz, prawdopodobnie w czasie dużego trzęsienia ziemi w Gansu w 143 rne sejsmoskop wskazywał na trzęsienie ziemi, mimo że nie było ono odczuwalne. Dostępny tekst mówi, że wewnątrz statku znajdowała się centralna kolumna, która mogła poruszać się po ośmiu torach; uważa się, że odnosi się to do wahadła, chociaż nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób było to powiązane z mechanizmem, który otwierałby paszczę tylko jednego smoka. Pierwsze trzęsienie ziemi odnotowane przez ten sejsmoskop miało miejsce podobno "gdzieś na wschodzie". Kilka dni później jeździec ze wschodu zgłosił to trzęsienie ziemi.
Wczesne projekty (1259–1839)
W XIII wieku w obserwatorium Maragheh (założonym w 1259 r.) w Persji istniały urządzenia sejsmograficzne, choć nie jest jasne, czy zostały one zbudowane niezależnie, czy w oparciu o pierwszy sejsmoskop. Francuski fizyk i ksiądz Jean de Hautefeuille opisał sejsmoskop w 1703 r., który wykorzystywał miskę wypełnioną rtęcią, która przelewała się do jednego z ośmiu odbiorników równomiernie rozmieszczonych wokół miski, chociaż nie ma dowodów na to, że faktycznie skonstruował to urządzenie. Sejsmoskop rtęciowy został skonstruowany w 1784 lub 1785 roku przez Atanasio Cavalli, którego kopię można znaleźć w Bibliotece Uniwersyteckiej w Bolonii, a kolejny sejsmoskop rtęciowy skonstruował Niccolò Cacciatore w 1818 roku . James Lind zbudował również narzędzie sejsmologiczne nieznanego projektu lub skuteczność (znana jako maszyna do trzęsienia ziemi) pod koniec lat dziewięćdziesiątych XVIII wieku.
W tym samym czasie rozwijały się urządzenia wahadłowe. Neapolitański przyrodnik Nicola Cirillo założył sieć wahadłowych detektorów trzęsień ziemi po trzęsieniu ziemi w Apulii w 1731 r., Gdzie amplitudę wykryto za pomocą kątomierza do pomiaru ruchu wahadłowego. Benedyktyński mnich Andrea Bina rozwinął tę koncepcję w 1751 r., Kiedy wahadło tworzyło ślady na piasku pod mechanizmem, zapewniając zarówno wielkość, jak i kierunek ruchu. Neapolitański zegarmistrz Domenico Salsano wyprodukował podobne wahadło, które rejestrowało się za pomocą pędzla w 1783 r., Oznaczając je jako geo-sismometro , prawdopodobnie pierwsze użycie podobnego słowa do sejsmometru . Przyrodnik Nicolo Zupo wymyślił przyrząd do jednoczesnego wykrywania zakłóceń elektrycznych i trzęsień ziemi (1784).
Pierwsze umiarkowanie udane urządzenie do wykrywania czasu trzęsienia ziemi zostało opracowane przez Ascanio Filomarino w 1796 r., Który udoskonalił instrument wahadłowy Salsano, używając ołówka do zaznaczania i używając włosa przyczepionego do mechanizmu, aby zahamować ruch zegara koło balansowe . Oznaczało to, że zegar uruchamiał się dopiero po wystąpieniu trzęsienia ziemi, co pozwalało na określenie czasu jego wystąpienia.
Po trzęsieniu ziemi, które miało miejsce 4 października 1834 r., Luigi Pagani zauważył, że sejsmoskop rtęciowy znajdujący się na Uniwersytecie Bolońskim całkowicie się przelał i nie dostarczył użytecznych informacji. Dlatego opracował przenośne urządzenie, które wykorzystywało ołowiany śrut do wykrywania kierunku trzęsienia ziemi, w którym ołów wpadał do czterech pojemników ułożonych w okrąg, aby określić kwadrant występowania trzęsienia ziemi. Ukończył instrument w 1841 roku.
