Сейсмометр: Принцип работы и применение

Введение

Сейсмометр – это прибор, регистрирующий сейсмические волны путем измерения колебаний земной поверхности.

Сейсмометр реагирует на шумы и сотрясения земной поверхности, вызванные землетрясениями, извержениями вулканов и взрывами. Обычно сейсмометры объединяют с устройством измерения времени и записывающим устройством для создания сейсмографа. Результат работы такого устройства – ранее записывавшийся на бумаге (см. рисунок) или пленке, а теперь записываемый и обрабатываемый в цифровом формате – представляет собой сейсмограмму. Эти данные используются для определения местоположения и характеристики землетрясений, а также для изучения внутреннего строения Земли.

Основные принципы

Простой сейсмометр, чувствительный к движениям Земли вверх и вниз, устроен как груз, подвешенный на пружине, оба закреплены на раме, которая перемещается вместе с любым обнаруженным движением. Относительное движение между грузом (называемым массой) и рамой обеспечивает измерение вертикального движения земной поверхности. К раме прикреплен вращающийся барабан, а к грузу – перо, таким образом, любое движение земной поверхности записывается в виде сейсмограммы. Любое движение земной поверхности перемещает раму. Масса стремится оставаться неподвижной из-за своей инерции, и, измеряя движение между рамой и массой, можно определить движение земной поверхности. Ранние сейсмометры использовали оптические рычаги или механические системы для усиления небольших смещений, записывая их на бумагу, покрытую сажей, или на фотобумагу. Современные приборы используют электронику. В некоторых системах масса удерживается почти неподвижно относительно рамы с помощью электронной петли отрицательной обратной связи. Движение массы относительно рамы измеряется, и петля обратной связи прикладывает магнитную или электростатическую силу, чтобы удерживать массу почти неподвижной. Напряжение, необходимое для создания этой силы, является выходным сигналом сейсмометра, который записывается в цифровом виде. В других системах грузу разрешается двигаться, и его движение создает электрический заряд в катушке, прикрепленной к массе, напряжение с которой проходит через магнитное поле магнита, прикрепленного к раме. Эта конструкция часто используется в геофоне, который применяется при разведке нефти и газа. Сейсмические обсерватории обычно оснащены приборами, измеряющими движение по трем осям: север-юг (ось y), восток-запад (ось x) и вертикаль (ось z). Если измеряется только одна ось, то обычно это вертикальная, поскольку она менее подвержена шумам и обеспечивает более качественную запись некоторых сейсмических волн. Фундамент сейсмической станции имеет решающее значение. Профессиональная станция иногда монтируется на скальном основании. Наилучшие варианты размещения – глубокие скважины, которые позволяют избежать тепловых эффектов, наземных шумов и деформаций, вызванных погодой и приливами. Другие приборы часто устанавливаются в изолированных кожухах на небольших заглубленных пирсах из неармированного бетона. Арматурные стержни и заполнители искажают пирс при изменении температуры. Перед заливкой пирса и прокладкой кабельных каналов площадка всегда обследуется на предмет наличия наземного шума с помощью временной установки. Изначально европейские сейсмографы размещались в определенной области после разрушительного землетрясения. Сегодня они распределены для обеспечения надлежащего покрытия (в случае слабой сейсмологии) или концентрируются в регионах с высоким риском (сильной сейсмологии). Сейсмограф – еще один греческий термин, образованный от слов seismós и γράφω (gráphō), означающего «рисовать». Он часто используется как синоним сейсмометра, хотя он больше применим к более старым приборам, в которых измерение и запись движения земной поверхности были объединены, чем к современным системам, в которых эти функции разделены. Оба типа обеспечивают непрерывную запись движения земной поверхности; эта запись отличает их от сейсмоскопов, которые лишь указывают на наличие движения, возможно, с некоторой оценкой его величины. Техническая дисциплина, связанная с такими устройствами, называется сейсмометрией – отраслью сейсмологии. Концепция измерения «колебаний» чего-либо означает, что слово «сейсмограф» может использоваться в более широком смысле. Например, станция мониторинга, отслеживающая изменения электромагнитного шума, влияющего на любительские радиоволны, представляет собой РФ-сейсмограф. А гелиосейсмология изучает «землетрясения» на Солнце.

