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

Чумной форт Чумной форт

История вакцинации против опасных инфекционных заболеваний

Дилетант
Новая Третьяковка: в сторону свободы. О новой выставке «Мечты о свободе. Романтизм в России и Германии» Новая Третьяковка: в сторону свободы. О новой выставке «Мечты о свободе. Романтизм в России и Германии»

Первое за многие годы обращение в России к теме романтизма

СНОБ
Африканский след в истории обуви Африканский след в истории обуви

Сколько лет обуви?

Наука и жизнь
Старый папа Старый папа

Ольга Федянина о триллере о деменции «Отец»

Weekend
Аравийская быль Аравийская быль

Как выжить в Саудовской Аравии, если вы родились женщиной

Вокруг света
Горячая красотка в белье: 24-летняя дочь Мадонны снялась для глянца Горячая красотка в белье: 24-летняя дочь Мадонны снялась для глянца

Лурдес Леон (Lourdes Leon) приняла участие в сексуальной фотосессии

Cosmopolitan
Форменное благочестие Форменное благочестие

Простое печенье маамуль издавна объединяет неспокойный мир Ближнего Востока

Вокруг света
Малярия: симптомы, возбудители, лечение, советы врача Малярия: симптомы, возбудители, лечение, советы врача

Рассказываем, что нужно знать о малярии

РБК
Почему в Европе призывают бойкотировать чемпионат мира по футболу в Катаре? Почему в Европе призывают бойкотировать чемпионат мира по футболу в Катаре?

Норвежское движение по борьбе с ущемлением человеческих прав на Ближнем Востоке

GQ
Олеся Журкевич. История о бизнесе на краю света Олеся Журкевич. История о бизнесе на краю света

Олеся Журкевич – директор и совладелец Центра лечебного голодания «Улутай»

Домашний Очаг
Масса эффектов Масса эффектов

Насколько реальна физика вселенной Mass Effect?

N+1
Легкое чтение: 5 книг из знаменитого книжного клуба Риз Уизерспун Легкое чтение: 5 книг из знаменитого книжного клуба Риз Уизерспун

Новинки книжного клуба Hello Sunshine актрисы Риз Уизерспун

Esquire
Как психотерапия меняет нашу культуру Как психотерапия меняет нашу культуру

Как наша культура реагирует на наш интерес к психотерапии?

Psychologies
7 фильмов о злых компьютерах 7 фильмов о злых компьютерах

Стоило компьютерам только появиться, как мы сразу же стали бояться

Maxim
Пауза в отношениях: как обоим партнерам извлечь из нее пользу Пауза в отношениях: как обоим партнерам извлечь из нее пользу

Иногда временная разлука может положить конец отношениям

Psychologies
Правила жизни Курта Воннегута Правила жизни Курта Воннегута

Писатель, умер в 2007 году в возрасте 84 лет в Нью-Йорке

Esquire
Шампунь всему голова Шампунь всему голова

Правильно ли вы ухаживаете за своими волосами?

Худеем правильно
«Живу с абьюзером, который употребляет наркотики, и не могу уйти» «Живу с абьюзером, который употребляет наркотики, и не могу уйти»

Я была виновата даже в том, что на меня кто-то из мужчин смотрит

Psychologies
Как устроены кинотеатры IMAX? Как устроены кинотеатры IMAX?

Многие были в кинотеатрах IMAX, но не все знают, что это, собственно, означает

Популярная механика
Тест-драйв электрокара Porsche Taycan на Байкале Тест-драйв электрокара Porsche Taycan на Байкале

Беззвучное включение и 484 километра на одном заряде

GQ
Первый сотрудник Coinbase получил работу, написав основателям холодное письмо. Зарплату ему платили биткоинами Первый сотрудник Coinbase получил работу, написав основателям холодное письмо. Зарплату ему платили биткоинами

Как «раздражающе длинное» холодное письмо помогло получить работу

Inc.
Отходное дело: почему Goldman Sachs советует покупать акции мусорных компаний и можно ли заработать на этом в России Отходное дело: почему Goldman Sachs советует покупать акции мусорных компаний и можно ли заработать на этом в России

Выгодны ли инвестиции в компании из мусорной отрасли

Forbes
Тед Банди и компания: 6 художественных сериалов о маньяках Тед Банди и компания: 6 художественных сериалов о маньяках

Серийные убийцы и маньяки в художественных сериалах

Esquire
9 лучших корейских фильмов. История любви девочки к свинобегемоту, корейская погоня за американской мечтой и экранизация Мураками 9 лучших корейских фильмов. История любви девочки к свинобегемоту, корейская погоня за американской мечтой и экранизация Мураками

«Паразиты», «Горничная», «Пылающий», «Олдбой» и многих других азиатских шедевров

Esquire
Новинки книг 2021 на российском рынке: топ захватывающих романов от Playboy Новинки книг 2021 на российском рынке: топ захватывающих романов от Playboy

Подборка самых актуальных и ожидаемых книжных новинок 2021 года на русском языке

Playboy
Полный гид по интервальному голоданию: когда и что есть, чтобы похудеть Полный гид по интервальному голоданию: когда и что есть, чтобы похудеть

Хвастаться часами голода – новая мода, но насколько она полезна и эффективна?

Cosmopolitan
Польские археологи обнаружили первую египетскую мумию беременной женщины Польские археологи обнаружили первую египетскую мумию беременной женщины

Первый известный случай мумификации беременной женщины

N+1
10 невероятных красавиц с уникальными особенностями внешности 10 невероятных красавиц с уникальными особенностями внешности

Эти девушки выглядят как инопланетянки, которые попали к нам из другого мира

Maxim
Как стать суперменом: идеи по повышению продуктивности, которые вам понравятся Как стать суперменом: идеи по повышению продуктивности, которые вам понравятся

Самые известные и самые эффективные приемов повышения собственной продуктивности

Популярная механика
Дочерние компании: как занимается бизнесом Ксения Шойгу Дочерние компании: как занимается бизнесом Ксения Шойгу

Ксения Шойгу ведет разнообразные проекты, но многие из них связанны с Минобороны

Forbes
Открыть в приложении