Приборы для записи сильных движений и чувствительные сейсмографы

Что именно происходит с грунтом во время землетрясения? Чтобы получить ответ на этот вопрос, были разработаны сейс­мографы,  которые  изменяют  параметры  колебаний  грунта.

Поскольку в плейстосеистовой области крупного землетрясе­ния колебания могут быть чрезвычайно сильными, необходимо создать регистрирующие приборы, способные выдерживать удары сейсмических волн и не зашкаливать. Первый описанный во всех подробностях регистратор землетрясений был своего ро­да произведением искусства (рис. 1); его изобрел около 132 г. н.э. китайский ученый Чжан Хэн. По своей конструкции этот прибор представлял собой сейсмоскоп: в отличие от сейсмографа, он не давал полной временной развертки сейсмических колебаний, а просто указывал направление главного толчка*).

Первые надежные сейсмографы были построены незадолго до начала XX в. Хотя к настоящему времени такие инструменты стали более сложными, основной принцип их устройства остался неизменным. Схема работы сейсмографа показана на рис. 2. На раме, укрепленной на грунте, свободно подвешено массивное те­ло. Таким образом, положение этой массы практически не зави­сит от колебаний рамы. При сотрясениях рамы во время сейсми­ческих толчков инерция массы заставляет ее отставать  от колебаний рамы, и это относительное смещение записывается (пером и чернилами) на бумаге, намотанной на вращающийся ба­рабан (в современных приборах колебания регистрируются фото­графическим путем или на магнитной ленте). Получаемая запись называется сейсмограммой. Принцип действия маятникового сейсмографа может использоваться, как показано на рис. 2, для записи как вертикальных, так и горизонтальных колебаний грун­та. Для записи вертикальных движений масса прикрепляется к пружине, на которой она качается вверх-вниз, как груз на без­мене (бытовых пружинных весах). Именно эти качания и записы­ваются на сейсмограмме. Для измерения боковых колебаний грунта масса обычно прикрепляется, как показано на рис. 2, к горизонтальному маятнику, который раскачивается, как дверь дома на своих петлях.

Если мы построим простой сейсмограф*), укрепив массу на

 конце спиральной пружины или резиновой ленты, и будем про­изводить колебательные движения рукой, то обнаружится, что масса продолжает колебания и тогда, когда наша рука уже нахо­дится в покое. Эти свободные колебания маятника ничего не мо­гут рассказать о движениях грунта. Поэтому колебания маятника надо заглушить, демпфировать, с помощью какого-либо механи­ческого или электрического приспособления. Если это сделано, то смещение массы относительно рамы может служить мерой колебаний грунта. Но и тогда запись такого относительного дви­жения в большинстве случаев не соответствует истинным колеба­ниям грунта; таким образом, большинство сейсмограмм не дает точной картины того, что происходит с грунтом во время земле­трясения. При расчете истинного движения грунта необходимо учитывать физические закономерности колебаний маятника.

В современных сейсмографах при колебаниях маятника отно­сительно корпуса прибора создается электрический сигнал, ко­торый усиливается электронным путем в тысячи и даже сот™ тысяч раз; этот усиленный сигнал приводит в действие перо самописца, в результате чего и получается сейсмограмма. Элек­трические сигналы с маятника сейсмографа могут также записы­ваться на магнитную ленту (как записываются на магнитофон звуковые волны, попадающие в микрофон). В этом случае запись колебаний грунта сохраняется в магнитной форме и, когда по­требуется, ее можно воспроизвести с магнитной ленты на каком-либо видеоустройстве; ту же ленту можно проиграть и через динамики, которые воспроизведут звуки землетрясения.

Для получения записи сильных колебаний грунта, с которой можно было бы непосредственно считывать ускорение, скорость и амплитуду смещения, разработаны специальные сейсмографы. Наиболее распространенные сейсмографы для регистрации сильных движений записывают непосредственно ускорения грун­та и называются акселерографами. Фотография одного из недав­

но разработанных акселерографов приведена на рис. 3. Большин­ство этих приборов не дают непрерывной записи, а вводятся в действие первыми волнами начавшегося землетрясения. Дело в том, что даже в таких «странах землетрясений», как Калифор­ния и Япония, месяцами или даже годами может не происходить сильных сейсмических колебаний грунта, которые надо было бы записывать. Следовательно, непрерывная работа сотен таких приборов не нужна. Конструкция этих приборов предусматри­вает их включение под действием большого ускорения грунта. Запись продолжается несколько минут или_до того момента, ког­да колебания грунта снова затихают до неощутимого уровня. Приборы для сильных движений обычно способны записать ускорения грунта, превышающие ускорение силы тяжести.

Запись ускорения сильных движений грунта имеет на акселе­рограмме вид волн. Часто бывает невозможно различить от­дельные типы сейсмических волн: продольные, поперечные и по­верхностные, в особенности если наблюдатель находится близко к очагу землетрясения. Сейсмологи предпринимают сейчас боль­шие усилия, чтобы как можно лучше расшифровать эти важные записи колебаний грунта.

В этом описании мы выделили приборы для сильных движе­ний, рассчитанные на запись самых сильных колебаний, так как они рассказывают нам о характере ощутимых и разрушительных сотрясений. Однако большинство сейсмографов, рассеянных по всему миру,-особенно приборы, установленные более чем на 1000 постоянно действующих сейсмических станций,-это очень чувствительные «уши, приложенные к телу Земли». Они могут обнаруживать и записывать слабые землетрясения, возникающие на очень больших расстояниях.