Углублённое исследование вращательных движений сейсмической природы

Наука и жизньНаука

Вращательная сейсмология: от вычислений и рассуждений к измерениям и пониманию

Кандидат физико-математических наук Константин Кислов, кандидат физико-математических наук Валентин Гравиров, Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН.

При землетрясениях происходят не только линейные смещения грунта, но и вращательные движения. Последствия таких движений — повороты монументов и печных труб, специфические трещины зданий. Однако лишь в последние годы началось углублённое исследование вращательных движений сейсмической природы и появились эффективные инструменты для их регистрации.

Обычная сейсмостанция регистрирует только три линейные компоненты движения грунта: север — юг, запад — восток, верх — низ. От очага землетрясения распространяются волны разного типа: объёмные, то есть распространяющиеся сквозь толщу пород, и поверхностные (рис. 1). Из всех сейсмических волн только P-волна (продольная) не связана с вращательным движением (под вращательным движением мы будем подразумевать как наклоны, так и вращения вокруг вертикальной оси). Но и эта волна производит наклоны поверхности грунта, поскольку, строго говоря, распространяется не так, как показано на рисунке, а выходит под углом к поверхности.

Рис. 1. Вращательные движения недеформируемого объёма при прохождении сейсмических волн. P — продольная (от англ. primary — первичная) волна, при прохождении которой частички грунта колеблются вдоль направления распространения волны; S — поперечная (от англ. secondary — вторичная) волна, колебания поперёк движения волны; L и R — волны Лява (Love) и Рэлея (Rayleigh) — поверхностные волны, распространяющиеся вдоль границы земля — воздух и затухающие с глубиной.

Теоретически вызываемые сейсмическими волнами повороты грунта довольно просто выразить через скорости колебания грунта по двум перпендикулярным направлениям. Скорости и ускорения вращений грунта можно определить через линейные ускорения и их первые производные соответственно. Создаётся впечатление, что вращательную сейсмометрию можно заменить довольно простыми вычислениями. Слабость этого подхода в том, что для вычисления вращательных компонент нужны очень качественные записи поступательных движений, очищенные от погрешностей, вызванных вращением. Вращения можно рассматривать как помеху. При этом вращательные движения могут быть и несейсмического происхождения, например, при изменении уровня грунтовых вод, выпадении и таянии снега, при прогреве или охлаждении грунта. Поэтому если нужны записи вращательных движений, надёжнее непосредственно записать их, а не вычислять из поступательных движений.

Первые опыты

Попытки зарегистрировать вращательные движения предпринимались ещё в начале XX века основоположником современной сейсмологии Борисом Борисовичем Голицыным (1862—1916). Однако и ему, и многим его последователям делать это было трудно: на больших расстояниях от эпицентра вращательные движения очень слабы. При этом применявшиеся приборы были чувствительны к линейным перемещениям, а датчики линейных движений, в свою очередь, весьма чувствительны к поворотам вокруг вертикальной оси и наклонам. В научных кругах возобладало мнение, что вращательные движения малоинформативны и слишком трудны для регистрации. Так, один из корифеев сейсмологии Чарльз Рихтер (1900—1985) утверждал, что подобные вращения пренебрежимо малы.

К началу XXI века это мнение постепенно стало меняться признанием того, что кажущаяся малоинформативность — результат несовершенства измерительных приборов. И вращательная сейсмология продолжила развитие. Был создан целый ряд датчиков наклона — наклономеров. В частности, в Институте физики Земли (ИФЗ РАН) разработаны кварцевый наклономер НКВ, маятниковый двухкоординатный штольневый наклономер НМДШ-М и многие другие. Большинство наклономерных приборов работает в длиннопериодной области, то есть с их помощью можно наблюдать медленные процессы, время изменения которых составляет минуты, часы и даже сутки.

С помощью длиннопериодных наклономеров фиксируют статические наклоны, вызванные приливами, вулканическими явлениями, движениями по разломам и другими медленными деформациями. Ещё они служат также для определения поправок в приливные гравиметрические данные. Применяются также уровневые наклономеры, имеющие базу в несколько сотен метров, которые ставят в глубоких шахтах.

