Сейсмограф (от др.-греч. σεισμός - землетрясение и др.-греч. γράφω - записывать) или сейсмометр - измерительный прибор, который используется в сейсмологии для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. Прибор для определения силы и направления землетрясения .

Первая известная попытка изготовить прибор, предсказывающий землетрясения, принадлежит китайскому философу и астроному ЧжанХэну.

ЧжанХэн изобрел устройство, которому дал имя Хоуфэн «» и которое могло фиксировать колебания земной поверхности и направление их распространения.

Хоуфэн и стал первым в мире сейсмографом. Прибор состоял из большого бронзового сосуда диаметром 2 м, на стенках которого располагались восемь голов дракона. Челюсти у драконов раскрывались, и у каждого в пасти был шар.

Внутри сосуда находился маятник с тягами, прикрепленными к головам. В результате подземного толчка маятник приходил в движение, действовал на головы, и шар выпадал из пасти дракона в открытый рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор улавливал подземные толчки на расстоянии 600 км от него.

1.2. Современные сейсмографы

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын , который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.

Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина.

Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости.

Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

В сейсмологии в зависимости от решаемых задач используются различные виды сейсмографов: механический, оптический или электрический с различными видами усилений и методами обработки сигнала. Механический сейсмограф включает чувствительный элемент (обычно маятник и демпфер) и самописец.

Основание сейсмографа жёстко связано с исследуемым объектом, при колебаниях которого возникает движение груза относительно основания. Записывается сигнал в аналоговой форме на самописцах с механической записью.

1.3. Создание сейсмографа

Материалы: Картонная коробка; шило; лента; пластилин; карандаш; фломастер; бечевка или крепкая нитка; кусок тонкого картона.

Рамой для сейсмографа послужит картонная коробка. Нужно, чтобы она была сделана из достаточно жесткого материала. Открытая ее сторона будет лицевой частью прибора.

Надо проделать шилом отверстие в верхней крышке будущего сейсмографа. Если жесткости для «рамы » не хватает, надо обклеить скотчем углы и ребра коробки, укрепив ее, как показано на фотографии.

Скатать шарик из пластилина и проделать в нем отверстие карандашом. Протолкнуть фломастер в отверстие таким образом, чтобы кончик его ненамного высовывался с противоположной стороны пластилинового шарика.

Это указатель сейсмографа, предназначенный для того, чтобы вычерчивать линии земных вибраций.

Пропустить конец нити через дырочку в верхней части коробки. Установить коробку на нижнюю сторону и подтянуть нить таким образом, чтобы фломастер был свободно подвешен.

Привяжите верхний конец нити к карандашу и вращайте карандаш вокруг оси, пока не выберете слабину нити. Когда фломастер повиснет на нужной высоте (то есть будет лишь слегка касаться дна коробки), зафиксируйте карандаш на месте с помощью скотча.

Подсунуть лист картона под кончик фломастера на дно коробки. Отрегулировать все так, чтобы кончик фломастера легко касался картона и мог оставлять линии.

Сейсмограф готов к работе. Он использует тот же принцип действия, что и настоящее оборудование. Утяжеленный подвес, или маятник, будет более инерционным по отношению к тряске, чем рамка.

Чтобы проверить устройство на деле, незачем дожидаться землетрясения. Просто надо встряхнуть рамку. Подвес останется на месте, но начнет чертить линии на картонке, как самый настоящий.

С глубокой древности одним из самых страшных стихийных бедствий являются землетрясения. Поверхность земли нами подсознательно воспринимается как нечто незыблемо прочное и твердое, основа, на которой стоит наше существование.


Если же эта основа начинает трястись, обрушивая каменные здания, изменяя русла рек и воздвигая горы на месте равнин – это очень страшно. Неудивительно, что люди пытались предсказать , чтобы успеть спастись, убежав из опасного района. Так и был создан сейсмограф.

Что такое сейсмограф?

Слово «сейсмограф» имеет греческое происхождение и образовано от двух слов: «seismos» — сотрясение, колебание, и «grapho» — писать, записывать. То есть, сейсмограф – это прибор, предназначенный записывать колебания земной коры.

Первый сейсмограф, упоминание о котором осталось в истории, был создан в Китае почти две тысячи лет назад. Ученый астроном Чжан Хен изготовил для китайского императора огромную двухметровую чашу из бронзы, стенки которой поддерживали восемь драконов. В пасти каждого из драконов лежал тяжелый шар.


