27.08.2022

Сейсмическая станция МГУ

На -2 этаже редко бывают студенты, хоть там и находятся интересные лаборатории. Именно здесь располагается сейсмическая станция МГУ*. Она работает с момента постройки здания физического факультета на Ленинских горах. О том, как работает станция, и что можно узнать с её помощью, расскажем в нашей статье!

*Особенностью расположения станции является то, что она стоит на специально изготовленном постаменте, не связанном напрямую с фундаментом и перекрытиями здания факультета, то есть, насколько это возможно, изолированном от вибрационного шума, генерируемого механическими источниками, такими, как передвижения студентов, преподавателей, персонала, текущей работой механизмов и приборов, таких как вентиляционные и другие насосы.

Как работает «Сейсмическая станция МГУ»?

Сейсмическая станция работает уже более 50 лет. Физическая основа работы установки – движение массивного тела в неинерциальной системе отсчета.

Неинерциальная система отсчёта – это колеблющаяся Земля. Ее колебания вызваны различными причинами: геофизиков интересуют, прежде всего, землетрясения, строителей – антропогенные колебания, связанные с транспортной нагрузкой.

Для регистрации движения в неинерциальной системе отсчёта массивное тело оформляется в сейсмометр – устройство, выходной сигнал которого (напряжение электрического тока) пропорционален движению массы в одном заданном направлении. Сейсмометр регистрирует движение по одному из двух направлений – вертикальному (вдоль направления вектора силы тяжести) или горизонтальному.

Методически, для регистрации полного вектора смещения, используется два горизонтальных сейсмометра, установленных так, что их оси по направлению перпендикулярны и ориентированы на север и восток, что, в совокупности с вертикальным сейсмометром, позволяет получить три компоненты поступательного движения места установки сейсмометров в декартовых координатах.

По какому принципу движения этой массы преобразуются в электрический сигнал, спросите вы? Преобразование может осуществляться по различным физическим принципам, чаще всего оно происходит за счёт движения катушки индуктивности в поле постоянного магнита.

• Обычно катушка неподвижно связана с подвижной массой сейсмометра, которая движется относительно основания, жёстко связанного с местом установки датчика на поверхность Земли. Магнит – с неинерциальной системой отсчёта, т.е. Землёй, через основание датчика.
• Катушка движется, происходит изменение магнитного потока через витки катушки – в ней появляется ток.
• Этот ток после преобразования регистрируется.
• Аналоговый сигнал подаётся на вход аналого-цифрового преобразователя, оцифровывается и записывается.

Этот процесс происходит непрерывно для всех сейсмостанций мира и синхронизируется по времени. То есть, каждый цифровой отсчёт, пропорциональный текущему положению массы датчиков, фиксируется для каждого из тысяч датчиков сейсмических сетей в точно известное время.

Итак, прибор сейсмостанции МГУ фиксирует колебания того места, где он стоит, в широком динамическом диапазоне: от долей микрона до сантиметра в секунду. В частотном диапазоне прибор настроен так, что он регистрирует колебания от землетрясений по всему земному шару, с частотами от сотых долей до 10 Гц. Однако, из-за высокого уровня городского шума качественно регистрируются не все землетрясения, а только наиболее мощные, с магнитудой от 6 по всему земному шару, и близкие к сейсмостанции, тогда магнитуда может быть меньше.

“Фон, когда нет землетрясений, зависит от погоды, от движения транспорта и от движения внутри здания. Кстати, он существенно упал во время covid-19, потому, что народ ходил меньше, машин ездило меньше”.

Таким образом, сейсмический шум или, иначе, вибрационный фон, может быть отдельным объектом изучения, не связанным с геофизикой, но имеющим отношение к строительству и экологии.

Повторим, что для минимизации этого шума датчики стоят на бетонном основании, которое закопано в землю отдельно от фундамента здания факультета. Датчики находятся в подвале и их можно увидеть, хотя визуально это три серые коробки с проводами, тянущимися от них к еще одной.

Как определить место землетрясения?

Землетрясение – это разрыв, при котором части горной породы сдвигаются друг относительно друга на глубине по некоторой плоскости в ограниченном пространстве. Напряжение в пространстве накапливается за счёт тектонических движений Земной коры, и, в конце концов, оказывается больше, чем прочность горной породы в этом месте. Разрыв длится секунды и тянется на сотни километров. Расположение плоскости можно определить по записям этого землетрясения сетью станций, расположенных на разных азимутах относительно очага землетрясения.

По информации с одной станции можно определить лишь азимут на источник колебаний и, с небольшой точностью, расстояние до места землетрясения. Однако если станций много, то расстояние и глубина хорошо уточняются.

Волны от землетрясения упругие, и распространяются по Земле. Сначала волны достигают той станции, которая находится ближе к источнику, потом следующей и так далее. Можно вычислить разницу между моментами появления конкретной сейсмической волны между двумя станциями достаточно точно по времени. Это время используется для изучения сейсмичности – координат плоскости разрыва, энергии, выделившейся в процессе разрушения горных пород, и других важных параметров.

