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

Лингвистический променад с Мишенькой Бальзаминовым Лингвистический променад с Мишенькой Бальзаминовым

Квазифранцузские слова в русском языке и русско-французский жаргон

Наука и жизнь
У них получилось: российские звезды, которые сильно похудели У них получилось: российские звезды, которые сильно похудели

Звезды, которым удалось достичь желанных параметров и сохранить стройность

Cosmopolitan
Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки

Когда на Земле был единичный катастрофический космогенный процесс

Наука и жизнь
«Я коллекционирую мусор и не могу остановиться» «Я коллекционирую мусор и не могу остановиться»

«Я коллекционирую мусор и не могу остановиться»

Psychologies
Гумус: история органического вещества в почве Гумус: история органического вещества в почве

Существование молекул гумуса оказалось под вопросом

Наука и жизнь
3 научно доказанных способа избавиться от стресса и стать продуктивнее 3 научно доказанных способа избавиться от стресса и стать продуктивнее

Как наука поможет стать продуктивнее

Playboy
Алгоритмические войны Алгоритмические войны

Как битвы будущего видят по ту сторону океана

Популярная механика
POINTER: новой системе спасения пожарных не мешает ни дым, ни огонь POINTER: новой системе спасения пожарных не мешает ни дым, ни огонь

POINTER. Технология, позволяющая выявлять пожарных внутри зданий

Популярная механика
Лежачие полицейские защитили занзибарских колобусов от гибели под колесами машин Лежачие полицейские защитили занзибарских колобусов от гибели под колесами машин

Редкие обезьяны с острова Занзибар нередко гибнут под колесами машин

N+1
Шах вперед Шах вперед

В нынешнем сезоне Аня Тейлор-Джой играет по-крупному

Cosmopolitan
День Земли: что это такое, и как его “отпраздновать” День Земли: что это такое, и как его “отпраздновать”

Если вы никогда не слышали про День Земли, то приготовьтесь наверстать упущенное

Популярная механика
Еще один «Оскар» Фрэнсис Макдорманд? Мы только за! Еще один «Оскар» Фрэнсис Макдорманд? Мы только за!

«Земля кочевников» самый вероятный претендент на премию «Оскар»

Cosmopolitan
Самый стойкий Самый стойкий

Крахмал, безопасный для фигуры

Худеем правильно
Свои в доску: 6 выдающихся шахматисток Свои в доску: 6 выдающихся шахматисток

Женщины, которые играют в шахматы, несмотря на предрассудки

Forbes
Слава, мы вернулись Слава, мы вернулись

Истории великих возвращений героев

Men’s Health
Очаровательные девушки! Как выглядят дочери Деппа, Лоу, Касселя и других актеров Очаровательные девушки! Как выглядят дочери Деппа, Лоу, Касселя и других актеров

Дочери Джонни Деппа, Джуда Лоу и других актеров выросли красивыми и талантливыми

Cosmopolitan
Дети делают нас живыми Дети делают нас живыми

Психолог Ирина Млодик — одна из главных адвокатов детства

Seasons of life
Каждый проект я открываю лично для себя Каждый проект я открываю лично для себя

Известный ресторатор поговорил с нами об автомобилях и докторской колбасе

4x4 Club
«Возьми и сделай»: что не так с выходом из зоны комфорта? «Возьми и сделай»: что не так с выходом из зоны комфорта?

Зона комфорта: кто в ней находится и кому стоит ее покинуть?

Psychologies
10 самых опасных паразитов 10 самых опасных паразитов

Узнайте о самых опасных паразитах, а заодно лишний раз помойте руки

Популярная механика
Вымирающие северные гладкие киты родили 17 детенышей Вымирающие северные гладкие киты родили 17 детенышей

В 2020-2021 годах северные гладкие киты произвели на свет 17 китят

N+1
За последние 25 лет пестициды стали более токсичными для беспозвоночных За последние 25 лет пестициды стали более токсичными для беспозвоночных

Пестициды стали менее токсичными для рыб, млекопитающих и птиц

N+1
Лишнего не надо Лишнего не надо

Если отказаться от ненужных покупок, взамен получишь много всего полезного

Cosmopolitan
Как лечиться от фобий Как лечиться от фобий

Чтобы избавиться от собственных страхов

СНОБ
Куратор Ольга Шишко — о выставке Билла Виолы и современном видео-арте Куратор Ольга Шишко — о выставке Билла Виолы и современном видео-арте

Билл Виола — один из самых известных ныне живущих художников видео-арта

СНОБ
Евгений Лапшин: Три горизонта инноваций: как не проспать технологическую революцию Евгений Лапшин: Три горизонта инноваций: как не проспать технологическую революцию

Как не примкнуть к отстающим во время очередного прорыва?

РБК
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
Правда ли, что завтрак — самый важный прием пищи Правда ли, что завтрак — самый важный прием пищи

Одни не представляют начало дня без завтрака, другие даже не могут выпить чай

Популярная механика
Звонок другу: история телефонных номеров с древности и до наших дней Звонок другу: история телефонных номеров с древности и до наших дней

Как менялись телефонные номера

Популярная механика
Экономия по-королевски. На чем ездят Маган Маркл и принц Гарри Экономия по-королевски. На чем ездят Маган Маркл и принц Гарри

Как изменились автомобильные вкусы герцогов Сассекских после переезда в США

РБК
Открыть в приложении