A simple seismometer, sensitive to up down motions of the Earth, is like a weight hanging from a spring, both suspended from a frame that moves along with any motion detected. The relative motion between the weight (called the mass) and the frame provides a measurement of the vertical ground motion. A rotating drum is attached to the frame and a pen is attached to the weight, thus recording any ground motion in a seismogram. Any movement from the ground moves the frame. The mass tends not to move because of its inertia, and by measuring the movement between the frame and the mass, the motion of the ground can be determined. Early seismometers used optical levers or mechanical linkages to amplify the small motions involved, recording on soot covered paper or photographic paper. Modern instruments use electronics. In some systems, the mass is held nearly motionless relative to the frame by an electronic negative feedback loop. The motion of the mass relative to the frame is measured, and the feedback loop applies a magnetic or electrostatic force to keep the mass nearly motionless. The voltage needed to produce this force is the output of the seismometer, which is recorded digitally. In other systems the weight is allowed to move, and its motion produces an electrical charge in a coil attached to the mass which voltage moves through the magnetic field of a magnet attached to the frame. This design is often used in a geophone, which is used in exploration for oil and gas. Seismic observatories usually have instruments measuring three axes: north south (y axis), east west (x axis), and vertical (z axis). If only one axis is measured, it is usually the vertical because it is less noisy and gives better records of some seismic waves. The foundation of a seismic station is critical. A professional station is sometimes mounted on bedrock. The best mountings may be in deep boreholes, which avoid thermal effects, ground noise and tilting from weather and tides. Other instruments are often mounted in insulated enclosures on small buried piers of unreinforced concrete. Reinforcing rods and aggregates would distort the pier as the temperature changes. A site is always surveyed for ground noise with a temporary installation before pouring the pier and laying conduit. Originally, European seismographs were placed in a particular area after a destructive earthquake. Today, they are spread to provide appropriate coverage (in the case of weak motion seismology) or concentrated in high risk regions (strong motion seismology). Seismograph is another Greek term from seismós and γράφω, gráphō, to draw. It is often used to mean seismometer, though it is more applicable to the older instruments in which the measuring and recording of ground motion were combined, than to modern systems, in which these functions are separated. Both types provide a continuous record of ground motion; this record distinguishes them from seismoscopes, which merely indicate that motion has occurred, perhaps with some simple measure of how large it was. The technical discipline concerning such devices is called seismometry, a branch of seismology. The concept of measuring the "shaking" of something means that the word "seismograph" might be used in a more general sense. For example, a monitoring station that tracks changes in electromagnetic noise affecting amateur radio waves presents an rf seismograph. And helioseismology studies the "quakes" on the Sun.

История

Первый сейсмометр был создан в Китае во II веке. Современный сейсмометр был разработан в XIX веке.

Древняя эпоха

В Древнем Египте Аменхотеп, сын Хапу, изобрел предшественника сейсмометра: вертикальные деревянные столбы, соединенные деревянными желобами на центральной оси, служили для заполнения сосуда водой доверху с целью обнаружения землетрясений. В 132 году нашей эры Чжан Хэн из китайской династии Хань, как считается, изобрел первый сейсмоскоп (в соответствии с вышеприведенным определением), который назывался Houfeng Didong Yi (переводится как «инструмент для измерения сезонных ветров и движений Земли»). Согласно описанию из «Истории Поздней династии Хань», это был большой бронзовый сосуд диаметром около 2 метров. Вокруг верхней части в восьми точках располагались головы драконов, держащие бронзовые шары. При землетрясении пасть одного из драконов открывалась, и шар выпадал в бронзовую жабу у основания, издавая звук и предположительно указывая направление землетрясения. По крайней мере, однажды, вероятно во время сильного землетрясения в Ганьсу в 143 году нашей эры, сейсмоскоп зарегистрировал землетрясение, хотя оно не ощущалось. Сохранившийся текст указывает, что внутри сосуда находился центральный столб, который мог перемещаться по восьми направляющим; предполагается, что это относится к маятнику, хотя точный принцип его связи с механизмом, открывающим только одну пасть дракона, неизвестен. Первое землетрясение, зафиксированное этим сейсмоскопом, предположительно произошло «где-то на востоке». Спустя несколько дней всадник с востока доложил об этом землетрясении.

