5 лет назад
Нету коментариев

Перст-летописец пишет хронику былого, Не слушая ни доброго, ни злого.

Э. Фицджеральд. Рубайят Омара Хайяма.

Запись колебаний земли при землетрясениях — непростое дело. Первая трудность состоит в том, чтобы найти неподвижную точку в условиях, когда все, что связано с Землей, колеблется вместе с ней. Сейсмологи выбрали метод, использующий инерцию — тенденцию тяжелых тел сохранять состояние покоя. Подвешенный груз стремится остаться на месте при движении точки подвеса. Если будет найден способ записи движения груза относительно точки подвеса, то мы получим примитивный сейсмограф. Основным недостатком такого устройства является то, что груз в конце концов последует за движущимся подвесом, а когда последний остановится, будет продолжать качаться. Даже простейшее движение точки подвеса превратится в весьма сложное движение груза, и для точной расшифровки записи потребуются немалое умение и опыт. При сложных же движениях точки подвеса расшифровка становится почти невозможной.

Науку движет вперед сочетание теории и эксперимента. Нам будет легче понять принцип работы сейсмографа, если мы сами проведем несложный эксперимент. Возьмите веревку длиной около метра и привяжите к одному ее концу небольшой, но достаточно тяжелый груз. Возьмите другой конец и поднимите груз так, чтобы он не касался пола. Начните двигать рукой очень медленно взад и вперед. Груз будет следовать за ней без раскачивания, т. е. не будет двигаться относительно руки. Если увеличить скорость возвратно-поступательного движения, груз начнет раскачиваться все сильнее и сильнее. Если менять направление движения руки примерно каждую секунду, качание груза будет очень сильным даже при небольших перемещениях руки. Это означает, что собственный период качания маятника и период колебаний руки совпадают. При этих условиях, очевидно, маятник дает большое увеличение колебаний руке; если же рука остановится, то он будет продолжать качаться, производя ложную запись. Остановите груз, а затем попробуйте резко и быстро подергать рукой взад-вперед. Груз останется почти неподвижным, хотя рука движется относительно него. В этом случае мы очень близки к тем условиям, которые нужны для записи движения точки подвеса при землетрясении. Остаются два неудобства. Увеличение колебании очень мало. Если же нужно измерить медленные сейсмические колебания, то потребуется маятник с очень большим собственным периодом. На рис. 5 приведены фотографии описанного выше эксперимента, но читателю советуем воспроизвести его самому.

Реакция простого маятника

Реакция простого маятника

Здания и другие сооружения, связанные с землей, реагируют на землетрясения подобным же образом, что обуславливает важность полученных результатов. Следовательно:

1. Если период колебания точки подвеса намного больше собственного периода маятника, то груз следует за подвесом и увеличение колебаний равно нулю.

2. Если период колебания точки подвеса совпадает с собственным периодом маятника, то увеличение очень велико.

3. Если период колебаний точки подвеса мал по сравнению с собственным периодом маятника, то увеличение примерно равно единице.

Постараемся применить эти результаты к конструированию простого сейсмографа. Основной задачей является выбор для прибора подходящего собственного периода колебаний. Если он будет больше периода колебаний земли, которые требуется регистрировать, получим вполне достоверные записи колебаний земли, но вряд ли добьемся какого-либо их увеличения. Если периоды окажутся примерно одинаковыми, то получим большое увеличение, но поскольку землетрясение заставит маятник прибора раскачиваться, значительная часть записи будет обусловлена поведением маятника, а не земли.

Легче всего достичь нужного результата, обеспечив маятнику тем или иным способом возможность затухания. Затухание — это торможение, в результате которого любой качающийся предмет в конце концов останавливается. Обычно оно связано с сопротивлением воздуха и трением в точке опоры. Поскольку в рассматриваемом случае маятник должен останавливаться как можно быстрее, необходимо усилить естественное затухание. Этого можно достичь, прикрепив к маятнику пластинку, которая увеличивает сопротивление воздуха или же перемещается в ванночке с жидким маслом.

