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

Ныряющий «воробей» Ныряющий «воробей»

Почему необычную птаху, проводящую часть жизни под водой, назвали оляпкой?

Наука и жизнь
Илья Найшуллер Илья Найшуллер

Илья Найшуллер: об опыте работы в Америке, харассменте и женитьбе

Maxim
Новости науки Новости науки

Обнаруженная в ранней Вселенной грандиозная галактика и другие новости науки

Знание – сила
Даша Жукова, Оксана Робски и еще 8 светских львиц из нулевых: что с ними сейчас Даша Жукова, Оксана Робски и еще 8 светских львиц из нулевых: что с ними сейчас

Чем сейчас живут и как выглядят знаменитые гламурные тусовщицы прошлого

Cosmopolitan
Мрамор и снег Мрамор и снег

Отвергнутый Вакх, рогатый Моисей – история работ Микеланджело Буонарроти

Вокруг света
«Ребенок бы мне мешал»: звезда сериала «Склифосовский» сделала два аборта «Ребенок бы мне мешал»: звезда сериала «Склифосовский» сделала два аборта

Ирина Основина поделилась подробностями личной жизни

Cosmopolitan
Универсальный, симпатичный и вполне надёжный. Hyundai Creta на вторичном рынке Универсальный, симпатичный и вполне надёжный. Hyundai Creta на вторичном рынке

Что делать тем, кто хочет купить Hyundai Creta на вторичном рынке?

4x4 Club
10 фильмов, которые сгубили репутацию реальных людей 10 фильмов, которые сгубили репутацию реальных людей

Любые совпадения случайны и не имеют ни к кому отношения

Maxim
Любимые мужчины роковой красотки Оксаны Акиньшиной: от Шнурова до Козловского Любимые мужчины роковой красотки Оксаны Акиньшиной: от Шнурова до Козловского

Мужчины, которые очаровали Оксану Акиньшину

Cosmopolitan
$41 млн за 12 месяцев: сколько зарабатывают номинанты на «Оскар» $41 млн за 12 месяцев: сколько зарабатывают номинанты на «Оскар»

Пятеро актеров, номинированных на «Оскар-2021», заработали $41 млн

Forbes
Венсан Кассель и Тина Кунаки. Еще раз про любовь Венсан Кассель и Тина Кунаки. Еще раз про любовь

История любви Венсана Касселя и Тины Кунаки

Караван историй
10 странных деталей в известных фильмах, которые ты скорее всего пропустил 10 странных деталей в известных фильмах, которые ты скорее всего пропустил

Удивительные и внезапные детали в фильмах, которые ты точно не замечал

Maxim
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
Лови момент: как организовать импульсные покупки Лови момент: как организовать импульсные покупки

Советы бизнесу, который хочет увеличить долю импульсных покупок среди клиентов

Forbes
Что такое «Крабик» и как он может спасти процессы в вашей команде Что такое «Крабик» и как он может спасти процессы в вашей команде

«Крабик» — это фреймворк способ изучить структуру системы и усовершенствовать ее

Популярная механика
Секреты похудения звезд сериала «Друзья» Дженнифер Энистон, Кортни Кокс и Кудроу Секреты похудения звезд сериала «Друзья» Дженнифер Энистон, Кортни Кокс и Кудроу

Актрисы, сыгравшие главные роли в «Друзьях», до сих пор остаются иконами красоты

Cosmopolitan
Нырок в глубину: зачем нужен самоанализ Нырок в глубину: зачем нужен самоанализ

Чем вызван интерес к своей внутренней жизни и для чего нужно знание себя?

Psychologies
Спасти всех от всего: краткий курс помощи при вывихе, обмороке, ожоге и прочих неприятностях Спасти всех от всего: краткий курс помощи при вывихе, обмороке, ожоге и прочих неприятностях

После нашего курса, ты сможешь оживить любую, даже самую скучную, вечеринку

Maxim
L’Oréal Paris выделяет €10 млн на экологические проекты под руководством женщин L’Oréal Paris выделяет €10 млн на экологические проекты под руководством женщин

L’Oréal Paris обязалась к 2030 году в два раза уменьшить углеродный след

Forbes
По следам «Слепка»: что такое танец в музее и зачем он нужен зрителю По следам «Слепка»: что такое танец в музее и зачем он нужен зрителю

Какие связи устанавливает танец между скульптурой, живописью и хореографией?

РБК
Сити-брейк: когда нужен короткий выходной Сити-брейк: когда нужен короткий выходной

Путешествие на пару дней в другой город – отличный вариант, чтобы развеяться

Лиза
Начните с головы Начните с головы

Почему процедура «Счастье для волос» столько лет не теряет популярности

Glamour
Жаришь или отжигаешь? Как знаки зодиака отдыхают на майских шашлыках Жаришь или отжигаешь? Как знаки зодиака отдыхают на майских шашлыках

Наш Магический шар рассказывает, как именно ты обычно отдыхаешь в праздники

Cosmopolitan
Обзор Oppo Reno5: Достойный бюджетный камерофон, но далеко не лучший Обзор Oppo Reno5: Достойный бюджетный камерофон, но далеко не лучший

Плюсы и минусы перспективного смартфона Oppo Reno5

Популярная механика
«Совершенно не хочу, чтоб меня повсюду узнавали, это будет мне страшно мешать» «Совершенно не хочу, чтоб меня повсюду узнавали, это будет мне страшно мешать»

Актриса Дарья Жовнер — о «Тесноте», нелюбви к тусовкам и актерах

Esquire
Музыка, которую можно положить в карман пиджака: история аудиокассет и их создателя Лу Оттенса Музыка, которую можно положить в карман пиджака: история аудиокассет и их создателя Лу Оттенса

Как инженер Philips сделал революцию в музыкальной индустрии

VC.RU
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
«Бедность наследуется»: правда ли это? «Бедность наследуется»: правда ли это?

Обречены ли вы на наследственную бедность и можно ли сломать этот сценарий?

Psychologies
Ученые обнаружили прогресс в металлургии медных сплавов у ранних викингов Дании Ученые обнаружили прогресс в металлургии медных сплавов у ранних викингов Дании

Как развивалась цветная металлургия в начальный период эпохи викингов

N+1
Новая реальность: как создают магию с помощью световых технологий и дерзкой идеи Новая реальность: как создают магию с помощью световых технологий и дерзкой идеи

Сооснователь компании Sila Sveta - о свете и технологиях на концертах

Популярная механика
Открыть в приложении