Ранние проекты (12591839)

К XIII веку сейсмографические приборы существовали в обсерватории Мараге (основанной в 1259 году) в Персии, хотя неясно, были ли они построены независимо или на основе первого сейсмоскопа. Французский физик и священник Жан де Готефюйе описал сейсмоскоп в 1703 году. Ртутный сейсмоскоп был построен в 1784 или 1785 году Атанасио Кавалли, копия которого находится в Университетской библиотеке в Болонье, а еще один ртутный сейсмоскоп был построен Николо Каччаторе в 1818 году. Одновременно развивались маятниковые устройства. Неаполитанский натуралист Никола Сирилло создал сеть маятниковых детекторов землетрясений после землетрясения в Пулье в 1731 году, где амплитуда определялась с помощью протрактора для измерения угла отклонения маятника. Бенедиктинский монах Андреа Бина усовершенствовал эту концепцию в 1751 году, заставив маятник оставлять следы в песке под механизмом, что позволяло определять как величину, так и направление движения. Неаполитанский часовщик Доменико Сальсано создал аналогичный маятник, записывавший данные с помощью кисти в 1783 году, назвав его геосейсмометром, возможно, первое использование термина, близкого к сейсмометру. Натуралист Николо Зупо разработал прибор для обнаружения электрических возмущений и землетрясений одновременно (1784). Карл Крейль построил сейсмометр в Праге между 1848 и 1850 годами, который использовал жесткий цилиндрический маятник, покрытый бумагой, на который действовал неподвижный карандаш. Цилиндр вращался каждые 24 часа, обеспечивая приблизительное время землетрясения. К 1872 году комитет в Великобритании во главе с Джеймсом Брайсом выразил неудовлетворенность существующими сейсмометрами, по-прежнему используя большое устройство Форбса 1842 года, расположенное в приходской церкви Комри, и запросил компактный, простой в установке и удобный для чтения сейсмометр. В 1875 году они остановились на большом образце устройства Малле, состоящем из массива цилиндрических штифтов различных размеров, установленных под прямым углом друг к другу на песчаном основании, где более сильные землетрясения сбивали более крупные штифты. Это устройство было построено в «Доме землетрясений» недалеко от Комри, который можно считать первой в мире специально построенной сейсмологической обсерваторией. В 1880 году первый горизонтальный маятниковый сейсмометр был разработан командой Джона Мильна, Джеймса Альфреда Юинга и Томаса Грея, работавших советниками иностранных правительств в Японии с 1880 по 1895 год. Мильн, Юинг и Грей, нанятые правительством Мэйдзи в предыдущие пять лет для содействия модернизации Японии, основали Сейсмологическое общество Японии в ответ на землетрясение, произошедшее 22 февраля 1880 года в Йокогаме (Йокогамское землетрясение). В течение следующего года Юинг построил два прибора: обычный маятниковый сейсмометр и первый сейсмометр с использованием демпфированного горизонтального маятника. Инновационная система регистрации обеспечивала непрерывную запись, первую в своем роде. Первая сейсмограмма была записана 3 ноября 1880 года на обоих приборах Юинга, а его конструкция сейсмографа считается первым современным сейсмометром. Это позволило впервые эффективно измерить горизонтальное движение. Грей разработал первый надежный метод регистрации вертикального движения, что позволило получить первые эффективные трехосевые записи. Некоторые современные приборы используют «триаксиальную» или «галперинскую» конструкцию, в которой три идентичных датчика движения установлены под одним и тем же углом к вертикали, но с разницей в 120 градусов по горизонтали. Вертикальные и горизонтальные движения могут быть вычислены на основе показаний трех датчиков. Сейсмометры неизбежно вносят некоторое искажение в измеряемые сигналы, но профессионально разработанные системы тщательно характеризуют частотные преобразования. Современные чувствительности представлены тремя основными диапазонами: геофоны, 50–750 В/м; местные геологические сейсмографы, около 1500 В/м; и телесейсмографы, используемые для глобальных исследований, около 20 000 В/м. Инструменты представлены тремя основными типами: короткопериодные, длиннопериодные и широкополосные. Короткопериодные и длиннопериодные измеряют скорость и очень чувствительны, однако они «отсекают» сигнал или выходят за пределы шкалы при колебаниях грунта, достаточно сильных, чтобы их почувствовали люди. Широко распространено 24-битное аналого-цифровое преобразование. Поставляемые сейсмометры имеют два типа выходных сигналов: аналоговый и цифровой. Аналоговые сейсмографы требуют аналогового записывающего оборудования, возможно, включая аналого-цифровой преобразователь. Выход цифрового сейсмографа можно напрямую подключить к компьютеру. Он представляет данные в стандартном цифровом формате (часто «SE2» по Ethernet).