В более сложных приборах пластинка изготовляется из меди или алюминия и помещается между полюсами сильного магнита. Вихревые токи, возникающие при ее движении, также вызывают эффект затухания, не подверженный влиянию изменений температуры, атмосферного давления и влажности. Величину затухания часто доводят до критической, когда отклоненный маятник возвращается в исходное положение без дополнительных колебаний. На рис. 6 показано, как влияет изменение величины затухания на увеличение колебаний. Маятник с критической величиной затухания дает вполне достоверную картину колебаний земли в достаточно широком диапазоне периодов. Выбрав подходящую величину затухания и собственный период колебаний маятника, можно сконструировать сейсмограф, пригодный для изучения большинства интересующих нас проблем.

Усиление колебанийЗемли с различными периодами сейсмографом, имеющим собственный период 1 с

Усиление колебанийЗемли с различными периодами сейсмографом, имеющим собственный период 1 с

Поскольку для повышения достоверности записи приходится жертвовать увеличением колебаний, сейсмографы обычно оснащаются механизмом, увеличивающим колебания маятника перед их записью. В первых приборах использовались рычаги. На конце последнего рычага закрепляли перо, оставлявшее отметки на барабане, покрытом закопченной бумагой, и обеспечивавшее непрерывную запись. После обработки таких записей раствором шеллака в метилированном спирте они становились четкими и пригодными для длительного использования. Приборы такого рода до сих пор применяются для записи сильных землетрясений, однако для получения больших увеличений они не очень удобны. Сила трения пера оказывает обратное действие на груз через рычаги, и если масса груза не очень велика, то это влияние искажает колебания. В Европе конструировались сейсмографы с подвешенными грузами массой до 20 т. На рис. 7 изображены два сейсмографа: 1) сейсмограф Омори — это классический горизонтальный маятник с массой груза в несколько килограммов, периодом в несколько секунд и увеличением порядка 100; 2) сейсмограф Вихерта, регистрирующий обе горизонтальные компоненты; грузом является бак, содержащий 17 т железной руды, период колебания равен ~ 1 с. Естественно, что помещения для таких приборов и их установка требуют больших затрат. Возникают и чисто механические трудности: увеличивающие колебания рычаги должны быть одновременно прочными и легкими, а способ их соединения должен исключать возможность «мертвого хода».

Механические сейсмографы

Механические сейсмографы

В более современных приборах в качестве прямого или промежуточного метода используется фотозапись. Прямой способ заключается в том, что к маятнику прикрепляется маленькое зеркальце, а отражаемый им луч света падает на светочувствительную бумагу, обернутую вокруг барабана. Каждый школьник, игравший с осколком зеркала в солнечный день, знает, что малейшее движение зеркала приводит к очень большому смещению отражаемого им «зайчика». Таким образом, можно увеличить и записать колебания маятника, избежав дополнительного трения и помех от рычагов. По мере вращения барабана колебания светового блика превращаются в темную линию на белом фоне бумаги.

Хотя прямой способ в настоящее время является далеко не устаревшим, наиболее широко применяется, по-видимому, промежуточная запись. Приборы, в которых используется промежуточная запись, называются электромагнитными сейсмографами. В них на маятнике укреплена небольшая индукционная катушка, которая может качаться между полюсами магнита, вмонтированного в корпус прибора. При движении катушки возникает ток, проходящий через гальванометр — чувствительный датчик с зеркальцем вместо стрелки. Колебания зеркальца гальванометра записываются на фотобумагу точно так же, как и колебания маятника при прямом способе. На первый взгляд, этот прибор неоправданно усложнен дополнительными приспособлениями; однако он имеет большие преимущества. Во-первых, часть прибора, чувствительная к колебаниям земли, может быть удалена от барабана; значит, на нее будут в меньшей степени влиять посещения оператора. Во-вторых, электрические токи легко поддаются контролю, их можно усиливать, ослаблять и преобразовывать разными способами для специальных целей. К достоинствам электромагнитных сейсмографов относится и то, что с ними можно работать при дневном свете и что они нечувствительны к наклону поверхности. При использовании сейсмографов с механической или прямой записью слабый наклон земли приводит к смещению нулевого положения светового блика; поэтому расстояния между трассами на сейсмограмме становятся неравномерными. При сильном наклоне трассы перекрываются, что затрудняет чтение записей. В электромагнитном приборе величина возникающего тока зависит от скорости перемещения катушки, поэтому медленные колебания не дают заметного эффекта.