Внутри чаши был подвешен маятник, который при подземном толчке ударял о стенку, заставляя пасть одного из драконов раскрыться и выронить шар, падавший прямо в рот одной из больших бронзовых жаб, сидящих вокруг чаши. По описанию, прибор мог регистрировать землетрясения, происходящие на расстоянии до 600 км от места, где был установлен.

Строго говоря, каждый из нас может сам изготовить простейший сейсмограф. Для этого нужно подвесить гирю с заостренным концом точно над ровной поверхностью. Любое колебание грунта заставит гирю колебаться. Если припудрить площадку под грузом порошком мела или мукой, то прочерченные острым концом гирьки полоски укажут силу и направление колебаний.

Правда, такой сейсмограф для жителя большого города, дом которого находится рядом с оживленной улицей, не годится. Проезжающие тяжелые грузовики то и дело будут колебать почву, вызывая микроколебания маятника.

Сейсмографы, используемые учеными

Первый сейсмограф современной конструкции изобрел русский ученый, князь Б. Голицын, который использовал преобразование механической энергии колебаний в электрический ток.


Конструкция довольно проста: грузик подвешивается на вертикально или горизонтально расположенной пружине, а к другому концу груза крепится перо самописца.

Вращающаяся бумажная лента служит для записи колебаний груза. Чем сильнее толчок, тем дальше отклоняется перо и дольше колеблется пружина. Вертикальный груз позволяет регистрировать горизонтально направленные толчки, и наоборот, горизонтальный самописец записывает толчки в вертикальной плоскости. Как правило, горизонтальная запись ведется в двух направлениях: север–юг и запад-восток.

Зачем нужны сейсмографы?

Записи сейсмографов необходимы для изучения закономерностей появления подземных толчков. Этим занимается наука, называемая сейсмологией. Наибольший интерес для сейсмологов представляют районы, расположенные в так называемых сейсмически активных местах – в зонах разломов земной коры. Там нередки и передвижения огромных пластов подземных пород – т.е. то, что обычно вызывает землетрясения.


Как правило, крупные землетрясения не возникают неожиданно. Им предшествуют серии мелких, почти незаметных толчков особого характера. Научившись предсказывать землетрясения, люди смогут избегать гибели из-за этих катаклизмов и минимизировать наносимый ими материальный ущерб.

Сложно себе представить, но ежегодно на нашей планете происходит около миллиона землетрясений! Разумеется, в основном это слабые подземные толчки. Землетрясения разрушительной силы случаются значительно реже в среднем раз в две недели. К счастью, большинство из них происходят на дне океанов и не приносят никаких неприятностей человечеству, если только в результате сейсмических смещений не возникает цунами.

О катастрофических последствиях землетрясений знает каждый: тектоническая активность пробуждает вулканы, гигантские приливные волны смывают в океан целые города, разломы и оползни разрушают строения, вызывают пожары и наводнения и уносят сотни и тысячи человеческих жизней.

Поэтому люди во все времена стремились изучить землетрясения и предотвратить их последствия. Так, Аристотель в IV в. до и. э. считал, что атмосферные вихри внедряются в землю, в которой много пустот и щелей. Вихри усиливаются огнем и ищут выход, вызывая землетрясения и извержения вулканов. Также Аристотель наблюдал за движениями почвы при землетрясениях и попытался дать их классификацию, выделив шесть типов движений: вверх-вниз, из стороны в сторону и т. п.

Первая известная попытка изготовить прибор, предсказывающий землетрясения, принадлежит китайскому философу и астроному Чжан Хэну. В Китае эти стихийные бедствия случались и случаются чрезвычайно часто, более того, три из четырех крупнейших в истории человечества землетрясений произошли в Китае. И в 132 г. Чжан Хэн изобрел устройство, которому дал имя Хоуфэн «флюгер землетрясений» и которое могло фиксировать колебания земной поверхности и направление их распространения. Хоуфэн и стал первым в мире сейсмографом (от греч. seismos «колебание» и grapho «пишу») прибором для обнаружения и регистрации сейсмических волн.

Последствия землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г.

Строго говоря, прибор был скорее сейсмоскопом (от греч. skopeo «смотрю»), потому что запись его показаний велась не автоматически, но рукою наблюдателя.