Wczesne projekty nowożytne (1839–1880)
W odpowiedzi na serię trzęsień ziemi w pobliżu Comrie w Szkocji w 1839 roku, w Wielkiej Brytanii utworzono komitet w celu wyprodukowania lepszych urządzeń wykrywających trzęsienia ziemi. Rezultatem tego był odwrócony sejsmometr wahadłowy skonstruowany przez Jamesa Davida Forbesa , po raz pierwszy przedstawiony w raporcie Davida Milne-Home'a w 1842 r., W którym rejestrowano pomiary aktywności sejsmicznej za pomocą ołówka umieszczonego na papierze nad wahadłem. Według raportów Milne'a dostarczone projekty nie okazały się skuteczne. To Milne ukuł to słowo sejsmometr w 1841 roku, aby opisać ten instrument. W 1843 r. Pierwsze wahadło poziome zostało użyte w sejsmometrze, o którym poinformował Milne (choć nie jest jasne, czy był on pierwotnym wynalazcą). Po tych wynalazkach Robert Mallet opublikował artykuł z 1848 r., W którym zasugerował pomysły na projekt sejsmometru, sugerując, że takie urządzenie musiałoby rejestrować czas, rejestrować amplitudy w poziomie i w pionie oraz ustalać kierunek. Jego sugerowany projekt został sfinansowany i podjęto próbę budowy, ale jego ostateczny projekt nie spełnił jego oczekiwań i miał te same problemy, co projekt Forbesa, był niedokładny i nie rejestrował się sam.
Karl Kreil skonstruował sejsmometr w Pradze w latach 1848-1850, który wykorzystywał zawieszone punktowo sztywne cylindryczne wahadło pokryte papierem, na którym rysowano ołówkiem. Cylinder obracano co 24 godziny, podając przybliżony czas wystąpienia danego trzęsienia.
Luigi Palmieri , pod wpływem artykułu Malleta z 1848 r., wynalazł w 1856 r. sejsmometr, który mógł rejestrować czas trzęsienia ziemi. To urządzenie wykorzystywało metalowe wahadła, które zamykały obwód elektryczny za pomocą wibracji, które następnie zasilały elektromagnes w celu zatrzymania zegara. Sejsmometry Palmieri były szeroko rozpowszechnione i używane przez długi czas.
W 1872 roku komitet w Wielkiej Brytanii kierowany przez Jamesa Bryce'a wyraził niezadowolenie z obecnie dostępnych sejsmometrów, nadal używając dużego urządzenia Forbesa z 1842 roku znajdującego się w kościele parafialnym Comrie, i zażądał sejsmometru, który był kompaktowy, łatwy w instalacji i łatwy do odczytania . W 1875 roku zdecydowali się na duży przykład urządzenia Mallet, składającego się z szeregu cylindrycznych kołków różnych rozmiarów, zainstalowanych pod kątem prostym względem siebie na piaszczystym podłożu, gdzie większe trzęsienia ziemi powaliłyby większe szpilki. To urządzenie zostało zbudowane w „Earthquake House” niedaleko Comrie, który można uznać za pierwsze na świecie specjalnie zbudowane obserwatorium sejsmologiczne. Od 2013 r. żadne trzęsienie ziemi nie było na tyle duże, aby spowodować upadek któregokolwiek z cylindrów w oryginalnym urządzeniu lub replikach.
Pierwsze sejsmografy (1880-)
Pierwsze sejsmografy zostały wynalezione w latach 70. i 80. XIX wieku. Pierwszy sejsmograf został wyprodukowany przez Filippo Cecchi około 1875 roku. Sejsmoskop wyzwalał urządzenie w celu rozpoczęcia nagrywania, a następnie powierzchnia rejestrująca automatycznie generowała graficzną ilustrację wstrząsów (sejsmogram). Jednak instrument nie był wystarczająco czuły, a pierwszy sejsmogram wyprodukowany przez instrument miał miejsce w 1887 r., Kiedy to John Milne zademonstrował już swój projekt w Japonii .
