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

Когда близнецы не похожи друг на друга Когда близнецы не похожи друг на друга

Почему одни близнецы похожи друг на друга, а другие нет?

Наука и жизнь
«Меня обманули 25 раз»: женщина написала книгу о своем опыте знакомств в Сети «Меня обманули 25 раз»: женщина написала книгу о своем опыте знакомств в Сети

Как британка столкнулась с аферистами в Сети и написала об это книгу

Psychologies
Африканский след в истории обуви Африканский след в истории обуви

Сколько лет обуви?

Наука и жизнь
Перестаньте указывать в вакансиях требуемый опыт работы. Он мешает нанимать лучших сотрудников Перестаньте указывать в вакансиях требуемый опыт работы. Он мешает нанимать лучших сотрудников

Опыт работы практически не связан с производительностью труда

Inc.
Вулканы, которых не было Вулканы, которых не было

Самые знаменитые выдуманные вулканы

Вокруг света
Генетически отредактированная корова Генетически отредактированная корова

Генетически отредактированная корова будет давать гипоаллергенное молоко

Наука
Фуху на островах южных морей Фуху на островах южных морей

Любой житель Британских островов скажет, что бокс придумали англичане

Вокруг света
10 самых красивых актрис российских сериалов 10 самых красивых актрис российских сериалов

10 актрис отечественных сериалов, которые завоевали сердца всех телезрителей

Cosmopolitan
Сервис по доставке всего Сервис по доставке всего

Крупнейшая отечественная курьерская компания СДЭК выходит на биржу

Эксперт
Бьюти-эволюция: как менялись все участницы Spice Girls Бьюти-эволюция: как менялись все участницы Spice Girls

Как на протяжении 20 лет менялись образы Spice Girls

Cosmopolitan
Ольга Литвиненко — неугодная дочь друга Путина, долларового миллиардера и самого богатого ректора мира Ольга Литвиненко — неугодная дочь друга Путина, долларового миллиардера и самого богатого ректора мира

Интервью с Ольгой Литвиненко, которой пришлось бежать из России

СНОБ
Один простой вопрос, чтобы перестать бояться и начать действовать Один простой вопрос, чтобы перестать бояться и начать действовать

Как освободиться от оков?

Psychologies
10 любопытных фактов об интеллекте животных 10 любопытных фактов об интеллекте животных

Отказывать в уме животным, списывая всё на инстинкты – серьёзная ошибка

Популярная механика
Русский гребень Русский гребень

История мастера, шьющего русские кокошники

Вокруг света
7 интересных фактов об Игги Попе 7 интересных фактов об Игги Попе

Игги Поп побывал в СССР и чуть было не стал вокалистом The Doors

Maxim
Виртуальные города, паспортный контроль зданий и экологичность: к чему придут архитекторы в ближайшем будущем Виртуальные города, паспортный контроль зданий и экологичность: к чему придут архитекторы в ближайшем будущем

Как архитектура становится историей или музеем под открытым небом

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
Биологи застали губок за передвижением по дну океана Биологи застали губок за передвижением по дну океана

Первый случай, когда перемещение губок задокументировали в их среде обитания

N+1
Убийцы стиля! 10 вещей, которые мешают тебе хорошо одеваться Убийцы стиля! 10 вещей, которые мешают тебе хорошо одеваться

Чек-лист по главным женским ошибкам в стиле

Cosmopolitan
Можно ли родителям заниматься сексом при ребенке? Можно ли родителям заниматься сексом при ребенке?

Как интимная жизнь родителей может сказаться на психике ребенка?

Psychologies
Любовь без предрассудков: три истории и комментарий эксперта Любовь без предрассудков: три истории и комментарий эксперта

Истории о любви, сметающей все преграды

Psychologies
Бесполезные анализы Бесполезные анализы

Какие анализы нет смысла сдавать

Лиза
Что, если не Марс? Что, если не Марс?

Куда можно «переехать» в пределах Солнечной системы

РБК
Как бородатый мужик из России делает приложение для беременных, которым пользуются миллионы женщин по всему миру Как бородатый мужик из России делает приложение для беременных, которым пользуются миллионы женщин по всему миру

Почему мужчина занимается сервисом для беременных AMMA Pregnancy Tracker?

Inc.
7 звезд российского Инстаграма, поклонники которых умоляют их больше не худеть 7 звезд российского Инстаграма, поклонники которых умоляют их больше не худеть

Одни ими восхищаются, а другие упрекают в излишней худобе

Cosmopolitan
Как выглядят Кардашьян, Версаче и другие звезды после пластических операций Как выглядят Кардашьян, Версаче и другие звезды после пластических операций

Знаменитости до и после пластических операций

Cosmopolitan
17 блестящих деталей в диснеевских фильмах, которые ты, скорее всего, не замечал 17 блестящих деталей в диснеевских фильмах, которые ты, скорее всего, не замечал

Настоящие «пасхалки»!

Playboy
Съел и умер: самые опасные деликатесы, которые лучше не пробовать Съел и умер: самые опасные деликатесы, которые лучше не пробовать

За некоторые деликатесы приходится платить слишком высокую цену

Cosmopolitan
Первому игроку приготовиться Первому игроку приготовиться

Два сильнейших персонажей из мира киберспорта

Esquire
Елизавета I: королева поэтов и пиратов Елизавета I: королева поэтов и пиратов

Елизавета Английская боялась быть казнённой своим отцом или единокровной сестрой

Дилетант
Открыть в приложении