Хоуфэн был сделан из меди в форме сосуда для вина диаметром 180 см и тонкими стенками. Снаружи сосуда располагались восемь драконов. Головы драконов указывали на восемь направлений: восток, юг, запад, север, северо-восток, юго-восток, северо-запад и юго-запад. Каждый дракон держал во рту медный шарик, а под его головой сидела жаба с открытым ртом. Предполагается, что внутри сосуда был вертикально установлен маятник с тягами, которые прикреплялись к головам драконов. Когда в результате подземного толчка маятник приходил в движение, тяга, соединенная с головой, обращенной в сторону толчка, раскрывала пасть дракона, и шар из нее выкатывался в рот соответствующей жабы. Если выкатывались два шарика, можно было предположить силу землетрясения. Если прибор находился в эпицентре, то выкатывались все шарики. Наблюдатели инструмента могли немедленно сделать запись о времени и направлении землетрясения. Прибор был весьма чувствительным: он улавливал даже слабые подземные толчки, эпицентр которых находился за 600 км от него. В 138 г. этот сейсмограф точно указал на землетрясение, которое произошло в области Луньси.

В Европе же серьезно изучать землетрясения начали значительно позже. В 1862 г. вышла в свет книга ирландского инженера Роберта Малета «Великое неаполитанское землетрясение 1857 г.: основные принципы сейсмологических наблюдений». Малет совершил экспедицию в Италию и составил карту пораженной территории, разделив ее на четыре зоны. Введенные Малетом зоны представляют собою первую, достаточно примитивную, шкалу интенсивности сотрясений.

Но сейсмология как наука начала развиваться только с повсеместным появлением и внедрением в практику приборов для регистрации колебаний почвы, т. е. с появлением научной сейсмометрии.

В 1855 г. итальянец Луиджи Пальмиери изобрел сейсмограф, способный регистрировать удаленные землетрясения. Действовал он по такому принципу: при землетрясении ртуть проливалась из шарообразного объема в специальный контейнер в зависимости от направления колебаний. Индикатор контакта с контейнером останавливал часы, указывая точное время, и запускал запись колебаний земли на барабан.

В 1875 г. еще один итальянский ученый, Филиппо Секи, сконструировал сейсмограф, который включал часы в момент первого толчка и записывал первое колебание. Первая дошедшая до нас сейсмическая запись сделана именно с помощью этого прибора в 1887 г. После этого начался быстрый прогресс в области создания инструментов для регистрации колебаний почвы. В 1892 г. группа английских ученых, работавших в Японии, создала первый достаточно удобный в обращении прибор сейсмограф Джона Милна. Уже в 1900 г. функционировала мировая сеть из 40 сейсмостанций, оборудованных приборами Милна.

Сейсмограф состоит из маятника той или иной конструкции и системы регистрации его колебаний. По способу регистрации колебаний маятника сейсмографы можно разделить на приборы с прямой регистрацией, преобразователи механических колебаний и сейсмографы с обратной связью.

Сейсмографы с прямой регистрацией используют механический или оптический способ записи. Первоначально при механическом способе записи на конце маятника помещалось перо, процарапывавшее линию на закопченной бумаге, которую потом покрывали закрепляющим составом. Но на маятник сейсмографа с механической регистрацией сильное влияние оказывает трение пера о бумагу. Чтобы уменьшить это влияние, необходима очень большая масса маятника.

При оптическом способе записи на оси вращения укреплялось зеркальце, которое освещалось через объектив, а отраженный луч попадал на фотобумагу, намотанную на вращающийся барабан.

Способ прямой регистрации до сих пор используется в сейсмически активных зонах, где движения почвы достаточно велики. Но для регистрации слабых землетрясений и на больших расстояниях от очагов требуется усиливать колебания маятника. Это осуществляется различными преобразователями механических перемещений в электрический ток.

Схема распространения сейсмических волн от очага землетрясения, или гипоцентра (внизу) и эпицентра (вверху).

Преобразование механических колебаний впервые предложил русский ученый Борис Борисович Голицын в 1902 г. это была гальванометрическая регистрации, основанная на электродинамическом способе. Жестко скрепленная с маятником индукционная катушка помещалась в поле постоянного магнита. При колебаниях маятника магнитный поток менялся, в катушке возникала электродвижущая сила, и ток регистрировался зеркальным гальванометром. На зеркальце гальванометра направлялся луч света, и отраженный луч, как и при оптическом способе, падал на фотобумагу. Подобные сейсмографы завоевали всемирное признание на многие десятилетия вперед.

В последнее время получили распространение так называемые параметрические преобразователи. В этих преобразователях механическое перемещение (движение массы маятника) вызывает изменение какого-либо параметра электрической цепи (например, электрического сопротивления, емкости, индуктивности, светового потока и т. п.).

Б. Голицын.