W 1880 roku zespół Johna Milne'a , Jamesa Alfreda Ewinga i Thomasa Graya , którzy pracowali jako doradcy rządu zagranicznego w Japonii w latach 1880-1895, opracował pierwszy poziomy sejsmometr wahadłowy. Milne, Ewing i Gray, wszyscy zatrudnieni przez rząd Meiji w ciągu ostatnich pięciu lat, aby pomóc w modernizacji Japonii wysiłki, założył Towarzystwo Sejsmologiczne Japonii w odpowiedzi na trzęsienie ziemi, które miało miejsce 22 lutego 1880 roku w Jokohamie. W ciągu następnego roku Ewing skonstruował dwa instrumenty, jeden to sejsmometr ze wspólnym wahadłem, a drugi to pierwszy sejsmometr wykorzystujący tłumione wahadło poziome. Innowacyjny system nagrywania pozwolił na ciągły zapis, jako pierwszy. Pierwszy sejsmogram zarejestrowano 3 listopada 1880 roku na obu instrumentach Ewinga. Nowoczesne sejsmometry ostatecznie wywodzą się z tych projektów. Milne był nazywany „ojcem współczesnej sejsmologii”, a jego projekt sejsmografu został nazwany pierwszym nowoczesnym sejsmometrem.
Dało to pierwszy skuteczny pomiar ruchu poziomego. Gray stworzył pierwszą niezawodną metodę rejestrowania ruchu pionowego, która dała pierwsze skuteczne nagrania 3-osiowe.
Wczesny sejsmometr specjalnego przeznaczenia składał się z dużego, stacjonarnego wahadła z rysikiem na spodzie. Gdy ziemia zaczęła się poruszać, ciężka masa wahadła miała bezwładność, aby pozostać nieruchomo w ramie . W rezultacie rysik wydrapał wzór odpowiadający ruchowi Ziemi. Ten typ sejsmometru o silnym ruchu zarejestrował na przydymionym szkle (szkle z sadzą węglową ). Chociaż instrument ten nie jest wystarczająco czuły, aby wykryć odległe trzęsienia ziemi, może wskazać kierunek fal ciśnienia, a tym samym pomóc znaleźć epicentrum lokalnego trzęsienia. Takie instrumenty były przydatne w analizie trzęsienia ziemi w San Francisco w 1906 roku . Dalsza analiza została przeprowadzona w latach 80. XX wieku przy użyciu tych wczesnych nagrań, umożliwiając dokładniejsze określenie lokalizacji początkowego pęknięcia uskoku w hrabstwie Marin i jego późniejszej progresji, głównie w kierunku południowym.
Później profesjonalne zestawy instrumentów dla ogólnoświatowej standardowej sieci sejsmograficznej miały jeden zestaw instrumentów dostrojony do oscylacji po piętnastu sekundach, a drugi po dziewięćdziesięciu sekundach, z których każdy mierzył w trzech kierunkach. Amatorzy lub obserwatoria z ograniczonymi środkami dostroili swoje mniejsze, mniej czułe instrumenty do dziesięciu sekund. Podstawowy sejsmometr z wahadłem poziomym z tłumieniem kołysze się jak brama w ogrodzeniu. Na czubku długiego (od 10 cm do kilku metrów) trójkąta zamocowany jest ciężarek, zamocowany zawiasowo na jego pionowej krawędzi. Gdy ziemia się porusza, ciężar pozostaje nieruchomy, kołysząc „bramą” na zawiasie.
