Сеизмометър (сеизмограф) — дефиниция и как работи

Научете как сеизмометърът измерва движението на Земята, записва сеизмограми и разкрива вътрешността на планетата — принципи, приложения и значение.

Сеизмометърът или сеизмографът е инструмент, който измерва движенията на земята, включително тези, породени от земетресения, ядрени експлозии и други източници.

Записите на сеизмичните вълни, наречени сеизмограми, ни позволяват да картографираме вътрешността на Земята, както и да открием и измерим размера на тези различни източници.

Думата произлиза от гръцката дума seismós - разтърсване или земетресение, от глагола σείω - seíō - разтърсвам, и μέτρον - métron - измервам.

Техниката на използване на сеизмометър за създаване на картина на вътрешността на Земята се нарича сеизмична томография.

Как работи сеизмометърът

В основата на повечето сеизмометри стои принципът за инерция: вътре в корпуса се намира маса (инертен елемент), която поради своята инерция остава относително неподвижна, когато корпусът (и земното подложие) се движи. Относителното движение между корпуса и масата се преобразува в електрически сигнал с помощта на трансдукционен елемент — например бобина и магнит (електромагнитен трансдюсер), пьезоелектрически елемент или микромеханичен (MEMS) сензор.

За да се избегнат продължителни колебания и да се подобри честотният отговор, в механизма се използва демпфериране. Честотните характеристики на сеизмометъра определят за какъв диапазон от периоди (или честоти) той е чувствителен — от кратки, бързи трусове до много дълги, бавни вълни.

Основни компоненти

• Инертна маса (маса/панделка) — основният измервателен елемент.
• Подпора и пружина — връзката между масата и корпуса, която определя собствената честота.
• Демпфериране — намалява резонансните колебания.
• Трансдюсер — преобразува механичното относително движение в електрически сигнал (електромагнитен, пьезоелектрически, електростатичен, MEMS и др.).
• Електроника — усилване, филтриране и аналогово-цифрово преобразуване (ADC).
• Часово маркиране — синхронизация (често чрез GPS) за точно време на запис, важно при локализиране на събития.

Видове сеизмометри

• Къс-периодни (short-period) — чувствителни към по-високи честоти (локални трусове).
• Широколентови (broadband) — покриват широк честотен диапазон, подходящи за телесейсмика и дълги вълни.
• Геофони — често използвани при инженерни проучвания и сондажи; представляват вид сензор за скорост на движение.
• Масивни и многокомпонентни — трикомпонентни (вертикална + две хоризонтални) или масиви от множество сензори за по-прецизно локализиране и анализ.
• Подводни сеизмометри (OBS) — поставят се на морското дъно за изучаване на подводни трусове и структури.
• Бурови/засипани — инсталирани в шахти или сондажи за по-нисък фонов шум и по-добра чувствителност.
• MEMS сеизмометри — микросензори за масово разполагане в мрежи и мобилни приложения.

Какво показва сеизмограмата и как се използва

На сеизмограмата се различават основните фази на земетресението: първични (P) вълни — най-бързи, следвани от вторични (S) вълни и повърхностни вълни (Love, Rayleigh). Времевото забавяне между пристигането на P- и S-вълните се използва за определяне на разстоянието до епицентъра. Сравнявайки данни от няколко станции (триангулация), се намира местоположението на фокуса и епицентъра.

От амплитудите и енергията на сигналите се изчислява големината на земетресението — исторически по скалата на Рихтер, а днес основно по моментната магнитуда (Mw). Сеизмограмите позволяват и:

• извличане на механизма на фокуса (тип на разлома),
• оценка на енергийното съдържание,
• мониторинг на вулканична активност,
• откриване на изкуствени взривове и контрол на ядрени тестове,
• инженерни изследвания — оценка на земна устойчивост и почвени движения.

Чувствителност, единици и калибриране

Сеизмометърът може да измерва движение в различни единици: разстояние (метри), скорост (м/с) или ускорение (м/с2), в зависимост от типа на сензора. Чувствителността варира — от микрони/секунди (или наносекунди) за свръхчувствителни устройства до по-груби за инженерни приложения. За да бъдат сравними данните, сензорите се калибрират и записите се коригират с отговорната функция (instrument response).

Мрежи, дигитализация и ранно предупреждение

Съвременните сеизмични мрежи са дигитални: локални, регионални и глобални станционни мрежи, свързани чрез комуникации. Времевата синхронизация чрез GPS позволява точни междусъставни анализи. Сеизмичните данни се обработват автоматично за откриване, локализиране и оценка на събития. Тези системи могат да бъдат част от ранно предупреждение при земетресения, като използват бързото регистриране на P-вълните за предаване на аларми преди пристигането на по-повредоносните S- и повърхностни вълни.

Приложения

• научни изследвания на структурата на Земята и плочните граници;
• системи за ранно предупреждение и обществена безопасност;
• индустриален мониторинг (например при добив и подземни взривове);
• изследвания на вулканична активност и геотермални полета;
• оценка на състоянието на инженерни съоръжения и мостове чрез мониторинг на вибрации;
• хидроразузнаване и търсене на полезни изкопаеми чрез активна сеизмология.

Кратка историческа бележка

Първите примитивни сеизмографи са разработвани преди векове — известен е например китайският инструмент на Zhang Heng за регистриране на земетресения. С усъвършенстването на механиката, електрониката и дигиталната техника сеизмологията преминава в съвременната ера на прецизни, широкоразпространени мрежи и многокомпонентни записи.

Съвременното развитие на сензорите (включително MEMS), енергийната ефективност и комуникациите прави възможно разполагането на големи масиви от сеизмометри за по-добро картографиране, ранно предупреждение и научни открития.

Търсене по буква