До последнего времени сейсмологи-наблюдатели избегали пользоваться электронным оборудованием. Простой гальванометр, непосредственно соединенный с сейсмометром, давал увеличение колебаний, достаточное для решения большинства задач. Ламповые усилители были неточны и ненадежны, с трудом поддавались калибровке, потребляли много электроэнергии. Положение заметно изменилось с момента изобретения транзисторов и печатных схем. Сейсмометры стали меньше; усилитель потреблял меньшую мощность, чем гальванометр, а его выходная мощность была достаточной для перемещения пера при довольно большом его трении о бумагу. Вновь стала использоваться закопченная бумага, на которой получался очень тонкий равномерный след. Этот способ особенно полезен в портативном оборудовании, поскольку в полевых условиях нельзя осуществить удовлетворительную фотографическую обработку. В стационарных условиях для получения записей при дневном свете используются самописцы, пишущие либо нагретым пером на термочувствительной бумаге, либо чернилами, которые поступают по тонкому капиллярному каналу. С их помощью можно без дополнительной обработки получать информацию для предупреждений о цунами. Потребности в энергии при этом поразительно малы и удовлетворяются обычными батареями.

В дополнение к этому Можно увеличить расстояние между сейсмоприемником и регистратором, используя радиосвязь. Это расстояние можно легко довести до нескольких десятков километров. Операторы уже не должны страдать от того, что самые спокойные точки находятся обычно в наименее удобных местах. Можно подсоединить всю сеть сейсмометров к одному пункту записи, упростив тем самым решение проблем синхронизации и уменьшив необходимое число операторов. Такие сети работают в Калифорнии и Новой Зеландии, и их число постоянно растет.

Прежде чем описать некоторые из применяющихся сейсмографов, следует упомянуть о менее, казалось бы, важной части оборудования — барабане самописца. Сейсмограф состоит из двух одинаково важных частей — сейсмометра, чувствительного к Колебаниям земли, и самописца, который фиксирует его показания. Можно подумать, что самописец настолько прост, что о нем не стоит и говорить. Он состоит из барабана диаметром примерно 30 см и такой же высоты, снабженного мотором, который вращает его обычно со скоростью два или четыре оборота в час, и винтовым устройством, медленно перемещающим его вдоль оси так, чтобы последовательные трассы не перекрывались. Очень трудно сохранять постоянными малые скорости; серьезную роль играют даже небольшие неполадки в механизме. Если барабан неточно сбалансирован, он будет то и дело обгонять мотор, а потом ждать, когда тот его снова догонит. Поскольку сейсмологам зачастую нужно определить момент прихода волны с точностью до десятых долей секунды, нельзя пользоваться мотором с обычным часовым механизмом: часовой спуск перемещает стрелки толчками с интервалами в 0,2 или даже 0,5 с.

Максимальная равномерность достигается с помощью синхронного двигателя, приводимого в движение электрическим током тщательно контролируемой частоты. Иногда используется питание от сети, но в настоящее время на большинстве станций для отсчета времени применяются очень точные электронные часы, с помощью которых можно получить более устойчивый ток для управления барабанами.

При использовании фотозаписи нужны также лампы. Система линз направляет свет лампы на зеркальце сейсмометра и обеспечивает фокусировку отраженного луча на поверхности барабана в виде крошечного, но четко очерченного блика. Недостаточная яркость и четкость блика сказывается на точности замеров времени, и тогда короткопериодные колебания различаются с трудом.

В некоторой точке на пути светового луча расположен затвор, который раз в минуту на мгновение закрывается с помощью точных часов, так что на записи появляется короткий пробел. Во многих приборах вместо затвора используется стеклянная призма, и световой луч не заслоняется, а отклоняется слегка в сторону, так что никакая часть записи не теряется. При сильных сейсмических колебаниях, однако, такие отметки времени обнаружить трудно.