Zaletą wahadła poziomego jest to, że osiąga bardzo niskie częstotliwości oscylacji w kompaktowym instrumencie. „Brama” jest lekko pochylona, więc ciężarek ma tendencję do powolnego powrotu do pozycji centralnej. Wahadło jest ustawione (przed zainstalowaniem tłumienia) tak, aby oscylowało raz na trzy sekundy lub raz na trzydzieści sekund. Instrumenty ogólnego przeznaczenia małych stacji lub amatorów zwykle oscylują raz na dziesięć sekund. Miskę z olejem umieszcza się pod ramieniem, a mały arkusz metalu zamontowany na spodzie ramienia wciąga olej w celu tłumienia oscylacji. Poziom oleju, pozycja na ramieniu oraz kąt i rozmiar blachy są regulowane do momentu, gdy tłumienie jest „krytyczne”, czyli prawie oscylujące. Zawias ma bardzo niskie tarcie, często skręcane druty, więc jedynym tarciem jest tarcie wewnętrzne drutu. Małe sejsmografy o małej masie próbnej są umieszczane w próżni, aby zredukować zakłócenia powodowane przez prądy powietrza.
Zollner opisał zawieszone skrętnie wahadła poziome już w 1869 roku, ale opracował je raczej dla grawimetrii niż sejsmometrii.
Wczesne sejsmometry miały układ dźwigni na wysadzanych klejnotami łożyskach, aby zarysować wędzone szkło lub papier. Później lustra odbijały wiązkę światła na płytę rejestrującą bezpośrednio lub rolkę papieru fotograficznego. Krótko mówiąc, niektóre projekty powróciły do ruchów mechanicznych, aby zaoszczędzić pieniądze. W systemach z połowy XX wieku światło było odbijane do pary różnicowych elektronicznych fotoczujników zwanych fotopowielaczem. Napięcie generowane w fotopowielaczu służyło do napędzania galwanometrów, które miały zamontowane na osi małe lusterko. Poruszająca się odbita wiązka światła uderzałaby w powierzchnię obracającego się bębna, który był pokryty światłoczułym papierem. Koszt opracowania papieru światłoczułego spowodował, że wiele obserwatoriów sejsmicznych przeszło na papier atramentowy lub termoczuły.
Po drugiej wojnie światowej sejsmometry opracowane przez Milne'a, Ewinga i Graya zostały zaadaptowane do szeroko stosowanego sejsmometru Press-Ewinga.
Nowoczesne instrumenty
Nowoczesne instrumenty wykorzystują elektroniczne czujniki, wzmacniacze i urządzenia rejestrujące. Większość z nich to łącza szerokopasmowe obejmujące szeroki zakres częstotliwości. Niektóre sejsmometry mogą mierzyć ruchy o częstotliwości od 500 Hz do 0,00118 Hz (1/500 = 0,002 sekundy na cykl, do 1/0,00118 = 850 sekund na cykl). Mechaniczne zawieszenie instrumentów poziomych pozostaje opisaną powyżej bramą ogrodową. Instrumenty pionowe wykorzystują pewnego rodzaju zawieszenie o stałej sile, takie jak LaCoste . Zawieszenie LaCoste wykorzystuje sprężynę o zerowej długości, aby zapewnić długi okres (wysoka czułość). Niektóre nowoczesne instrumenty używają a Konstrukcja „trójosiowa” lub „Galperin” , w której trzy identyczne czujniki ruchu są ustawione pod tym samym kątem do pionu, ale co 120 stopni w poziomie. Ruchy pionowe i poziome można obliczyć na podstawie danych wyjściowych trzech czujników.
Sejsmometry nieuchronnie wprowadzają pewne zniekształcenia do mierzonych sygnałów, ale profesjonalnie zaprojektowane systemy mają starannie scharakteryzowane transformacje częstotliwości.
Nowoczesne czułości występują w trzech szerokich zakresach: geofony , od 50 do 750 V / m; lokalne sejsmografy geologiczne, około 1500 V/m; i telesejsmografy używane do badań światowych, około 20 000 V / m. Instrumenty występują w trzech głównych odmianach: krótkookresowe, długookresowe i szerokopasmowe. Krótkie i długie okresy mierzą prędkość i są bardzo czułe, jednak „przecinają” sygnał lub wychodzą poza skalę w przypadku ruchu naziemnego, który jest wystarczająco silny, aby ludzie mogli go odczuć. 24-bitowy kanał konwersji analogowo-cyfrowej jest powszechny. Praktyczne urządzenia są liniowe z dokładnością do jednej części na milion.