Штольня сейсмологической станции. Установленная там аппаратура фиксирует даже малейшие колебания почвы.

Передвижная установка для геофизических и сейсмологических исследований.

Изменение этого параметра приводит к изменению тока в цепи, и в этом случае именно смещение маятника (а не его скорость) определяет величину электрического сигнала. Из разнообразных параметрических преобразователей в сейсмометрии в основном используются два фотоэлектрический и емкостной. Наибольшую популярность получил емкостной преобразователь Беньофа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, экономичность в электропитании.

Сейсмографы бывают чувствительны к вертикальным колебаниям земли или к горизонтальным. Чтобы наблюдать движение почвы во всех направлениях, обычно используют три сейсмографа: один с вертикальным маятником и два с горизонтальными, ориентированными на восток и на север. Вертикальный и горизонтальный маятники различаются по своей конструкции, поэтому оказывается достаточно сложным добиться полной идентичности их частотных характеристик.

С появлением компьютеров и аналого-цифровых преобразователей функциональность сейсмоизмерительного оборудования резко повысилась. Появилась возможность одновременно фиксировать и анализировать в реальном времени сигналы с нескольких сейсмодатчиков, учитывать спектры сигналов. Это обеспечило принципиальный скачок в информативности сейсмоизмерений.

Сейсмографы используются прежде всего для изучения самого явления землетрясения. С их помощью удается определить инструментальным способом силу землетрясения, место его возникновения, частоту происхождения в данном месте и преимущественные места возникновения землетрясений.

Оборудование сейсмологической станции в Новой Зеландии.

Основные сведения о внутреннем строении Земли получены тоже по сейсмическим данным путем интерпретации полей сейсмических волн, вызванных землетрясениями и мощными взрывами и наблюдаемых на поверхности Земли.

С помощью записи сейсмических волн ведутся также исследования строения земной коры. Например, исследования 1950-х годов показывают, что мощности слоев коры, а также скорости волн в них меняются от места к месту. В Средней Азии мощность коры достигает 50 км, а в Японии -15 км. Создана карта мощности земной коры.

Можно ожидать, что скоро появятся новые технологии в инерциальных и гравитационных способах измерения. Не исключено, что именно сейсмографы нового поколения смогут обнаружить гравитационные волны во Вселенной.

Запись сейсмографа

Ученые всего мира разрабатывают проекты по созданию спутниковых систем предупреждения землетрясений. Один из таких проектов Интерофе-рометро-синтетический апертурный радар (Interferometric-Synthetic Aperture Radar, InSAR). Этот радар, а точнее, радары, отслеживает смещение тектонических плит в определенной области, и благодаря полученным ими данным можно зафиксировать даже малозаметные смещения. Ученые полагают, что благодаря такой чувствительности можно точнее определить участки повышенного напряжения сейсмо-опасные зоны.

Что есть что - Стихийные бедствия

Сейсмограф состоит из маятника, например, стальной гирьки, которая на пружине или тонкой проволоке подвешена к стойке, прочно закреплённой в грунте. Маятник соединён с пером, чертящим непрерывную линию на бумажной ленте. При быстрых колебаниях почвы бумага сотрясается вместе с ней, маятник же с пером по инерции остаются неподвижными. На бумаге появляется волнистая линия, отражающая колебания почвы. Кривая на бумажной ленте, укрепленной на медленно вращающемся барабане под наносящим линию пером, называется сейсмограммой.

Действие сейсмографа основывается на том принципе, что свободно подвешенные маятники при землетрясениях остаются почти неподвижными. Верхний сейсмограф фиксирует горизонтальные, а нижний - вертикальные колебания земли.

Три красных барабана высотой около 20 см являются приемниками сейсмографов на современной сейсмической станции. Стоящий барабан принимает вертикальные колебания почвы, на одном из лежащих барабанов отмечаются колебания в направлении север-юг, на другом восток-запад. Стоящий рядом прибор регистрирует самые медленные подземные сдвиги, которые не поддаются трем остальным приемникам. Показания всех четырех приборов передаются для записи сейсмограммы сложным электронным устройствам.

В 1891 г. одно из самых сильных землетрясений, когда-либо наблюдавшихся в Японии, опустошило обширные области к западу от Токио. Очевидец так описывал разрушения: "На поверхности образовались глубокие провалы; дамбы, защищавшие низины от наводнений, обрушились, почти все дома были уничтожены, горные склоны сползли в бездны. 10000 человек погибли, 20000 получили травмы".

