Seismograma: apibrėžimas, matavimo būdai ir reikšmė seismologijoje

Sužinokite, kas yra seismograma, kaip ji matuojama ir kodėl seismologijoje būtina — aiškus paaiškinimas apie metodus, technologijas ir dydžių reikšmę.

Seismograma - tai žemės drebėjimo sukelto judesio matavimo stotyje įrašas kaip laiko funkcija. Seismogramos paprastai daromos seismometrais. Seismometrai fiksuoja judesius trijose kartezinėse ašyse (x, y ir z), kur z ašis yra statmena Žemės paviršiui, o x ir y ašys yra lygiagrečios paviršiui. Seismograma dažniausiai pateikiama kaip laiko eilutė, kurioje matyti signalo amplitudė (pvz., poslinkis, greitis arba pagreitis) ir laikas. Praktikoje komponentai žymimi kaip Z (vertikalus), N (šiaurės–pietų) ir E (rytų–vakarinis).

Istoriškai seismogramos buvo įrašomos ant popieriaus, pritvirtinto prie besisukančių būgnų. Kai kurie naudojo rašiklius ant paprasto popieriaus. Kiti naudojo šviesos spindulius šviesai jautriam popieriui apšviesti. Šiandien beveik visos seismogramos įrašomos skaitmeniniu būdu, kad jas būtų lengviau analizuoti kompiuteriu. Skaitmeninėse stotyse signalas yra imamas su tam tikru dažniu (samplinimo dažnis, pvz., 20–200 Hz arba aukščiau specializuotoms programoms) ir koduojamas su tam tikru bitų gylio tikslumu. Toks skaitmeninis įrašas leidžia taikyti filtrus, išimti instrumento atsaką ir atlikti spektrinę analizę. Seismogramos labai svarbios matuojant žemės drebėjimus pagal Richterio skalę ir kitus masto bei energijos įvertinimus.

Kaip skaityti seismogramą

Seismogramoje paprastai matomi keli pagrindiniai signalai:

• P bangos (pirminės, P) — greičiausios kūno bangos, kurios pirmos pasirodo įraše.
• S bangos (antrinės, S) — lėtesnės už P bangas, bet dažniausiai didesnės amplitudės; jų atėjimo laiko skirtumas nuo P bangų naudojamas atstumo iki židinio įvertinimui.
• Paviršinės bangos (Rayleigh ir Love) — pasirodo vėliau, paprastai ilgiau trunkančios ir dažnai sukeliančios didžiausią žalą pastatams.

Ant seismogramos galima atpažinti ir prieširdinius signalus, triukšmą (pvz., žmogaus veiklos ar vėjo sukeliamą), monotoninius ritmus ir reverberacijas. Atpažinus P ir S bangų atvykimo laikus, taikant travel-time lenteles arba modelius, galima apskaičiuoti žemės drebėjimo epicentro atstumą ir, trianguliuojant iš kelių stočių, nustatyti židinį.

Matavimo vienetai, instrumento atsakas ir korekcijos

Seismometrai gali tiesiogiai matuoti poslinkį, greitį arba pagreitį. Praktikoje dažnai fiksuojama pagreitis (accelerografai — stipriosios judesio įrašai) arba greitis/poslinkis (broadband seismometrai). Svarbu suprasti instrumento transfer funkciją (atsaką): seismometras, įrašydamas tikrąjį žemės judesį, jo ne visada registruoja vienodai visiems dažniams. Todėl atliekama instrumento atsako pašalinimas (dekonvoliucija), kad gautume tikrąjį žemės paviršiaus judesį arba palygintume duomenis iš skirtingų stočių.

Be to, seismogramos analizėje naudojamos operacijos:

• Baseline correction — nuolatinės arba lėtos dreifų pašalinimas;
• filtravimas (žemojo arba aukštojo dažnio) — triukšmo mažinimui arba dominančių signalų paryškinimui;
• spektrinė analizė — dažnių sudėties tyrimas;
• piko identifikavimas (P ir S pick) — būtinas vėlesnėms lokacijoms ir inversijoms.

Skaitmeniniai metodai ir duomenų valdymas

Modernios seisminės stotys dažniausiai perduoda duomenis realiu laiku į centrinius serverius per tinklą. Duomenų kokybė priklauso nuo samplinimo dažnio, bitų gylio ir instrumento kalibracijos. Populiarūs formatai — miniSEED, SAC ir kiti, leidžiantys standartiškai saugoti laiko eilutes. Programinė įranga automatiškai atrenka įvykius (trigger), atlieka pradinius apdorojimus ir siunčia įspėjimus (pvz., žemės drebėjimo early warning sistemas).

Seismogramos reikšmė seismologijoje ir praktikoje

Seismogramos yra pagrindinis šaltinis daugeliui seismologinių tyrimų ir praktinių taikymų:

• Nustatymas ir lokalizacija: epicentro ir židinio gylio apskaičiavimas naudojant bangų atvykimo laikus.
• Magnitudės ir energijos įvertinimas: amplitudės ir spektro analizė leidžia apskaičiuoti magnitudę (Richterio, momentinę magnitudę ir kt.).
• Fokalinių mechanizmų ir žemės drebėjimo nukreiptumo analizė (moment tensor inversija).
• Seisminė tomografija ir struktūrinių modelių kūrimas — naudojant daug stočių duomenis atskleidžiamos Žemės vidaus savybės.
• Vulkanų stebėsena, įskaitant prieširdinius signalus ir lavų judesio indikatorius.
• Inžinerinė seismika — grąžinant stiprumo charakteristikas projektavimui ir rizikos vertinimui.
• Ankstyvojo perspėjimo sistemos — analizė realiu laiku leidžia išsiųsti automatinį perspėjimą, kol destruktyvios bangos pasiekia gretimas zonas.

Instrumentų tipai ir praktiški skirtumai

Yra keli pagrindiniai instrumentų tipai:

• Broadband seismometrai — fiksuoja plačią dažnių juostą (nuo mažiausių iki kelių dešimčių Hz); naudojami moksliniams tyrimams.
• Short-period seismometrai — jautresni aukštesniems dažniams, tinkami mažesniems ir arti esančių drebėjimų tyrimams.
• Strong-motion accelerografai — skirti įrašyti stiprias trukdžius be užsikimšimo, svarbūs pastatų atsparumo ir inžinerinės analitikos tyrimams.

Praktiniai patarimai

• Kai analizuojate seismogramą, pradėkite nuo instrumento atsako patikrinimo ir, esant reikalui, jo pašalinimo.
• Naudokite filtrus atsargiai — netinkamas filtravimas gali pakeisti signalų pobūdį.
• Triukšmas (kultūrinis, atmosferinis, mikrodreifas) gali slėpti mažus įvykius — patartina vertinti kokybę ir lyginti su kaimyninėmis stotimis.

Trumpai tariant, seismograma yra laiko eilučių įrašas, leidžiantis analizuoti Žemės judesius, nustatyti drebėjimų parametrus ir atlikti daugybę praktinių bei mokslinių uždavinių — nuo rizikos vertinimo iki giluminių struktūrų tyrimų.

Paieška pagal raidę