Dostarczane sejsmometry są dostarczane z dwoma rodzajami wyjść: analogowym i cyfrowym. Sejsmografy analogowe wymagają analogowego sprzętu rejestrującego, prawdopodobnie zawierającego przetwornik analogowo-cyfrowy. Dane wyjściowe z cyfrowego sejsmografu można po prostu wprowadzić do komputera. Przedstawia dane w standardowym formacie cyfrowym (często „SE2” przez Ethernet ).
Telesejsmometry
Współczesny sejsmograf szerokopasmowy może rejestrować bardzo szeroki zakres częstotliwości . Składa się z małej „masy próbnej”, ograniczonej siłami elektrycznymi, napędzanymi przez wyrafinowaną elektronikę . Gdy ziemia się porusza, elektronika próbuje utrzymać masę stabilnie poprzez obwód zwrotnego . Następnie rejestruje się siłę potrzebną do osiągnięcia tego celu.
W większości konstrukcji elektronika utrzymuje masę nieruchomą względem ramy. To urządzenie nazywa się „akcelerometrem równowagi sił”. Mierzy przyspieszenie zamiast prędkości ruchu ziemi. Zasadniczo odległość między masą a jakąś częścią ramy jest mierzona bardzo dokładnie przez liniowy transformator różnicowy . Niektóre instrumenty wykorzystują liniowy kondensator różnicowy .
Pomiar ten jest następnie wzmacniany przez elektroniczne wzmacniacze dołączone do części elektronicznej pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego . Jeden ze wzmocnionych prądów z pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego napędza cewkę bardzo podobną do głośnika . W rezultacie masa pozostaje prawie nieruchoma.
Większość przyrządów mierzy bezpośrednio ruch gruntu za pomocą czujnika odległości. Napięcie generowane w cewce czujnikowej na masie przez magnes bezpośrednio mierzy chwilową prędkość ziemi. Prąd doprowadzany do cewki napędowej zapewnia czuły, dokładny pomiar siły między masą a ramą, mierząc w ten sposób bezpośrednio przyspieszenie podłoża (za pomocą f=ma, gdzie f=siła, m=masa, a=przyspieszenie).
Jednym z ciągłych problemów z czułymi sejsmografami pionowymi jest wyporność ich mas. Nierównomierne zmiany ciśnienia powodowane przez wiatr wiejący przez otwarte okno mogą łatwo zmienić gęstość powietrza w pomieszczeniu na tyle, że pionowy sejsmograf pokazuje fałszywe sygnały. Dlatego większość profesjonalnych sejsmografów jest zamknięta w sztywnych, gazoszczelnych obudowach. Na przykład dlatego popularny model Streckeisen ma grubą szklaną podstawę, którą należy przykleić do podstawy bez pęcherzyków w kleju.
Może wydawać się logiczne, aby ciężki magnes służył jako masa, ale naraża to sejsmograf na błędy, gdy porusza się pole magnetyczne Ziemi. Z tego też powodu ruchome części sejsmografu są zbudowane z materiału, który minimalnie oddziałuje z polami magnetycznymi. Sejsmograf jest również wrażliwy na zmiany temperatury, dlatego wiele instrumentów jest zbudowanych z materiałów o niskiej rozszerzalności, takich jak niemagnetyczny inwar .
Zawiasy sejsmografu są zwykle opatentowane, a do czasu wygaśnięcia patentu konstrukcja została ulepszona. Najbardziej udane projekty należące do domeny publicznej wykorzystują zawiasy z cienkiej folii w zacisku.
Inną kwestią jest to, że funkcja przenoszenia sejsmografu musi być dokładnie scharakteryzowana, aby znana była jego odpowiedź częstotliwościowa. Jest to często zasadnicza różnica między instrumentami profesjonalnymi i amatorskimi. Większość instrumentów charakteryzuje się na stole wytrząsającym o zmiennej częstotliwości.