By the 13th century, seismographic devices existed in the Maragheh observatory (founded 1259) in Persia, though it is unclear whether these were constructed independently or based on the first seismoscope. French physicist and priest Jean de Hautefeuille described a seismoscope in 1703, A mercury seismoscope was constructed in 1784 or 1785 by Atanasio Cavalli, a copy of which can be found at the University Library in Bologna, and a further mercury seismoscope was constructed by Niccolò Cacciatore in 1818. Pendulum devices were developing at the same time. Neapolitan naturalist Nicola Cirillo set up a network of pendulum earthquake detectors following the 1731 Puglia Earthquake, where the amplitude was detected using a protractor to measure the swinging motion. Benedictine monk Andrea Bina further developed this concept in 1751, having the pendulum create trace marks in sand under the mechanism, providing both magnitude and direction of motion. Neapolitan clockmaker Domenico Salsano produced a similar pendulum which recorded using a paintbrush in 1783, labelling it a geo sismometro, possibly the first use of a similar word to seismometer. Naturalist Nicolo Zupo devised an instrument to detect electrical disturbances and earthquakes at the same time (1784). Karl Kreil constructed a seismometer in Prague between 1848 and 1850, which used a point suspended rigid cylindrical pendulum covered in paper, drawn upon by a fixed pencil. The cylinder was rotated every 24 hours, providing an approximate time for a given quake. By 1872, a committee in the United Kingdom led by James Bryce expressed their dissatisfaction with the current available seismometers, still using the large 1842 Forbes device located in Comrie Parish Church, and requested a seismometer which was compact, easy to install and easy to read. In 1875 they settled on a large example of the Mallet device, consisting of an array of cylindrical pins of various sizes installed at right angles to each other on a sand bed, where larger earthquakes would knock down larger pins. This device was constructed in 'Earthquake House' near Comrie, which can be considered the world's first purpose built seismological observatory. In 1880, the first horizontal pendulum seismometer was developed by the team of John Milne, James Alfred Ewing and Thomas Gray, who worked as foreign government advisors in Japan, from 1880 to 1895. Milne, Ewing and Gray, all having been hired by the Meiji Government in the previous five years to assist Japan's modernization efforts, founded the Seismological Society of Japan in response to an Earthquake that took place on February 22, 1880, at Yokohama (Yokohama earthquake). Two instruments were constructed by Ewing over the next year, one being a common pendulum seismometer and the other being the first seismometer using a damped horizontal pendulum. The innovative recording system allowed for a continuous record, the first to do so. The first seismogram was recorded on 3 November 1880 on both of Ewing's instruments. and his seismograph design has been called the first modern seismometer. This produced the first effective measurement of horizontal motion. Gray would produce the first reliable method for recording vertical motion, which produced the first effective 3 axis recordings. Some modern instruments use a "triaxial" or "Galperin" design, in which three identical motion sensors are set at the same angle to the vertical but 120 degrees apart on the horizontal. Vertical and horizontal motions can be computed from the outputs of the three sensors. Seismometers unavoidably introduce some distortion into the signals they measure, but professionally designed systems have carefully characterized frequency transforms. Modern sensitivities come in three broad ranges: geophones, 50 to 750 V/m; local geologic seismographs, about 1,500 V/m; and teleseismographs, used for world survey, about 20,000 V/m. Instruments come in three main varieties: short period, long period and broadband. The short and long period measure velocity and are very sensitive, however they 'clip' the signal or go off scale for ground motion that is strong enough to be felt by people. A 24 bit analog to digital conversion channel is commonplace. Practical devices are linear to roughly one part per million. Delivered seismometers come with two styles of output: analog and digital. Analog seismographs require analog recording equipment, possibly including an analog to digital converter. The output of a digital seismograph can be simply input to a computer. It presents the data in a standard digital format (often "SE2" over Ethernet).