Для метрологического сопровождения ускорителей-коллайдеров и Европейского детектора гравитационных волн VIRGO в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ разработан прецизионный лазерный инклинометр ПЛИ (прибор, измеряющий угол наклона относительно гравитационного поля Земли). Он может регистрировать изменение наклонов с пороговой чувствительностью 2,4×10-11рад/Гц1/2 в частотном диапазоне от 10-3 до 12,3 Гц. В нём луч лазера отражается от поверхности жидкости с нужными плотностью, вязкостью и диэлектрической постоянной, для гашения шумовых волн подобраны диаметр и глубина кюветы, используется форвакуум в тысячную долю атмосферы.

С помощью маятниковых приборов разделить на записи линейные величины и вращения невозможно. Вертикальные маятники чувствительны к угловому ускорению, горизонтальные — к угловому ускорению и наклону. Помимо этого наклон глубоко астазированного маятника значительно меняет его период, а, следовательно, меняется его чувствительность на разных частотах. (Астазированным называется маятник, собственный период колебаний которого значительно увеличен при небольших габаритах. Это позволяет получать высокую чувствительность на длинных периодах.)

Для борьбы с наклонами в сейсмометрии, для их учёта и компенсации было создано множество разных приборов: наклономеры, вращательные сейсмометры, антинаклонные платформы и карданные подвесы, системы встречно расположенных маятников, позволяющие устранить влияние наклонов при обработке сигнала (рис. 2). Помеховое влияние вращений на измерение поступательных движений пытались устранить, используя массивы близко расположенных сейсмометров — так называемые малоапертурные сейсмические антенны. Были попытки создать датчики вращательных движений на основе лазерного и жидкостного гироскопов. Лучшие из этих разработок достигали современных метрологических показателей. Но они использовались только в научных исследованиях. Высокая стоимость, трудности в обслуживании, а главное — предубеждение против самой вращательной сейсмологии не позволили наладить их серийное производство и создать сейсмические сети.

Рис. 2. Приборы для снижения помехового влияния наклонов. Измерение поступательных движений: а — пятикомпонентный сейсмометр KSР-3M (три компоненты линейных движений и две — наклоны с карданного подвеса маятников, разработка ИТПЗ РАН); б — шестикомпонентный сейсмометр KSM-1 с возможностью вычисления наклонов (разработка ИТПЗ РАН); в — наклономер KST-1 на базе механического гироскопа (разработка ИТПЗ РАН и ГосНИИАС); г — фрагмент записи ветровых колебаний атмосферного давления (нижний график) и вызванных ими наклонов грунта (прибор даёт значения в вольтах, верхний график), записанных наклономером KST-1.

К 1990-м годам стали появляться приборы, регистрирующие вращательные движения и не чувствительные к перемещениям, основанные на других физических принципах. К ним можно отнести кольцевые хемотронные и молекулярно-электронные датчики, волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы с жёстким периметром. Хемотронные и молекулярно-электронные приборы используют принцип электрохимического преобразования в твёрдых и жидких электролитах. Молекулярно-электронные датчики имеют меньшие размеры преобразователя, бóльшие чувствительность, линейность, частотный диапазон и меньший собственный шум. Волоконно-оптические гироскопы тоже лазерные. Они отличаются тем, что у них лазерный луч идёт по мягкому оптоволокну, намотанному на катушку. В «обычных» — по жёсткой герметичной трубе. Для отличия мы будем называть их лазерными гироскопами с жёстким периметром.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

160 лет почти свободы 160 лет почти свободы

9 заблуждений и фактов о крепостном праве

Вокруг света
Что и как нужно пить во время занятий спортом Что и как нужно пить во время занятий спортом

Как правильно соблюдать питьевой баланс во время тренировок?

GQ
Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки

Когда на Земле был единичный катастрофический космогенный процесс

Наука и жизнь
Когда в России появились первые зоопарки? Когда в России появились первые зоопарки?

История появления зоопарков в России

Культура.РФ
Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Как не поправиться на майские, но при этом есть шашлык: лайфхаки от диетолога Как не поправиться на майские, но при этом есть шашлык: лайфхаки от диетолога

Лишние килограммы не повод отказываться от шашлыков

Cosmopolitan
Лекарство матушки Анрио Лекарство матушки Анрио

История и производство абсента

Вокруг света
Садовое товарищество: какие культуры выращивают космонавты и кто это все потом ест Садовое товарищество: какие культуры выращивают космонавты и кто это все потом ест

Садоводство в космосе – занятие не из легких

Популярная механика
Осознанный выбор Осознанный выбор

Что значит быть экологичными, насколько нам это удается и для чего это нужно

Psychologies
Великие женщины Великой Отечественной: как воевали и победили наши бабушки Великие женщины Великой Отечественной: как воевали и победили наши бабушки

Наши отважны бабушки, без самоотверженности которых никакой Победы не было бы

Cosmopolitan
«Никогда не прячьте ошибки»: как себя вести, если вы взяли тексты конкурентов для своего лендинга — отвечает Skyeng «Никогда не прячьте ошибки»: как себя вести, если вы взяли тексты конкурентов для своего лендинга — отвечает Skyeng

Как вести себя, если вы допустили крупную ошибку в бизнесе?