Sejsmometry o silnym ruchu
Innym rodzajem sejsmometru jest cyfrowy sejsmometr o silnym ruchu lub akcelerograf . Dane z takiego instrumentu są niezbędne do zrozumienia, w jaki sposób trzęsienie ziemi wpływa na konstrukcje wykonane przez człowieka, poprzez inżynierię sejsmiczną . Zapisy z takich instrumentów są kluczowe dla oceny zagrożenia sejsmicznego poprzez sejsmologię inżynierską .
Sejsmometr o silnym ruchu mierzy przyspieszenie. Można to zintegrować matematycznie , aby uzyskać prędkość i położenie. Sejsmometry do silnych ruchów nie są tak czułe na ruchy gruntu jak instrumenty telesejsmiczne, ale zachowują skalę podczas najsilniejszych wstrząsów sejsmicznych.
Silne czujniki ruchu są używane do aplikacji mierników intensywności.
Inne formy
Akcelerografy i geofony to często ciężkie cylindryczne magnesy z zamontowaną wewnątrz sprężyną cewką. Gdy obudowa się porusza, cewka ma tendencję do pozostawania nieruchomą, więc pole magnetyczne przecina przewody, indukując prąd w przewodach wyjściowych. Odbierają częstotliwości od kilkuset Hz do 1 Hz. Niektóre mają elektroniczne tłumienie, niskobudżetowy sposób na uzyskanie części wydajności szerokopasmowych sejsmografów geologicznych z zamkniętą pętlą.
Akcelerometry z wiązką naprężeń zbudowane jako układy scalone są zbyt niewrażliwe dla sejsmografów geologicznych (2002), ale są szeroko stosowane w geofonach.
Niektóre inne czułe konstrukcje mierzą prąd generowany przez przepływ niekorozyjnego płynu jonowego przez gąbkę elektretową lub płyn przewodzący przez pole magnetyczne .
Połączone sejsmometry
Sejsmometry rozmieszczone w szyku sejsmicznym mogą być również używane do precyzyjnego lokalizowania, w trzech wymiarach, źródła trzęsienia ziemi, wykorzystując czas potrzebny do rozchodzenia się fal sejsmicznych z hipocentrum , punktu inicjującego pęknięcie uskoku (Zobacz także Lokalizacja trzęsienia ziemi ). Połączone ze sobą sejsmometry są również wykorzystywane w ramach Międzynarodowego Systemu Monitorowania do wykrywania podziemnych próbnych wybuchów jądrowych , a także do wczesnego ostrzegania o trzęsieniach ziemi systemy. Te sejsmometry są często używane jako część projektów rządowych lub naukowych na dużą skalę, ale niektóre organizacje, takie jak Quake-Catcher Network , mogą również używać wykrywaczy wielkości mieszkalnych wbudowanych w komputery do wykrywania trzęsień ziemi.
W sejsmologii refleksyjnej szereg sejsmometrów obrazuje cechy podpowierzchniowe. Dane są redukowane do obrazów za pomocą algorytmów podobnych do tomografii . Metody redukcji danych przypominają metody tomografii komputerowej wspomaganej obrazowaniem medycznym aparatów rentgenowskich (skanów CAT) lub sonarów obrazujących .
Ogólnoświatowa tablica sejsmometrów może faktycznie zobrazować wnętrze Ziemi w zakresie prędkości fal i przepuszczalności. Ten typ systemu wykorzystuje zdarzenia takie jak trzęsienia ziemi, uderzenia lub wybuchy jądrowe jako źródła fal. Pierwsze próby tej metody polegały na ręcznej redukcji danych z papierowych wykresów sejsmograficznych. Nowoczesne cyfrowe zapisy sejsmograficzne są lepiej przystosowane do bezpośredniego użytku z komputerem. Dzięki niedrogim projektom sejsmometrów i dostępowi do Internetu amatorzy i małe instytucje utworzyły nawet „publiczną sieć sejsmografów”.