Сам процесс землетрясения недолгий: длится 2-3 секунды, редко - минуты. Но он порождает различные упругие волны в твёрдой среде, которой является Земля. Различные волны (продольные, поперечные, поверхностные) имеют разную скорость, поэтому они приходят на достаточно удаленную станцию в разное время. Кроме того, упругие волны отражаются от поверхностей оболочек Земли, так как у Земли есть слои с разными коэффициентами упругости. Поэтому на станцию могут прийти волны не прямо от землетрясения, а отраженные от какого-то слоя. Зная скорости разных типов упругих волн в разных оболочках (слоях) Земли и разность времени прихода этих волн, можно рассчитать расстояние до источника волн.

Существует международная база записей сейсмостанций (сейсмограмм), где собираются данные более чем со 100 станций мировой сейсмической сети. Это роботизированный комплекс, данные в котором архивируются на магнитных лентах. Эти ленты расположены на стеллажах, расположенных по кругу, на высоту несколько десятков метров. Посередине расположена направляющая для роботизированного захвата, который и достает нужную ленту. Хранение и предоставление по запросам данных такого объёма (на сегодняшний день – петабайты 10^15 байт) – непростая техническая задача.

«Сейсмическая станция МГУ» не входит в сеть станций, следящих за сейсмической обстановкой и передающих информацию специальным службам, потому что она расположена в шумном с точки зрения вибраций месте (мегаполисе), и используется как учебная.

Предсказать землетрясение практически никогда не получается точно. Но цунами четко предсказывают, потому что упругие волны, бегущие по твердой Земле, распространяются быстрее, чем волны по воде. Чем дальше эпицентр землетрясения от берега, тем позже время прихода волны цунами (если она возникает) относительно упругих волн землетрясения. Предупреждением о возможности возникновения волны цунами от того или иного землетрясения в реальном времени занимаются специально созданные службы. Они предоставляют информацию об опасности (высоте) и времени появления волны цунами.

«Такие исследования ведутся на Камчатке, Сахалине и Курильских островах. В Москве ощутимые колебания от землетрясений в других регионах происходят довольно редко, пару раз в столетие. Последнее ощутимое в городе землетрясение произошло на Охотском море в 2013 году. Оно имело довольно глубоко расположенный гипоцентр, и именно поэтому волна от него дошла до Москвы, не сильно потеряв в амплитуде».

Немного о датчиках и приборах

Установка приобретена у геофизической службы РАН, в которой разрабатывают датчики и регистраторы для сетей таких специальных служб.

Каждый датчик регистрирует колебание в одном направлении. Датчики ставят так, что один датчик фиксирует колебания в вертикальном направлении, два других - в горизонтальном (на север и на восток). Ортогональная система координат ориентирована на север.

За всё время существования станции датчики несколько раз обновлялись – изначально они были большие и неудобные, требующие частой настройки. Их заменили на датчики меньше, с которыми удобнее работать. Потом эти датчики заменили на такие же, но с активной обратной связью, чтобы расширить частотную полосу за счёт усложнения электроники. Параллельно менялась система регистрации: произошёл переход от регистрации на фотобумагу к цифровой регистрации. Запись данных на фотобумагу была достаточно неудобной, ведь фотобумагу нужно проявлять и закреплять. С переходом «на цифру» стало проще работать с собранными данными. В настоящий момент обновленная цифровая сейсмическая станция – аналог станций, используемых геофизической службой Российской академии наук.

Датчик движения отдельно преобразует малые и очень малые колебания в электрический сигнал – преобразование малой амплитуды и низкой частоты. Далее регистратор преобразовывает электрический сигнал в цифровой. Этот же регистратор синхронизирует запись со временем GPS. Регистратор сделан так, что у него есть объём собственной памяти. На сейсмической станции МГУ объём регистратора – 2 недели, т.е. если сервер отключится, регистрация будет идти ещё 2 недели. После восстановления сервера его программное обеспечение понимает, где закончились данные и получает недостающую информацию с регистратора.

За годы накапливается большое количество информации, так как необходимо вести запись данных всё время – это одна из методических основ геофизического эксперимента.

Работа на установке

На установке работает Алексей Юрьевич Марченков. Он загружает данные на сервер и следит за работой станции. Далее каждый семестр данные сервера обрабатывают студенты в рамках кафедрального специального физического практикума. Они выполняют такие задачи, как например, сравнение колебания на грунте и на этаже Главного здания МГУ. Также студенты работают на станции в период летней полевой практики.

«Сейсмическая станция МГУ» – это живая установка, на которой проводится обучение студентов. Работа с установкой и её данными помогает студентам научиться работать на аналогичных станциях, входящих в международную сеть.

Узнать больше о сейсмологической лаборатории вы можете в группе кафедры физики Земли: https://vk.com/geophys_ff

Команда Медиацентра Факультета