Сейсмограф жер сілкінісін анықтауда қалай жұмыс істейді
Жер сілкінісі ең күрделі табиғи құбылыстардың бірі болып табылады және адам өміріне үлкен қауіп төндіреді. Тектоникалық плиталардың ауысуы, жанартаулық белсенділік, жер асты опырылулары және тіпті жасанды жарылыстар нәтижесінде пайда болатын дірілдер Жер қыртысы арқылы ұзақ қашықтыққа таралып, бетіне әсер етуі мүмкін. Жер сілкінісінің қашан және қай жерде болатынын, олардың қаншалықты күшті екенін және толқындардың қалай таралатынын түсіну үшін ғалымдарға дәл өлшеу құралдары қажет. Негізгі қолданылатын құрал - сейсмограф, яғни жер қозғалысын үздіксіз жазып, оны талданатын деректерге айналдыратын құрал.
Сейсмограф дегеніміз не?
«Сейсмограф» термині көбінесе жер сілкінісін тіркеудің толық жүйесіне қатысты қолданылады. Техникалық тұрғыдан алғанда, жер қозғалысын анықтайтын сенсор сейсмометр деп аталады, ал жазу құрылғысы мен деректерді өңдеу жүйесі сейсмографтың қызметін атқарады. Дегенмен, күнделікті қолданыста сейсмограф екеуінің де тіркесімі болып саналады: дірілді анықтайтын, өлшейтін және тіркейтін құрылғы.
Сейсмографтың жазба нәтижелері сейсмограммалар деп аталады, олар тербеліс амплитудасының уақытқа қатысты сызбасын көрсететін графиктер болып табылады. Осы сейсмограммалардан зерттеушілер сейсмикалық толқындардың келу уақытын анықтай алады, жер сілкінісі көзінің орналасқан жерін есептей алады, магнитудасын бағалай алады және ақаулық механизмдерін талдай алады.
Негізгі принциптер: Инерция және салыстырмалы қозғалыс
Сейсмографтың жұмыс механизмі қарапайым физикалық принципке негізделген: инерция. Жер сілкінісі салдарынан қозғалған кезде, сейсмографтың жерге бекітілген бөлігі онымен бірге қозғалады. Дегенмен, сейсмографтың қозғалыссыз қалуға (немесе минималды өзгеріспен қозғалуға) бейім қарсы салмағы (массасы) бар. Нәтижесінде, аспап рамасы (жермен бірге қозғалады) мен масса (инерцияға байланысты «артта қалады») арасында салыстырмалы қозғалыс пайда болады. Содан кейін бұл салыстырмалы қозғалыс жазылатын сигналға айналады.
Тақтаны ұстап, оған серіппелі салмақты қойып жатқаныңызды елестетіп көріңізші. Тақта шайқалған кезде, салмақ қарама-қарсы бағытта қозғалатын немесе артта қалатын сияқты болады. Қозғалыстағы бұл айырмашылық сейсмикалық өлшеулердің мәні болып табылады.
Сейсмографтың негізгі компоненттері
Жалпы, сейсмограф бірнеше маңызды компоненттерден тұрады:
1. Инерциялық масса (дәлелдеу массасы)
Ең маңызды бөлігі қозғалмайтын күйінде қалуға бейім болғандықтан, «тірек» қызметін атқарады. Бұл масса серіппелі жүйеге немесе маятникке бекітілген ауыр металл массасы болуы мүмкін.
2. Серіппе/Маятник жүйесі
Массаны ұстап тұру және құралдың дірілге реакциясын реттеу функциялары. Серіппе тұрақтысы және демпфер сияқты параметрлер құралдың табиғи жиілігі мен сезімталдығын анықтайды.
3. Демпферлік жүйе
Демпферлеусіз масса діріл өткеннен кейін тым ұзақ уақыт бойы тербеліп, деректерді оқуды қиындатады. Шамадан тыс тербелісті азайту үшін демпферлеу сұйық, магниттік немесе электрондық болуы мүмкін.
4. Түрлендіргіш (қозғалысты сигналға түрлендіреді)
Салыстырмалы қозғалысты электрлік сигналға түрлендіру. Жалпы әдістерге электромагниттік (катушка және магнит), сыйымдылықтық немесе оптикалық сенсорлар жатады.
5. Жазу құралы және деректерді жинау жүйесі
Аналогтық сигналдар ADC (аналогтық-цифрлық түрлендіргіш) арқылы сандық түрге түрлендіріледі, уақыт белгісімен белгіленеді (әдетте GPS негізінде), содан кейін сақталады және/немесе талдау орталығына жіберіледі.
6. Аспаптар үйі және іргетасы
Сейсмографтар адам әрекетінен, желден немесе температураның өзгеруінен болатын кедергілерді азайту үшін тұрақты іргетастарға, көбінесе жертөлелерге немесе ұңғымаларға орнатылады.
Сейсмографтар жер сілкінісі толқындарын қалай «естиді»?
Жер сілкінісі болған кезде энергия бөлінеді және сейсмикалық толқындар түрінде таралады, негізінен:
– P (бастапқы) толқындар: қысу толқындары, ең жылдам жетеді, қатты және сұйықтық денелер арқылы тарала алады.
– S-толқындар (екінші реттік): ығысу толқындары, баяуырақ, тек қатты орта арқылы таралады.
– Беттік толқындар (Рейли және Лав): әдетте ең жойқын, Жер бетіне жақын жерде таралады.
Сейсмографтар жер қозғалысының уақыт өте келе өзгеруін тіркейді. Сейсмограммада P толқындары әдетте алдымен шағын, жылдам тербелістер түрінде, содан кейін үлкен амплитудасы бар S толқындары, содан кейін ұзақ мерзімді және өте үлкен амплитудасы бар беттік толқындар түрінде пайда болады.
