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

Ретабло – древнейшее из искусств Ретабло – древнейшее из искусств

Ретабло – картины, которые жертвуют церквям в благодарность о помощи святых

Вокруг света
Данные претендентов на кредиты «Дом.РФ» утекли в интернет Данные претендентов на кредиты «Дом.РФ» утекли в интернет

Более 100 000 записей с данными «Дом.РФ» выставили на продажу в интернете

Forbes
Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки Неизвестная катастрофа, изменившая облик Северной Америки

Когда на Земле был единичный катастрофический космогенный процесс

Наука и жизнь
Прием псилоцибина связали со снижением креативных способностей Прием псилоцибина связали со снижением креативных способностей

Псилоцибин оказался связан с сокращением количества новых идей и ассоциаций

N+1
Сторож Мардая Сторож Мардая

Этот секретный поселок в Монголии не нанесен на карты

Вокруг света
Марсоход NASA стал первым, кто добыл кислород из марсианской атмосферы Марсоход NASA стал первым, кто добыл кислород из марсианской атмосферы

Процесс, который может помочь астронавтам основать колонию на Красной планете.

Популярная механика
Познание тьмы Познание тьмы

Как люди убедились, что черные дыры реальны

Вокруг света
«Я просто пришла и вот так нагло предложила себя в качестве художника по костюмам» «Я просто пришла и вот так нагло предложила себя в качестве художника по костюмам»

Художник-постановщик Маруся Парфенова-Чухрай — о кино как профессии не для всех

Esquire
От золота до экопрокладок: кто вошел в список самых перспективных предпринимательниц Азии От золота до экопрокладок: кто вошел в список самых перспективных предпринимательниц Азии

Рассказываем о самых интересных и успешных проектах, созданных женщинами

Forbes
Не надо стесняться: российские звезды с большим размером ноги Не надо стесняться: российские звезды с большим размером ноги

Если у тебя большой размер ноги, бери пример с этих успешных красоток

Cosmopolitan
Финансовый пузырь или светлое будущее: есть ли коммерческий потенциал у NFT-искусства Финансовый пузырь или светлое будущее: есть ли коммерческий потенциал у NFT-искусства

Почему продажа картины Beeple за $69 млн — одноразовый рекорд NFT-искусства

Forbes
«Очень уж хочется не делать ничего обычного» «Очень уж хочется не делать ничего обычного»

Актер Иван Мулин — о пробах в «Очень странные дела», страхах и сомнениях

Esquire
Как выглядели звездные красотки Йовович, Альба и другие в своих первых фильмах Как выглядели звездные красотки Йовович, Альба и другие в своих первых фильмах

Актрисам редко удается получить главные роли в самом начале карьеры

Cosmopolitan
Неравный брак: кто моет посуду, если муж зарабатывает больше Неравный брак: кто моет посуду, если муж зарабатывает больше

Тот, кто зарабатывает больше, имеет право на отдых?

Psychologies
Бить или не бить Бить или не бить

Татуировки – как выбирать рисунок, у кого его сделать и как от него избавиться

GQ
Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга Отказ от размножения помог муравьям восстановить утраченный объем мозга

Межкастовый переход муравьев привел к восстановлению объема мозга

N+1
Русская женщина. Манижа Русская женщина. Манижа

Манижа — о том, как на самом деле возникла песня, которая «пошатнула скрепы»

Собака.ru
Кнут без пряника: звезды, которые заставляют худеть своих детей Кнут без пряника: звезды, которые заставляют худеть своих детей

Детское ожирение становится всё более тревожной проблемой

Cosmopolitan
Opel Grandland X. Нечто среднее Opel Grandland X. Нечто среднее

Чем Opel Grandland X собирается привлекать покупателей?

4x4 Club
Афганский капкан Афганский капкан

За осуждение вторжения в Афганистан Андрей Сахаров был выслан из Москвы

Дилетант
Неизвестная физика: ученые подтвердили наблюдаемое нарушение Стандартной модели Неизвестная физика: ученые подтвердили наблюдаемое нарушение Стандартной модели

Российские физики рассказали о несовершенстве хорошо знакомой Стандартной модели

Популярная механика
О чем мы скрипим зубами во сне О чем мы скрипим зубами во сне

От чего возникает «скрежет зубовный» и как от него избавиться?

Psychologies
Один раз в год Один раз в год

Лучшие цветущие сады России

Лиза
6 вещей, которые женщина никогда не простит мужчине 6 вещей, которые женщина никогда не простит мужчине

Есть поступки, на которые ни одна из нас не сумеет закрыть глаза

Psychologies
Ретроспектива: 10 потрясающих научных открытий 2016 года Ретроспектива: 10 потрясающих научных открытий 2016 года

Каждый год продолжают совершаться открытия, неизменно поражающие воображение.

Популярная механика
Энергия будущего: на что способны реакторы термоядерного синтеза и ждет ли нас эра чистой энергии Энергия будущего: на что способны реакторы термоядерного синтеза и ждет ли нас эра чистой энергии

Есть ли будущее у реакторов ядерного синтеза

Популярная механика
Громкий стереозвук Громкий стереозвук

Какой бизнес строит миллиардер Андрей Андреев

Forbes
История становления Instagram на основе книги “No Filter”: от создания до сделки с Facebook и ухода основателей История становления Instagram на основе книги “No Filter”: от создания до сделки с Facebook и ухода основателей

Выжимка книги журналистки Bloomber Сары Фрайер «No Filter. История Instagram»

VC.RU
Альтернативный вариант Альтернативный вариант

Как и чем можно заменить классические пилинг, пересадку волос и блефаропластику

Grazia
Карантин не помеха: кошка преодолела 7 тысяч километров ради встречи с хозяйкой Карантин не помеха: кошка преодолела 7 тысяч километров ради встречи с хозяйкой

История кошки по имени Цветная Капуста, которая воссоединилась с хозяйкой

Cosmopolitan
Открыть в приложении