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

Потомки эмира Золотой Орды Потомки эмира Золотой Орды

Генетики получили несколько гипотез происхождения трёх казахских кланов

Наука и жизнь
Как быть вегетарианцем в мире животных Как быть вегетарианцем в мире животных

Маркус Уикс «Что бы сказал Ницше. Как великие философы решили бы ваши проблемы»

СНОБ
Африканский след в истории обуви Африканский след в истории обуви

Сколько лет обуви?

Наука и жизнь
Порно как способ поговорить о важном: зачем смотреть сериал Happy End о вебкам-бизнесе Порно как способ поговорить о важном: зачем смотреть сериал Happy End о вебкам-бизнесе

В «Happy End» тема вебкам-видео приводит в действие драматургические шестеренки

Forbes
Млечный путь Млечный путь

Свиньи и дельфины — близкие родственники, а лошадь роднее собаке, чем корове

Вокруг света
Опять метель: каким получился «Доктор Гарин» Владимира Сорокина Опять метель: каким получился «Доктор Гарин» Владимира Сорокина

Игорь Кириенков — о «нормальной» книге «нормального» писателя

РБК
Добро с кулаками Добро с кулаками

Яркий, сексуальный альфа-самец, готовый встать на защиту любимой

Вокруг света
Заработала на квартиру, копирует даже духи: как живут двойники Кейт Миддлтон Заработала на квартиру, копирует даже духи: как живут двойники Кейт Миддлтон

Как живут самые популярные двойники Кейт Миддлтон

Cosmopolitan
Как, наконец, найти девушку в 2021 году: 5 главных советов для всех парней Как, наконец, найти девушку в 2021 году: 5 главных советов для всех парней

Пришла пора найти ту, глядя на которую ты начнешь расплываться в улыбке

Playboy
20 самых знаковых моментов за всю историю премии «Оскар» 20 самых знаковых моментов за всю историю премии «Оскар»

Самые важные, яркие и курьезные моменты за всю историю премии «Оскар»

Esquire
Менингит, суицид мужа, нелепая смерть: трагическая судьба актрисы Джин Харлоу Менингит, суицид мужа, нелепая смерть: трагическая судьба актрисы Джин Харлоу

Джин Харлоу – одна из самых известных голливудских актрис всех времен

Cosmopolitan
«Вынь руки из-под одеяла!»: когда родители вторгаются в интимную жизнь детей «Вынь руки из-под одеяла!»: когда родители вторгаются в интимную жизнь детей

Почему не нужно контролировать сексуальное развитие детей с помощью запретов

Psychologies
Удивительный гёмбёц: «неваляшка» без грузика внутри Удивительный гёмбёц: «неваляшка» без грузика внутри

Детская игрушка — «неваляшка» всегда возвращается в исходное положение

Популярная механика
«Клуб 5 утра»: в Кремниевой долине появился новый «биохак», увеличивающий эффективность «Клуб 5 утра»: в Кремниевой долине появился новый «биохак», увеличивающий эффективность

Новый необычный способ активировать скрытые возможности человеческого организма

Maxim
7 пессимистичных фактов о современных отношениях 7 пессимистичных фактов о современных отношениях

Реальность не может успокоиться и вносит свои коррективы в современные отношения

Maxim
Валентина Крупник Валентина Крупник

Валентина Крупник помогает издательству «Сеанса» получать гранты и субсидии

Собака.ru
«Неплохо для бездарности»: Ким Кардашьян-Уэст официально стала миллиардером «Неплохо для бездарности»: Ким Кардашьян-Уэст официально стала миллиардером

Компании KKW Beauty и Skims увеличили состояние Кардашьян-Уэст до $1 млрд

Forbes
Вредная миома Вредная миома

Миома матки – женская карма

Здоровье
Используйте этот психологический прием, чтобы эффективно решать проблемы Используйте этот психологический прием, чтобы эффективно решать проблемы

Когда мы пытаемся решить проблему, обычно думаем, что нам что-то нужно добавить

Inc.
«Я человек интуиции – живу сердцем» «Я человек интуиции – живу сердцем»

Актер Максим Дрозд – явно более тонкий герой, чем большинство его персонажей

Добрые советы
Люди чувствуют себя счастливее после 30, показало новое исследование Люди чувствуют себя счастливее после 30, показало новое исследование

Оправдана ли идеализация молодости?

Inc.
Гитарист группы Queen опубликовал занимательное исследование, посвященное форме астероидов Гитарист группы Queen опубликовал занимательное исследование, посвященное форме астероидов

Команда ученых смоделировала на суперкомпьютере рождение множества астероидов

Популярная механика
Что мужчины думают об изменах Что мужчины думают об изменах

Возможно ли жить с мужчиной и быть уверенной, что однажды не раскроется обман?

Cosmopolitan
Новый ISUZU D-Max и его железные аргументы Новый ISUZU D-Max и его железные аргументы

Новый ISUZU D-Max – новое поколение пикапов

4x4 Club
«Мир хочет, чтобы вы были обычными»: Безос в последний раз обратился к акционерам во главе Amazon «Мир хочет, чтобы вы были обычными»: Безос в последний раз обратился к акционерам во главе Amazon

Джефф Безос назвал правило успеха в жизни и бизнесе в последнем письме

Forbes
Зеленский и судья: как Украина столкнулась с конституционным кризисом Зеленский и судья: как Украина столкнулась с конституционным кризисом

Конфликт президента Владимира Зеленского с главой Конституционного суда

Forbes
«Я коллекционирую мусор и не могу остановиться» «Я коллекционирую мусор и не могу остановиться»

«Я коллекционирую мусор и не могу остановиться»

Psychologies
Кейт Миддлтон очаровала мужа королевы: что связывало герцогиню и принца Филиппа Кейт Миддлтон очаровала мужа королевы: что связывало герцогиню и принца Филиппа

Как юная Кейт заслужила любовь, доверие и уважение принца Филиппа

Cosmopolitan
Игровое кино: какие технологии помогли Бекмамбетову снять блокбастер Игровое кино: какие технологии помогли Бекмамбетову снять блокбастер

Тимур Бекбамбетов — о технологиях, использованных на съемках фильма «Девятаев»

Популярная механика
OODA-цикл: четыре этапа для принятия эффективных решений в критически важных ситуациях OODA-цикл: четыре этапа для принятия эффективных решений в критически важных ситуациях

Как использовать OODA-цикл?

VC.RU
Открыть в приложении