В качестве главной части сейсмографа с успехом использовалось множество типов маятников (рис. 8—16), но все они отличались размерами от того простого маятника, который мы рассматривали до сих пор. Длина маятника, совершающего одно колебание в секунду, равна примерно 1 м, что не совсем удобно. Им можно регистрировать местные землетрясения. Если же пытаться простым маятником регистрировать поверхностные волны от удаленных толчков с периодами от 20 до 100 с и более, то придется подвешивать его к вершине Эйфелевой башни.

На рис. 8 показаны некоторые из устройств, применявшихся для создания более компактных маятников с нужными периодами. Первые четыре из них чувствительны к горизонтальным движениям земли, последние два —к вертикальным. Читатели, видимо, сообразят, что устройства типа изображенных на рис. 8, а, б и г, будут чутко реагировать на колебания под прямым углом к плоскости чертежа, колебания же вдоль линии, соединяющей центр подвешенного груза с точкой подвеса, не будут оказывать на них никакого воздействия. Это свойство — достоинство, поскольку оно позволяет сейсмологу анализировать природу приходящей волны и определять ее направление. Сейсмографы часто группируют: два—три горизонтальных, установленных под прямым углом друг к другу (обычно один в направлении север—юг, другой — в направлении восток—запад), и вертикальный.

Основные типы маятников для сейсмографов

Основные типы маятников для сейсмографов

Упругие волны, порождаемые землетрясением, имеют очень широкий диапазон собственных периодов. На большинстве сейсмостанций стараются записать волны в диапазоне примерно от десятых долей секунды до 100 с. Можно регистрировать волны и с большими периодами, но для их записи требуется специальная аппаратура.

Предел увеличения колебаний, которое можно использовать для заданной величины периода, определяется слабыми колебаниями земли — микросейсмами. Они возникают все время, даже когда нет землетрясений. Если чувствительность сейсмографа достаточна для их регистрации, дальнейший рост увеличения только запутывает записи. Микросейсмы наиболее распространенного типа обладают периодами от 2 до 6 с, поэтому обычно устанавливают два комплекта сейсмографов: один для регистрации колебаний с периодами короче, чем у микросейсм, другой — для более длинных периодов. В очень спокойных местах короткопериодные приборы могут работать с увеличениями до нескольких сот тысяч, увеличения же для длиннопериодных приборов редко превышают несколько тысяч. Странно, что именно длиннопериодные приборы оказываются наиболее полезными при записи отдаленных землетрясений. Это происходит потому, что волны с короткими периодами в большей степени поглощаются при их прохождении сквозь землю, так что лишь колебания с длинными периодами остаются достаточно интенсивными для того, чтобы их можно было обнаружить на больших расстояниях.

Вначале сейсмологи стремились сделать свои приборы как можно более чувствительными. Но менее чувствительные приборы также находят важное применение. Инженеров особенно интересуют сильные колебания, происходящие вблизи эпицентров разрушительных землетрясений. Такие колебания, если и не повреждают чувствительные приборы, дают настолько запутанные записи, что их невозможно проинтерпретировать. Приборы для записи сильных колебаний с периодами в диапазоне инженерной значимости часто обладают увеличениями примерно от единицы до десяти. Таким образом, на хорошо оборудованных станциях имеются приборы с очень широким диапазоном периодов и увеличений. Например, в Веллингтоне постоянно изучается 17 различных типов колебаний земли.

Для сейсмолога, имеющего склонность к технике, сейсмографы представляют такой же предмет увлечения, как и старинные автомобили. Приступая к их описанию, необходимо побороть искушение и ограничиться лишь достаточно полным изложением самого важного.

Если на станции имеется лишь один прибор, то обычно это вертикальный сейсмограф с коротким периодом. С его помощью получают хорошие записи местных толчков, а также первых волн, приходящих от удаленных землетрясений. В современных условиях это электромагнитный прибор, чаще всего с фотозаписью, реже связанный через усилитель с самописцем, снабженным чернильным или нагревающимся пером.