Сейсмограмма землетрясения, потрясшего 8 ноября 1983 г. в 1ч. 49м. Бельгию, Нидерланды и Северный Рейн - Вестфалию, записанная сейсмической станцией Гамбурга. Верхняя кривая показывает вертикальные колебания, нижняя - горизонтальные. При землетрясении погибли два человека.

Японские геологи, изучавшие последствия этой катастрофы, с удивлением установили, что четко выраженного её эпицентра не существовало. Поверхность была рассечена почти прямой расщелиной длиной около 110 км, будто разрезана на две части гигантским ножом, причем края разреза были сдвинуты относительно друг друга. "Земля,-сообщал один из геологов,- разорвана на огромные глыбы и приподнята. Это выглядит как след, оставленный гигантским кротом. Улицы и дороги разорваны, на них зияют многометровые провалы; два дерева, до того стоявшие рядом в направлении восток- запад, очутились теперь на изрядном расстоянии, причем по оси север - юг. Землетрясение передвинуло одно из них на север, другое на юг".

Со времени образования земного шара основание поверхности постоянно находится в движении. Земная кора при движении может привести к страшным последствиям в виде такого явления, как землетрясение. При наползании одной плиты на другую накапливается внутреннее напряжение материковой коры, при прохождении критической точки освобождается накопленная энергия, вызывая страшные разрушения. Чтобы избежать жертв при землетрясении и для исследований самого явления, был изобретен прибор сейсмограф. С его помощью стало возможно определять количество энергии, высвобожденное при колебаниях земной коры.

Что такое сейсмограф

Само слово "сейсмограф" происходит от греческого и прямо обозначает "записывать", "землетрясение". Самый древний сейсмограф был изготовлен в древнем Китае. Он представлял собой большую бронзовую чашу, которая держалась на восьми драконах, в раскрытой пасти каждого дракона находился шар. Внутри чаши был подвешен маятник, прикрепленный к стойке, которая была установлена жестко на основании плиты, лежащей на поверхности земли. При возникновении колебания маятник ударял по стенке чаши, и из пасти дракона выпадал шар, попадая в пасть металлической жабе, находящейся внизу этой конструкции. Такое устройство могло фиксировать колебания за 600 км от ее нахождения.

Принцип работы

Принцип работы сейсмографа основан на передаче колебаний предметам, установленным на участке земной коры. При нахождении одной плиты земной коры на другую накапливается огромное количество энергии, при ее высвобождении происходит сотрясение.

Что такое сейсмограф? Современные приборы состоят из маятника, подвешенного на нити и закрепленного к стойке, прочно стоящей на грунте. На конце маятника имеется перо, которое при колебании будет вычерчивать амплитуду значения деформации. Барабан с бумагой, на которой будет отображаться процесс землетрясения, устанавливается также на грунте жестко. Когда происходит землетрясение, маятник за счет инерции остается на месте, а барабан с бумагой совершает колебательные движения, вычерчивая значение энергии, высвобождаемой при явлении землетрясения. Современные приборы способны контролировать даже незначительные изменения, не несущие разрушения.

Что такое сейсмограф у животных? Их организм устроен так, что малейшие изменения в атмосфере и состоянии земной поверхности в радиусе нескольких километров вызывают у них тревогу. Срабатывает закон самосохранения, и они покидают опасные территории. Самыми чувствительными к явлению землетрясения считаются относящиеся к видам амфибий и рептилий, то есть змеи, лягушки, ящерицы.

Характеристики

Современные сейсмографы способны определять и измерять амплитуду колебаний в трех плоскостях. Измеряя виброскорость, сейсмографы имеют диапазон частот измерения от 0,3 до 500 Гц, при диапазоне измерения скорости колебания - от 0,0002 до 20 мм/с. Сейсмографы бывают как переносные, так и стационарные. Последние выполняют больших размеров и устанавливают конкретно один раз и на весь срок службы. Переносные возможно переустанавливать в определенное место в зависимости от местности. Все современные модели снабжены программными интерфейсами и передают напрямую все свои измерения в базу данных на компьютер.

Особенности применения

Что такое сейсмограф и куда его установить? Его размещают на потенциально опасных участках, где возможны проявления колебаний земной коры. Переносные сейсмографы устанавливают на участках горных или подземных разработок, чтобы избежать человеческих жертв, предупредив землетрясения и эвакуировав рабочий персонал. При установке следует учитывать, что прибор может давать серьезные погрешности, если устанавливать его вблизи дорог, где возможен проезд тяжелой техники.