VC.RU
Заложенные уши, головная боль: 7 нетипичных симптомов сезонной аллергии Заложенные уши, головная боль: 7 нетипичных симптомов сезонной аллергии

Многие не подозревают, что страдают поллинозом

Cosmopolitan
Как и на сколько можно похудеть за неделю – разбираемся вместе с экспертами Как и на сколько можно похудеть за неделю – разбираемся вместе с экспертами

Вариант похудеть за неделю кажется идеальным, но насколько он реальный?

Cosmopolitan
Как выглядели звездные красотки Муцениеце, Асмус и другие в своих первых фильмах Как выглядели звездные красотки Муцениеце, Асмус и другие в своих первых фильмах

Чтобы добиться популярности, им пришлось сыграть много ролей

Cosmopolitan
Адресный стол Адресный стол

22 мая 1861 года в Москве одним официальным учреждением стало больше

Вокруг света
Одна вокруг света: мексиканская рыбацкая деревня, пустыня и гигантские кактусы Одна вокруг света: мексиканская рыбацкая деревня, пустыня и гигантские кактусы

116 серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки Греты

Forbes
Скандинавский стиль: 10 элементов, которые преобразят твою комнату Скандинавский стиль: 10 элементов, которые преобразят твою комнату

Как можно воссоздать скандинавский интерьер в своей квартире

Cosmopolitan
8 причин приготовить на ужин брокколи 8 причин приготовить на ужин брокколи

Научно доказанные причины начать есть брокколи уже сегодня

РБК

Фильм «Минари», шестикратный номинант на «Оскар» о жизни корейских иммигрантов

Esquire
«Я руководила мужским коллективом в Арабских Эмиратах» «Я руководила мужским коллективом в Арабских Эмиратах»

Какие стереотипы о жизни в Эмиратах не соответствуют реальному положению дел

Psychologies
Не хочу и не буду: почему отказаться от готовки — правильное решение Не хочу и не буду: почему отказаться от готовки — правильное решение

Почему ошибаются мужчины, утверждающие, что женщина обязана уметь готовить

Cosmopolitan
Одна вокруг света: землетрясение, «Аллея славы» и знаки судьбы Одна вокруг света: землетрясение, «Аллея славы» и знаки судьбы

114-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Режиссер Евгения Беркович о театре, Кирилле Серебренникове и холокосте Режиссер Евгения Беркович о театре, Кирилле Серебренникове и холокосте

Спектакль «Черная книга Эстер» — новый взгляд на тему ксенофобии

СНОБ
Олег Меньшиков: «Театр может быть концептуальным, политическим, документальным, но в первую очередь он всегда был и будет актерским» Олег Меньшиков: «Театр может быть концептуальным, политическим, документальным, но в первую очередь он всегда был и будет актерским»

Олег Меньшиков — о новой этике и современных зрителях

Grazia
Быть рядом всегда Быть рядом всегда

Они прожили вместе 73 года

Лиза
«Тонкая линия атмосферы защищает нас всех»: как астронавт Николь Скотт помогает детям с онкозаболеваниями «Тонкая линия атмосферы защищает нас всех»: как астронавт Николь Скотт помогает детям с онкозаболеваниями

Николь Стотт — американская астронавтка и художница

Forbes
8 больших американских романов, которые нужно прочитать 8 больших американских романов, которые нужно прочитать

Книги современных писателей, которые докажут: великий американский роман не умер

Esquire
Деревянные выборы Деревянные выборы

Самые интересные деревья мира

Вокруг света
Кто сказал «Вау!»: шокирующе огромные животные-переростки Кто сказал «Вау!»: шокирующе огромные животные-переростки

Фото гигантов, которые переросли все положенные природой нормы

Maxim
16 неожиданных фактов о Википедии 16 неожиданных фактов о Википедии

Википедия знает почти все обо всем, а что мы знаем о Википедии?

Maxim
Открыть в приложении