Systemy sejsmograficzne używane do poszukiwań ropy naftowej lub innych minerałów w przeszłości wykorzystywały materiał wybuchowy i linię przewodową geofonów rozwinięty za ciężarówką. Obecnie większość systemów bliskiego zasięgu używa „łomotów”, które uderzają w ziemię, a niektóre małe systemy komercyjne mają tak dobre cyfrowe przetwarzanie sygnału, że kilka uderzeń młota zapewnia wystarczający sygnał do badań refrakcyjnych na krótkich dystansach. Egzotyczne krzyżowe lub dwuwymiarowe układy geofonów są czasami używane do wykonywania trójwymiarowego obrazowania refleksyjnego obiektów podpowierzchniowych. Podstawowe oprogramowanie do geomapowania liniowego refrakcyjnego (kiedyś czarna grafika) jest dostępne od ręki, działające na laptopach, przy użyciu ciągów tak małych jak trzy geofony. Niektóre systemy są teraz dostarczane w 18-calowej (0,5 m) plastikowej obudowie polowej z komputerem, wyświetlaczem i drukarką w pokrywie.
Małe systemy obrazowania sejsmicznego są obecnie wystarczająco niedrogie, aby mogły być używane przez inżynierów budownictwa do badania miejsc fundamentów, lokalizowania podłoża skalnego i znajdowania wód podpowierzchniowych.
Kable światłowodowe jako sejsmometry
Odkryto nową technikę wykrywania trzęsień ziemi za pomocą kabli światłowodowych . W 2016 roku zespół metrologów prowadzący metrologii częstotliwości w Anglii zaobserwował hałas o kształcie fali przypominającym fale sejsmiczne generowane przez trzęsienia ziemi. Stwierdzono, że odpowiada to obserwacjom sejsmologicznym trzęsienia ziemi o sile M w 6,0 we Włoszech, oddalonych o ~ 1400 km. Dalsze eksperymenty w Anglii, we Włoszech oraz z podmorskim kablem światłowodowym na Maltę wykryły dodatkowe trzęsienia ziemi, w tym jedno oddalone o 4100 km i M L Trzęsienie ziemi o sile 3,4 w odległości 89 km od kabla.
Fale sejsmiczne są wykrywalne, ponieważ powodują mikrometrowe zmiany długości kabla. Wraz ze zmianą długości zmienia się czas potrzebny paczce światła na przejście do drugiego końca kabla iz powrotem (przy użyciu drugiego włókna). Używając ultrastabilnych laserów klasy metrologicznej, te niezwykle drobne przesunięcia taktowania (rzędu femtosekund ) pojawiają się jako zmiany fazowe.
Punkt, w którym kabel został najpierw zakłócony przez falę p trzęsienia ziemi (zasadniczo falę dźwiękową w skale), można określić, wysyłając pakiety w obu kierunkach w zapętlonej parze światłowodów; różnica w czasach nadejścia pierwszej pary zakłóconych pakietów wskazuje odległość wzdłuż kabla. Ten punkt jest jednocześnie punktem najbliższym epicentrum trzęsienia ziemi, który powinien znajdować się na płaszczyźnie prostopadłej do kabla. Różnica między czasami nadejścia fali p / fali s zapewnia odległość (w idealnych warunkach), ograniczającą epicentrum do okręgu. Potrzebne jest drugie wykrycie na kablu nierównoległym, aby rozwiązać niejednoznaczność wynikowego rozwiązania. Dodatkowe obserwacje ograniczają lokalizację epicentrum trzęsienia ziemi i mogą określić głębokość.
Oczekuje się, że technika ta będzie dobrodziejstwem w obserwowaniu trzęsień ziemi, zwłaszcza tych mniejszych, w rozległych częściach globalnego oceanu, gdzie nie ma sejsmometrów, a kosztem znacznie tańszym niż sejsmometry dna oceanu.