В 1930 г. д-р Гуго Беньофф сделал первый сейсмометр, который в диапазоне коротких волн обеспечивал увеличение 100 тыс. и более. Этот вертикальный сейсмометр показан на рис. 9 и 10. Цилиндрический груз массой 100 кг поддерживается пружиной, проходящей вдоль его оси внутри ствола и подвешенной на раме высотой около 1 м. Плоские металлические ограничители выше и ниже груза допускают его свободное перемещение вверх и вниз, но исключают горизонтальные колебания. Ниже груза смонтирован преобразователь, превращающий его колебания в электрический ток. Он состоит из нескольких катушек, которые надеты на каркас из мягкого железа, движущийся вместе с грузом, и сильного постоянного магнита, прикрепленного к раме. При движении груза относительно рамы изменяется магнитный поток через катушки и генерируется ток, проходящий через гальванометр. Обычно используются два гальванометра: один с собственным периодом примерно четверть секунды, другой — с периодом 90 с и более; они связаны с разными катушками и барабанами самописцев.

Вертикальная компонента сейсмографа Беньоффа

Вертикальная компонента сейсмографа Беньоффа

Вертикальный сейсмометр Беньоффа

Вертикальный сейсмометр Беньоффа

В горизонтальном сейсмометре (см. рис. 11) груз разделен на две части, расположенные по обе стороны от преобразователя, индукционное устройство помещено между ними. Здесь нет центральной пружины; ограничители создают возвратное усилие, достаточное для возвращения груза в среднее положение. Высокая чувствительность, простота и надежность приборов Беньоффа обеспечили широкое их применение. Популярность этих приборов не проходит, хотя вскоре были предприняты попытки использовать их преимущества при создании более легких и компактных сейсмометров.

Сейсмограф Беньоффа с переменным сопротивлением

Сейсмограф Беньоффа с переменным сопротивлением

Крутильный сейсмометр Вуда-Андерсона

Крутильный сейсмометр Вуда-Андерсона

Вертикальный маятник

Вертикальный маятник

Горизонтальный маятник

Горизонтальный маятник

Одну из наиболее успешных попыток такого рода предпринял д-р П. Л. Вилмор из Кембриджа. В его приборе (см. рис. 16) магнит преобразователя одновременно является грузом. Он висит на плоских пружинах, которые могут быть сняты при необходимости записать горизонтальные колебания. Геофоны, применяющиеся при сейсмической разведке, похожи по конструкции, но меньше и легче. Ток индуцируется в катушке, прикрепленной к раме. Все устройство помещается в водонепроницаемую цилиндрическую коробку диаметром 16 см и высотой 33 см; оно весит менее 5 кг. Его можно поместить в неглубокую бетонированную камеру или просто закопать, что значительно снижает стоимость размещения и установки приборов.

Сейсмограф Голицына

Сейсмограф Голицына

Сейсмограф Вилмора со снятым корпусом

Сейсмограф Вилмора со снятым корпусом

Приборы Вилмора широко используются в канадской и новозеландской системах. Они пользуются большим спросом для полевых исследований вулканических сотрясений и афтершо-ков. Самым первым по-настоящему удобным прибором для записи местных землетрясений был, однако, механический крутильный сейсмограф Вуда—Андерсона, разработанный в Калифорнии в конце 20-х годов. На основе записей, полученных спо-мощью этих приборов, проф. Рихтером была создана шкала магнитуд (см. главу 10). Устройство приборов показано на рис. 12.

«Тяжелым» грузом служит здесь крошечный медный цилиндр не толще проволоки для изгороди и всего лишь около 25 мм длиной. Поскольку ему не нужно приводить в движение какой-либо механизм, его можно сделать небольшим и удобным. На верхней стороне цилиндра крепится зеркальце, и это устройство надевается на тонкую вольфрамовую проволоку длиной приблизительно 20 см. Чуть выше и ниже груза проволока проходит через два небольших отверстия, смазанных касторовым маслом. Этим устраняется возможность вибрации проволоки наподобие скрипичной струны, и единственным возможным движением груза остается вращение вокруг проволоки. По обе стороны от груза расположены полюса магнита, обеспечивающего затухание с помощью вихревых токов. В различных моделях прибора магнит устроен по-разному, но его всегда можно перемещать вверх и вниз. Правильно выбрав длину части цилиндра, помещающейся между полюсами магнита, можно придать затуханию критическое значение. Увеличение этого сейсмографа равно примерно 3000, период — чуть больше 0,75 с.