Телесейсмометры

Современный широкополосный сейсмограф способен регистрировать очень широкий диапазон частот. Он состоит из небольшой "пробной массы", удерживаемой электрическими силами и управляемой сложной электроникой. Когда Земля движется, электроника посредством контура обратной связи стремится поддерживать массу в неподвижном состоянии. Затем регистрируется величина силы, необходимая для этого. В большинстве конструкций электроника удерживает массу неподвижной относительно корпуса. Это устройство называется "акселерометром с уравновешиванием силы". Он измеряет ускорение, а не скорость движения грунта. По сути, расстояние между массой и частью корпуса измеряется с высокой точностью с помощью линейного дифференциального трансформатора переменного тока. Некоторые приборы используют линейный дифференциальный конденсатор переменной емкости. Это измерение затем усиливается электронными усилителями, подключенными к элементам цепи отрицательной обратной связи. Один из усиленных токов из цепи отрицательной обратной связи приводит в действие катушку, подобную динамику громкоговорителя. В результате масса остается практически неподвижной. Большинство приборов непосредственно измеряют движение грунта с помощью датчика расстояния. Напряжение, генерируемое в чувствительной катушке на массе под воздействием магнита, напрямую измеряет мгновенную скорость движения грунта. Ток, подаваемый на катушку привода, обеспечивает чувствительное и точное измерение силы между массой и корпусом, тем самым напрямую измеряя ускорение грунта (используя формулу f=ma, где f – сила, m – масса, a – ускорение). Одной из постоянных проблем для чувствительных вертикальных сейсмографов является выталкивающая сила, действующая на их массы. Неравномерные изменения давления, вызванные ветром, дующим в открытое окно, могут легко изменить плотность воздуха в помещении настолько, что вертикальный сейсмограф начнет регистрировать ложные сигналы. Поэтому большинство профессиональных сейсмографов герметично закрыты в прочных газонепроницаемых корпусах. Например, именно поэтому у распространенной модели Streckeisen имеется толстое стеклянное основание, которое необходимо приклеивать к пьедесталу без пузырьков воздуха в клее. Может показаться логичным использовать тяжелый магнит в качестве массы, но это приведет к ошибкам в работе сейсмографа при изменении магнитного поля Земли. Именно поэтому движущиеся части сейсмографа изготавливаются из материала, минимально взаимодействующего с магнитными полями. Сейсмограф также чувствителен к изменениям температуры, поэтому многие приборы изготавливаются из материалов с низким коэффициентом теплового расширения, таких как немагнитный инвар. Петли сейсмографа обычно запатентованы, и к моменту истечения срока действия патента конструкция уже совершенствуется. Наиболее успешные конструкции, находящиеся в общественном достоянии, используют тонкие фольговые петли в зажиме. Другой важный аспект заключается в том, что передаточную функцию сейсмографа необходимо точно характеризовать, чтобы знать его частотную характеристику. Это часто является ключевым отличием между профессиональными и любительскими приборами. Большинство из них характеризуются на вибрационном столе с переменной частотой.

The modern broadband seismograph can record a very broad range of frequencies. It consists of a small "proof mass", confined by electrical forces, driven by sophisticated electronics. As the earth moves, the electronics attempt to hold the mass steady through a feedback circuit. The amount of force necessary to achieve this is then recorded. In most designs the electronics holds a mass motionless relative to the frame. This device is called a "force balance accelerometer". It measures acceleration instead of velocity of ground movement. Basically, the distance between the mass and some part of the frame is measured very precisely, by a linear variable differential transformer. Some instruments use a linear variable differential capacitor. That measurement is then amplified by electronic amplifiers attached to parts of an electronic negative feedback loop. One of the amplified currents from the negative feedback loop drives a coil very like a loudspeaker. The result is that the mass stays nearly motionless. Most instruments measure directly the ground motion using the distance sensor. The voltage generated in a sense coil on the mass by the magnet directly measures the instantaneous velocity of the ground. The current to the drive coil provides a sensitive, accurate measurement of the force between the mass and frame, thus measuring directly the ground's acceleration (using f=ma where f=force, m=mass, a=acceleration). One of the continuing problems with sensitive vertical seismographs is the buoyancy of their masses. The uneven changes in pressure caused by wind blowing on an open window can easily change the density of the air in a room enough to cause a vertical seismograph to show spurious signals. Therefore, most professional seismographs are sealed in rigid gas tight enclosures. For example, this is why a common Streckeisen model has a thick glass base that must be glued to its pier without bubbles in the glue. It might seem logical to make the heavy magnet serve as a mass, but that subjects the seismograph to errors when the Earth's magnetic field moves. This is also why seismograph's moving parts are constructed from a material that interacts minimally with magnetic fields. A seismograph is also sensitive to changes in temperature so many instruments are constructed from low expansion materials such as nonmagnetic invar. The hinges on a seismograph are usually patented, and by the time the patent has expired, the design has been improved. The most successful public domain designs use thin foil hinges in a clamp. Another issue is that the transfer function of a seismograph must be accurately characterized, so that its frequency response is known. This is often the crucial difference between professional and amateur instruments. Most are characterized on a variable frequency shaking table.