Зерттеушілер станцияға P және S толқындарының келу уақытындағы айырмашылықты салыстыру арқылы жер сілкінісі көзінің сол станциядан қашықтығын бағалай алады. Бірнеше станциядан алынған деректерді біріктіру арқылы жер сілкінісінің орнын триангуляция арқылы анықтауға болады.
Қазіргі заманғы сейсмографтар: қаламнан сандыққа дейін
Тарихи тұрғыдан алғанда, алғашқы сейсмографтар механикалық жүйелерді пайдаланған: айналмалы қағаз барабанға жазатын қаламға қосылған масса. Бұл тұжырымдама Жер туралы ғылымның дамуында маңызды болғанымен, қазіргі заманғы құралдар жоғары дәлдіктегі сандық жүйелерге көшті.
Сандық сейсмографтар жер қозғалысының жылдамдығына немесе үдеуіне пропорционалды электр сигналдарын генерациялайтын сенсорларды пайдаланады. Содан кейін деректер қажеттілікке байланысты белгілі бір жылдамдықпен (мысалы, 100 Гц немесе одан жоғары) іріктеледі және шуды азайту үшін сүзіледі. Сандық форматқа көшіру нақты уақыт режимінде деректерді оңай беруге мүмкіндік береді, бұл жер сілкінісін бақылаудың жоғары жылдамдығын қамтамасыз етеді.
Көбінесе қолданылатын сенсорлардың кейбір түрлеріне мыналар жатады:
– Кең жолақты сейсмометр: кең жиілік диапазонындағы тербелістерді жазуға қабілетті, жергілікті жер сілкіністеріне және алыс жер сілкіністеріне (телесейсмикалық) жарамды.
– Күшті қозғалыстағы акселерометр: жер сілкінісі көздерінің жанындағы діріл талдауы және құрылыс инженерлік қажеттіліктері үшін маңызды болып табылатын «қанықтырусыз» күшті үдеулерді тіркеуге арналған.
Сейсмограф деректерінен магнитуда мен қарқындылықты анықтау
Сейсмограф деректері жер сілкінісінің энергиясының өлшемі болып табылатын магнитудасын есептеу үшін қолданылады. Қазіргі тәжірибеде магнитуда көбінесе Mw (момент магнитудасы) ретінде көрсетіледі, бұл сейсмикалық моментпен (жарықшақтану дәрежесі, сырғанау магнитудасы және тау жыныстарының қаттылығы) байланысты. Сейсмограммалар толқын амплитудасы мен спектрін талдау арқылы бұл параметрлерді есептеуге көмектеседі.
Сонымен қатар, қарқындылық жер сілкінісінің белгілі бір жердегі әсерін сипаттайды, оған көзге дейінгі қашықтық, жер жағдайы және ғимарат сапасы әсер етеді. Сейсмографтар қауіпті азайту және құрылымдық жобалау үшін өте маңызды болып табылатын жер сілкінісінің шыңдық үдеу (PGA) немесе жер сілкінісінің шыңдық жылдамдығы (PGV) сияқты параметрлерді өлшеуге көмектеседі.
Неліктен сейсмографты орнату орны соншалықты маңызды?
Сейсмографтың дәлдігі тек технологияға ғана емес, сонымен қатар орнату ортасына да байланысты. Ең дұрысы, құрал келесідей орналастырылуы керек:
– жер сілкінісінен басқа дірілді азайту үшін тас жолдардан, зауыттардан және адами іс-әрекеттерден алыстату,
– тұрақты тау жыныстарында,
– салыстырмалы түрде тұрақты температурасы бар бөлмеде,
– және станциялар арасындағы деректер синхрондалатындай етіп дәл уақыт жүйесі (GPS уақытын есептеу) бар.
Көлік қозғалысы, техника, мұхит толқындары немесе желдің екпіні сияқты кедергілер сигналды өңдеу арқылы ажыратуды қажет ететін жазылған шуды тудыруы мүмкін.
Ерте ескерту жүйелеріндегі сейсмографтар
Жер сілкінісі қаупі жоғары көптеген елдерде сейсмографтар жер сілкінісін ерте ескерту жүйелерінің негізі болып табылады. Р-толқындары тезірек келетіндіктен және әдетте аз зиян келтіретіндіктен, жүйе Р-толқындарын анықтап, S-толқындары мен жер бетіндегі толқындар белгілі бір аймаққа келгенге дейін ескерту жібере алады. Ескерту уақыты көбінесе бірнеше секундтан ондаған секундқа дейін болса да, пойыздарды тоқтатуға, жанармай құюды өшіруге немесе адамдарға баспана табуға мүмкіндік беруге жеткілікті.
Жабу
Сейсмографтың жұмыс механизмі негізінен жер қозғалысына қатысты массалық инерциядан туындаған салыстырмалы қозғалысты пайдаланады. Қарапайым физика тұжырымдамасынан сейсмограф шағын жер сілкініс көздерінен ірі, трансконтиненттік оқиғаларға дейінгі дірілді жазуға қабілетті жоғары сезімтал сандық құралға айналды. Сейсмограммалар арқылы ғалымдар оқиғаның уақытын, эпицентрдің орналасқан жерін, тереңдігін, шамасын және ақаудың сипатын анықтай алады — мұның бәрі Жер динамикасын түсіну және апат қаупін азайту үшін маңызды ақпарат. Сейсмограф желілерінің тығыздығы артып, нақты уақыт режимінде талдау жүйелерінің дамуымен адамзаттың жер сілкіністерін анықтау және оларға жауап беру қабілеті жақсарып келеді, дегенмен олардың салдарын азайту үшін инфрақұрылымдық қолдау, білім беру және қоғамдастыққа дайындық қажет.