Głęboka nauka
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda stworzyli algorytm głębokiego uczenia się o nazwie UrbanDenoiser, który może wykrywać trzęsienia ziemi, szczególnie w miastach miejskich. Algorytm odfiltrowuje szum tła z szumu sejsmicznego zebranego z ruchliwych miast na obszarach miejskich w celu wykrycia trzęsień ziemi.
Nagranie
Obecnie najczęściej spotykanym rejestratorem jest komputer z przetwornikiem analogowo-cyfrowym, dyskiem i łączem internetowym; dla amatorów wystarczy komputer PC z kartą dźwiękową i odpowiednim oprogramowaniem. Większość systemów rejestruje w sposób ciągły, ale niektóre rejestrują tylko po wykryciu sygnału, na co wskazuje krótkotrwały wzrost zmienności sygnału w porównaniu z długoterminową średnią (która może zmieniać się powoli z powodu zmian w hałasie sejsmicznym) [ potrzebne źródło ] , znany również jako wyzwalacz STA/LTA.
Przed udostępnieniem cyfrowego przetwarzania danych sejsmicznych pod koniec lat 70. zapisy prowadzono w kilku różnych formach na różnych typach nośników. Bęben „Helicorder” był urządzeniem służącym do zapisywania danych na papierze fotograficznym lub w postaci papieru i atramentu. „Develocorder” to maszyna, która zapisuje dane z maksymalnie 20 kanałów na 16-milimetrowej taśmie filmowej. Nagrany film może być oglądany przez maszynę. Odczyt i pomiar z tego typu nośników można wykonać ręcznie. Po zastosowaniu obróbki cyfrowej archiwa danych sejsmicznych utrwalono na taśmach magnetycznych. Ze względu na niszczenie starszych nośników taśm magnetycznych, dużej liczby przebiegów z archiwów nie można odzyskać.
Zobacz też
- Akcelerometr
- Galitzine, Borys Borysowicz
- Geofon
- Inge Lehmann
- Konsorcjum IRIS
- Johna Milne'a
- Sieć sejsmiczna północno-zachodniego Pacyfiku
- Płyty tektoniczne
- Sieć Quake-Catcher
- Skala wielkości Richtera
Linki zewnętrzne
- Historia wczesnych sejsmometrów
- Sejsmograf amatorski firmy Lehman firmy Scientific American - nie jest przeznaczony do pomiarów kalibrowanych.
- Profesjonalny projekt amatorskiego telesejsmografu autorstwa Seana Morriseya Zobacz także wersję autorstwa Keitha Payei. Oba dostępne 29.09.2010 Morrissey był zawodowym inżynierem instrumentów sejsmograficznych. Ta doskonała konstrukcja wykorzystuje sprężynę o zerowej długości, aby uzyskać 60-sekundowy okres, aktywne sprzężenie zwrotne i wyjątkowo wygodny przetwornik różnicowy o zmiennej reluktancji, z częściami zebranymi ze sklepu z narzędziami. Transformacja częstotliwości została starannie zaprojektowana, w przeciwieństwie do większości instrumentów amatorskich. Morrisey nie żyje, ale strona nadal działa jako usługa publiczna.
- SeisMac to bezpłatne narzędzie dla najnowszych laptopów Macintosh, które implementuje trójosiowy sejsmograf w czasie rzeczywistym.
- The Development Of Very-Broad-Band Seismography: Quanterra And The Iris Collaboration omawia historię rozwoju podstawowej technologii w globalnych badaniach trzęsień ziemi.
- Wideo przedstawiające sejsmograf w Hawaiian Volcano Observatory – na Flickr – pobrane 15.06.2009.
- Sejsmoskop – Referencje badawcze 2012
- Iris EDU – jak działa sejsmometr?
- Sejsmometry, sejsmografy, sejsmogramy – czym się różnią? Jak oni pracują? – USGS
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
