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
Дроны научились синхронно летать в жесткой сцепке Дроны научились синхронно летать в жесткой сцепке

Разработан алгоритм управления несколькими дронами, объединенными в один модуль

N+1
Африканский след в истории обуви Африканский след в истории обуви

Сколько лет обуви?

Наука и жизнь
Кровь, боль и никаких слез: Самые дикие мужские инициации всех времен Кровь, боль и никаких слез: Самые дикие мужские инициации всех времен

Почему, чтобы стать мужчиной, иногда нужно как следует пострадать?

Maxim
Тайна платка с узором из земляники Тайна платка с узором из земляники

Историю любви и предательства Отелло и Дездемоны не так проста, как кажется

Вокруг света
«Женщина в космосе — это политический ход». История инженера, которая создает и запускает на орбиту наноспутники «Женщина в космосе — это политический ход». История инженера, которая создает и запускает на орбиту наноспутники

Инженерка Валерия Мельникова — хочет ли полететь в космос и над чем работает

СНОБ
Война и мир, или три встречи с Кустурицей Война и мир, или три встречи с Кустурицей

Репортаж из Боснии и Герцеговины глазами Эмира Кустурицы

Вокруг света
Первые зубы малыша: что важно знать Первые зубы малыша: что важно знать

Первые зубы: советы врачей и опытных мам

9 месяцев
Амаркорд по-корейски Амаркорд по-корейски

«Минари» — оскаровской история о корейских фермерах-переселенцах в Арканзасе

Weekend
Грязные танцы Грязные танцы

Год самоизоляции привел к буму в секс-технологиях

Men’s Health
Как использовать свой мозг на 100%: советы от наставника Nike, General Electric и Virgin Group Джима Квика Как использовать свой мозг на 100%: советы от наставника Nike, General Electric и Virgin Group Джима Квика

Отрывок из книги Джима Квика «Безграничье. Прокачай мозг, запоминай быстрее»

Forbes
Темную материю предложили изучать по температуре экзопланет Темную материю предложили изучать по температуре экзопланет

Экзопланеты как детекторы темной материи

N+1
Свинотворение Свинотворение

Ксения Рождественская о «Гунде», документальном блокбастере о свинье

Weekend
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
Запрет на поцелуи и кража еды: шокирующие методы воспитания детей в семьях звезд Запрет на поцелуи и кража еды: шокирующие методы воспитания детей в семьях звезд

Звезды удивят тебя своими принципами воспитания детей

Cosmopolitan
Осторожно: линзы! Осторожно: линзы!

Основные ошибки в обращении с контактными линзами

Домашний Очаг
Chery Tiggo 8 Pro. С мыслями о будущем Chery Tiggo 8 Pro. С мыслями о будущем

Tiggo 8 Pro — самый крутой в линейке кроссоверов Tiggo последнего поколения

4x4 Club
Он, она и ипотека: как понять, что вы готовы к этому шагу Он, она и ипотека: как понять, что вы готовы к этому шагу

Как понять, что пара психологически готова к тому, чтобы взять ипотеку?

Psychologies
«Великий» — один из наиболее удачных проектов Джонни Деппа за последние годы «Великий» — один из наиболее удачных проектов Джонни Деппа за последние годы

Что нужно знать о новом фильме Джонни Деппа

GQ
Тогда и сейчас: как выглядят юные актеры культового сериала «Сваты» Тогда и сейчас: как выглядят юные актеры культового сериала «Сваты»

Детей из сериала «Сваты» уже можно узнать с трудом

Cosmopolitan
Научные факты о пользе и вреде витамина А Научные факты о пользе и вреде витамина А

Витамин А нужен для иммунитета, здоровья глаз и кожи

РБК
Тогда и сейчас: как выглядят Ева Польна, Алсу и другие поп-звезды 2000-х Тогда и сейчас: как выглядят Ева Польна, Алсу и другие поп-звезды 2000-х

Певицы, которые прославились в начале нулевых

Cosmopolitan
4 культовых сериала, которые пересняли 4 культовых сериала, которые пересняли

Сериалы, которым дали второе дыхание: «Друзья», «Доктор Кто» и другие

GQ
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.
Великий шелковый путь расширил меню согдийских царей Великий шелковый путь расширил меню согдийских царей

Традиционные продукты Востока и Запада оказались погребены в царской кладовой

N+1
Книга шифров Книга шифров

Наука шифрования: от Древнего Египта до квантовой криптографии

kiozk originals
Поехали! Поехали!

Электромобильный стартап Arrival Дениса Свердлова привлек 660 млн долларов

Эксперт
Человек не виноват Человек не виноват

Массовая гибель морской фауны в Авачинской бухте не была антропогенной

Наука
Можно ли в России зарабатывать миллионы на чайном грибе? Двое бывших барменов уверены, что да, и намерены это доказать Можно ли в России зарабатывать миллионы на чайном грибе? Двое бывших барменов уверены, что да, и намерены это доказать

Как бывшие бармены начали делать комбучу и зарабатывать миллионы

Inc.
Ученые нашли доказательства масштабной добычи изумрудов в римском Египте Ученые нашли доказательства масштабной добычи изумрудов в римском Египте

В позднеримскую эпоху на территории Египта располагались изумрудные копи

N+1
Открыть в приложении