Seismologija: žemės drebėjimų tyrimas, seismometrai ir taikymai

Seismologija: kaip seismometrai fiksuoja žemės drebėjimus, nustatomi židiniai ir praktiniai taikymai geologijoje, naftos-paieškoje bei viešajam saugumui.

Seismologija – tai Žemės viduje vykstančių procesų ir jiems prilygstančių virpesių tyrimas, atliekamas matuojant Žemės paviršiaus ir požeminį judėjimą. Tuo užsiimantis specialistas vadinamas seismologu.

Seismologija yra geofizikos mokslo dalis, tirianti Žemės ir kitų planetų formavimosi, struktūros ir dinaminių procesų fiziką, naudojant seisminius duomenis ir modelius.

Instrumentai ir kaip jie veikia

Seismologai ir geofizikai naudoja įvairius prietaisus virpesiams fiksuoti: geofonus, hidrofonus (jūroje arba vandens telkiniuose) ir seismometrus. Šie prietaisai užregistruoja judėjimą kaip seismogramas, kurias vėliau apdoroja kompiuteriai.

Dažnai detektoriai skirstomi pagal pajėgumą fiksuoti kryptį:

• vertikalūs – matuoja aukštyn ir žemyn vykstančius svyravimus,
• horizontalių komponentų jutikliai – registruoja šoninius (X ir Y) virpesius.

Tipiniame seismometre yra masė (inercinis svoris), prijungta prie karkaso per spyruoklę ar amortizatorių: kai karkasas juda kartu su žeme, masė lieka beveik nejudanti, o santykinis judėjimas paverčiamas elektriniu signalu. Kai kuriuose jutikliuose naudojamas magnetas ir vielos ritė: reliatyvus judėjimas indukuoja elektrinį srovės signalą, kurį galima įrašyti ir analizuoti.

Seismometrai egzistuoja nuo senų laikų – ankstyviausius seisminius prietaisus sukūrė kinai (pvz., Zhang Heng I a. šimt.). Šiuolaikiniai prietaisai yra daug jautresni ir gali fiksuoti labai smulkius signalo svyravimus.

Seisminės bangos

Pagrindinės seisminės bangos yra:

• P bangos (pirminės arba longitudinalinės) – keliauja greičiausiai ir praeina per kietus skysčius bei dujas;
• S bangos (antrinės arba skersinės) – lėtesnės, juda tik kietose terpėse ir sukelia didesnį struktūrinį pažeidimą;
• Paviršinės bangos (Love ir Rayleigh) – lėtėsnės, bet dažnai sukelia didžiausius nuostolius ant paviršiaus.

Seismologai analizuoja bangų atvykimo laikus, amplitudes ir dažnius, kad nustatytų židinį (hipocentrą), žemės drebėjimo epicentą ir energijos pasiskirstymą.

Metodai: pasyvi ir aktyvi seismologija

Pasyvioji seismologija reiškia natūralių virpesių registravimą – žemės drebėjimų, lavos čiurlenimo, vėjo ir bangų sukeliamų mikroseizmų klausymą. Aktyvioji seismologija naudoja dirbtinius šaltinius, pvz., smūginius šaudmenis, sprogstamuosius užtaisus, vibroseis arba orines patrankas ir jūrinius airgun'us, kad į žemę sukelti bangas ir ištirti požeminę struktūrą kontroluotomis sąlygomis.

Kaip nustatomas drebėjimo vieta ir stiprumas

Žemės drebėjimo epicentras nustatomas pagal P ir S bangų atėjimo skirtumus keliuose stebėjimo punktuose ir naudojant trianguliaciją; gylis (hipocentras) apskaičiuojamas iš papildomų parametrų. Magnitudę apibūdina tokios skalės kaip Richtert (istorinė) ir šiuolaikinė momento magnitudo (Mw), o poveikio intensyvumas aprašomas Mercalli tipo skalėmis, kurios remiasi pastatų ir aplinkos padarytais nuostoliais.

Taikymas ir reikšmė

Seismologija turi platų taikymą:

• žemės drebėjimų stebėjimas ir rizikos vertinimas, ruošiant seismines pavojų žemėlapius;
• žemės drebėjimų perspėjimo sistemos – ankstyvojo įspėjimo tinklai, kurie aptikę P bangas gali per kelias–keliolika sekundžių įspėti apie gresiančius stipresnius svyravimus;
• vulkanų stebėsena ir prognozė – seisminiai signalai atskleidžia magmos judėjimą ir galimą išsiveržimą (ugnikalnių struktūrų tyrimai);
• paviršiaus ir giluminė geofizika – aktyvioji seismika leidžia žemės plutoje atsekti sluoksnius, nuosėdų ertmes ir kliūtis, padeda nustatyti naftos ar dujų telkinius bei gruntinio našumo parametrus;
• seisminė tomografija – analogiškai medicininei tomografijai, leidžia atvaizduoti Žemės vidaus greičių pokyčius ir geriau suprasti mantijos konvekciją bei plokščių judėjimą;
• tarptautinis neproliferacijos ir kariuomenių kontrolės monitoringas – seisminė įranga fiksuoja požeminius branduolinius bandymus ir kitas dideles sprogstamąsias veiklas;
• inžinerinė seismologija ir statinių atsparumo vertinimas – padeda projektuoti pastatus ir infrastruktūrą, atsparią drebėjimams.

Duomenų apdorojimas ir bendradarbiavimas

Gauti seisminiai signalai dažnai apdorojami naudojant filtrus, spektro analizę, koreliaciją ir atitaisymus triukšmui sumažinti. Tarptautinės organizacijos ir tinklai (pvz., universitetai, nacionalinės agentūros) keičiasi seismogramomis ir katalogais, leidžiančiais greitai atpažinti įvykius, tirti ilgalaikes tendencijas ir kurti modelius.

Santrauka: seismologija yra esminė mokslo sritis suprasti Žemės vidinius procesus, mažinti natūralių pavojų riziką ir atrasti požeminius išteklius. Ji jungia instrumentų inžineriją, duomenų analizę ir geofizikinius modelius, todėl nuolat vystosi su technologijų pažanga.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra seismologija?

K: Kas vadinamas seismologiją studijuojančiu žmogumi?

K: Kas yra geofizika?

K: Kokiais prietaisais seismologijoje fiksuojami virpesiai?

K: Kokie yra du seisminių detektorių tipai?

K: Kokia seismometro paskirtis?

K: Kokie galimi seismologijos panaudojimo būdai?

Paieška pagal raidę