Регистрация сейсмических колебаний

1. 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,
2. есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации,
3. возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС).

 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.

 В России четко сформулировано явление плавного перехода инерционной чувствительности вертикального и горизонтального сейсмометра в его чувствительность гравитационную по мере снижения частоты сигнала. 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 рис.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 приливы. Согласно традиционным представления нужно было бы продолжить линию " 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 рис.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. 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. На рис.3. показано радиальное (вертикальное) колебание Земли на основном тоне в 3580 сек. после землетрясения. 

 Покажем на рис.4, как выглядит трехкомпонентная запись сильного землетрясения после преобразования цифрового файла в визуальный.

Рис.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 № 1 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..

 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.

Заключение

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. Огромная благодарность за статью А.В.Рыкова - зав.лаб. сейсмометрии Института физики Земли РАН. Сейсмографы
2. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906.
3. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907.
4. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911.
5. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912.
6. Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор. Лит., М.1955 г.
7. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во "" Наука "" , М. 1974 г.
8. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г.
9. Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, "" Проблемы цунами "" , № 9, 1961 г.
10. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г.
11. А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., "" Наука "" , Сб. "" Сейсмические приборы "" , вып. 12, 1979 г.
12. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., "" Наука "" , 1992 г.
13. Wieland E.., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance // Bull. Seismol..Soc. Amer.,1982. Vol. 72. P.2349-2367.
14. Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232.
15. А.В.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. "" Сейсмические приборы "" , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г.
16. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html#1977
17. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии http:/ /www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549
18. http://earthquake.usgs.gov/
19. http://earthquake.usgs.gov/4kids/facts.html
20. http://neic.usgs.gov/neis/seismology/keeping_track.html
21. http://earthquake.usgs.gov/4kids/science.html
22. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html  - это сильнейшие землетрясения в мире.
23. 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.