Сильные сейсмометры

Другой тип сейсмометра — цифровой сейсмометр сильных колебаний, или акселерограф. Данные, получаемые с такого прибора, необходимы для понимания воздействия землетрясений на искусственные сооружения, что достигается посредством сейсмостойкого строительства. Записи, сделанные такими приборами, имеют решающее значение для оценки сейсмической опасности с помощью инженерной сейсмологии. Сейсмометр сильных колебаний измеряет ускорение. Эти данные могут быть математически проинтегрированы для получения значений скорости и перемещения. Сейсмометры сильных колебаний менее чувствительны к движениям земной поверхности, чем телесейсмические приборы, но сохраняют работоспособность при самых сильных сейсмических колебаниях. Датчики сильных колебаний используются в приложениях, связанных с измерением интенсивности.

Другие формы

Акселерографы и геофоны часто представляют собой тяжелые цилиндрические магниты с пружиной и катушкой внутри. При движении корпуса катушка стремится оставаться неподвижной, в результате чего магнитное поле пересекает проводники, индуцируя ток в выходных проводах. Они регистрируют частоты от нескольких сотен герц до 1 Гц. Некоторые оснащены электронной демпфированием – недорогим способом достижения части характеристик широкополосных геологических сейсмографов с обратной связью. Ускорители, выполненные в виде интегральных схем, недостаточно чувствительны для геологических сейсмографов (2002), но широко применяются в геофонах. Другие чувствительные конструкции измеряют ток, генерируемый потоком неагрессивной ионной жидкости через электроретный губчатый материал или проводящей жидкости в магнитном поле.

Сейсмометры, соединенные между собой

Сейсмометры, расположенные в сейсмической сети, также могут использоваться для точного определения местоположения источника землетрясения в трех измерениях, основываясь на времени распространения сейсмических волн от гипоцентра – точки начала разрыва по разлому (см. также определение местоположения землетрясений). Объединенные в сеть сейсмометры также применяются в Международной системе мониторинга для обнаружения подземных ядерных взрывов, а также в системах раннего оповещения о землетрясениях. Эти сейсмометры часто используются в рамках крупных государственных или научных проектов, однако некоторые организации, такие как Quake Catcher Network, могут использовать детекторы, встроенные в компьютеры, для обнаружения землетрясений. В отраженной сейсмологии сеть сейсмометров создает изображение подповерхностных структур. Данные преобразуются в изображения с помощью алгоритмов, аналогичных томографии. Методы обработки данных схожи с методами компьютерной томографии, используемыми в медицинской рентгеновской томографии (КТ) или сонарах для визуализации. Глобальная сеть сейсмометров способна визуализировать внутреннее строение Земли по скорости и проницаемости сейсмических волн. В этой системе в качестве источников волн используются такие события, как землетрясения, метеоритные удары или ядерные взрывы. Первые попытки применения этого метода использовали ручную обработку данных с бумажных сейсмограмм. Современные цифровые сейсмографы лучше подходят для непосредственной работы с компьютером. Благодаря доступности недорогих конструкций сейсмометров и интернета, любители и небольшие организации даже создали "общественную сейсмографическую сеть". Сейсмографические системы, используемые для разведки нефти или других полезных ископаемых, исторически использовали взрывчатые вещества и кабель геофонов, разматываемый за грузовиком. Сейчас большинство систем ближнего действия используют "вибраторы", которые воздействуют на грунт, а некоторые небольшие коммерческие системы обладают настолько совершенной цифровой обработкой сигнала, что нескольких ударов кувалдой достаточно для рефракционных исследований на небольших расстояниях. Иногда для трехмерной отражающей визуализации подповерхностных структур используются сложные крестообразные или двумерные массивы геофонов. Базовое программное обеспечение для линейной рефракционной геосъемки (когда-то считавшееся сложным искусством) теперь доступно в продаже и работает на ноутбуках, используя цепочки из всего трех геофонов. Некоторые системы поставляются в пластиковом полевом корпусе размером 18 дюймов (0,5 м) с компьютером, дисплеем и принтером в крышке. Небольшие сейсмические системы теперь достаточно недороги, чтобы использоваться инженерами-строителями для обследования строительных площадок, определения залегания скальных пород и поиска подземных вод.