Хорошие короткопериодные сейсмографы появились сравнительно поздно. Отчасти это произошло потому, что их конструкция несколько сложнее, отчасти же потому, что страны, в которых в начале века развивалась геофизическая наука, не были подвержены разрушительным землетрясениям. Все же в 1889 г. фон Ребер и Пашвиц в Потсдаме зарегистрировали японское землетрясение с помощью маятника, предназначенного для изучения силы тяжести, после чего была осознана научная ценность таких записей. К 1900 г. было сконструировано несколько приборов с горизонтальным маятником, а Британская ассоциация развития науки предприняла активные усилия по созданию мировой системы регистрации землетрясений.

В некоторых старых приборах использовалась фотозапись, в большинстве из них, однако, записи получались на закопченной бумаге. Типичным представителем приборов этого типа является сейсмограф Омори (см. рис. 7), который со времени его создания почти не изменился. С другой стороны, приборы с фотозаписью значительно совершенствовались. С появлением электромагнитных сейсмографов с записью через гальванометр фотозапись стала предпочтительней, и лишь изобретение надежных усилителей позволило вернуться к различным видам перьевой записи.

Первый электромагнитный сейсмограф был создан в 1906 г. в России князем Борисом Голицыным. Прибор Голицына был привлекателен тем, что из него можно было составлять согласованные комплекты, в которых вертикальный сейсмометр обладал тем же периодом, затуханием и увеличением, что и горизонтальный. Конструировать вертикальные сейсмометры и работать с ними всегда трудно. Единственный способ обеспечить грузу свободное движение вверх и вниз — это так или иначе подвесить его на пружине, а пружины обладают рядом неудобств. Их длина и упругость меняются при колебаниях температуры, а металл, из которого они сделаны, «ползет» по мере роста усталости. Использование специальных сплавов и устройств температурной компенсации увеличивает сложность прибора, а лучшие сейсмографы всегда были простыми.

Классический сейсмограф Голицына показан на рис. 15. Груз закреплен на стреле, имеющей вид треугольной фермы, один конец которой опирается на плоскую пружину; стрела держится в горизонтальном положении силой натяжения вертикальной спиральной пружины. Индукционная катушка и медная пластинка затухания перемещаются между двумя комплектами магнитов, смонтированных на другом конце стрелы. Меняя их положение, можно варьировать величину затухания и чувствительность прибора. Обычно прибор работает с периодами 12 или 24 с и с увеличением в несколько сот раз.

Использование гальванометров с очень длинными периодами в сочетании с сейсмометрами Беньоффа привело к падению популярности приборов голицынского типа, однако с изобретением в 50-х годах на сейсмостанции Ламонт сейсмометров Пресса—Юинга они вновь стали популярны. Принцип работы и общее техническое устройство приборов Пресса—Юинга такие же, как в приборе Голицына. Специальное внимание уделяется их стабильной работе при больших периодах, а также исключению ложных резонансов, вызванных колебаниями вертикальной пружины; в них используются более эффективные индукционные катушки. В удобных местах маятник может стабильно работать с периодами до 30 с и приводить в движение гальванометр, имеющий период 100 с и более. Стрела вертикального прибора Пресса—Юинга (см. рис. 13)—это горизонтальный каркас, имеющий слева точку опоры. Справа находится груз, разделенный на две части и поддерживаемый диагональной пружиной. Рядом с центром масс груза стрела поддерживает также опору с отверстиями, несущую индукционные катушки. Магниты прикреплены к раме прибора и расположены над пружиной. Колебания стрелы передаются через опору индукционным катушкам. Как и горизонтальный прибор, вертикальный сейсмометр Пресса—Юинга может работать с периодами от 15 до 30 с. На рис. 14 изображен горизонтальный маятник. В этом длиннопериодном сейсмометре Пресса—Юинга груз укреплен на конце стрелы и связан проволочными тягами с жесткой стойкой. Индукционные и калибровочные катушки перемещаются между полюсами цилиндрических магнитов, прикрепленных к основанию и расположенных по обе стороны груза. Во время работы прибор защищен от колебаний давления прочным воздухонепроницаемым железным корпусом, а от колебаний температур — наружным чехлом из полистрома. Такие приборы вместе с соответствующим вертикальным сейсмометром используются в мировой стандартной сети; они обычно работают с периодами 15 и 30 с.