Seismometers spaced in a seismic array can also be used to precisely locate, in three dimensions, the source of an earthquake, using the time it takes for seismic waves to propagate away from the hypocenter, the initiating point of fault rupture (See also Earthquake location). Interconnected seismometers are also used, as part of the International Monitoring System to detect underground nuclear test explosions, as well as for Earthquake early warning systems. These seismometers are often used as part of a large scale governmental or scientific project, but some organizations such as the Quake Catcher Network, can use residential size detectors built into computers to detect earthquakes as well. In reflection seismology, an array of seismometers image sub surface features. The data are reduced to images using algorithms similar to tomography. The data reduction methods resemble those of computer aided tomographic medical imaging X ray machines (CAT scans), or imaging sonars. A worldwide array of seismometers can actually image the interior of the Earth in wave speed and transmissivity. This type of system uses events such as earthquakes, impact events or nuclear explosions as wave sources. The first efforts at this method used manual data reduction from paper seismograph charts. Modern digital seismograph records are better adapted to direct computer use. With inexpensive seismometer designs and internet access, amateurs and small institutions have even formed a "public seismograph network". Seismographic systems used for petroleum or other mineral exploration historically used an explosive and a wireline of geophones unrolled behind a truck. Now most short range systems use "thumpers" that hit the ground, and some small commercial systems have such good digital signal processing that a few sledgehammer strikes provide enough signal for short distance refractive surveys. Exotic cross or two dimensional arrays of geophones are sometimes used to perform three dimensional reflective imaging of subsurface features. Basic linear refractive geomapping software (once a black art) is available off the shelf, running on laptop computers, using strings as small as three geophones. Some systems now come in an 18" (0.5 m) plastic field case with a computer, display and printer in the cover. Small seismic imaging systems are now sufficiently inexpensive to be used by civil engineers to survey foundation sites, locate bedrock, and find subsurface water.

Кабели из волокон оптических в качестве сейсмометров

Найден новый метод обнаружения землетрясений, использующий волоконно-оптические кабели. В 2016 году группа метрологов, проводивших эксперименты по частотной метрологии в Англии, зафиксировала шум, форма волны которого напоминала сейсмические волны, генерируемые землетрясениями. Это соответствовало сейсмологическим наблюдениям землетрясения в Италии на расстоянии около 1400 км. Последующие эксперименты в Англии, Италии и с подводным волоконно-оптическим кабелем до Мальты позволили обнаружить дополнительные землетрясения, включая одно на расстоянии 4100 км и землетрясение на расстоянии 89 км от кабеля. Сейсмические волны обнаруживаются, поскольку они вызывают изменения в длине кабеля в микрометровом масштабе. Изменение длины влечет за собой изменение времени, необходимого световому пакету для прохождения к дальнему концу кабеля и обратно (с использованием второго волокна). С помощью ультрастабильных метрологических лазеров эти крайне малые сдвиги времени (порядка фемтосекунд) проявляются как изменения фазы. Точку на кабеле, первой подвергшуюся воздействию P-волны землетрясения (по сути, звуковой волны в горных породах), можно определить, отправляя пакеты в обоих направлениях по петлевой паре оптических волокон; разница во времени прибытия первой пары возмущенных пакетов указывает на расстояние вдоль кабеля. Эта точка также является ближайшей к эпицентру землетрясения, который должен находиться на плоскости, перпендикулярной кабелю. Разница между временем прибытия P-волны и S-волны позволяет определить расстояние (в идеальных условиях), ограничивая эпицентр окружностью. Для устранения неоднозначности полученного решения требуется второе обнаружение на непараллельном кабеле. Дополнительные наблюдения уточняют местоположение эпицентра землетрясения и могут определить глубину очага. Ожидается, что эта техника станет ценным инструментом для наблюдения за землетрясениями, особенно слабыми, на обширных участках Мирового океана, где нет сейсмометров, и при этом будет значительно дешевле, чем использование донных сейсмометров.

Глубокое обучение

Исследователи из Стэнфордского университета разработали алгоритм глубокого обучения под названием UrbanDenoiser, способный обнаруживать землетрясения, особенно в городских условиях. Алгоритм фильтрует фоновый шум из сейсмических данных, собранных в оживленных городских районах, для обнаружения землетрясений.