podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
SEISMOLOGIE
A
SEISMOTEKTONIKA
část 6.: Registrace seismického
záznamu
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
seismická aparatura – je zařízení, které slouží k detekování a
zaznamenání seismického signálu (zejména projevů zemětřesení).
Moderní aparatura se skládá z několika částí. Vlastní detekování
signálu je zprostředkováno buď seismoskopem nebo
seismometrem. U moderních stanic je záznam dále digitalizován a to
pomocí zařízení nazývaného digitizér.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Seismoskop – je zařízení, které detekuje zemětřesení a podává
informace o některých jeho vlastnostech, ale nevytváří jeho záznam.
První známý seismoskop pochází z Číny, vynalezl jej filozof Chang
Heng v r. 132.
Chang Heng
(78-139)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Seismometr – je zařízení, které detekuje a umožňuje zaznamenat
vlnění produkované zemětřesením.
Seismometry byly většinou založeny na principu kyvadla.
U prvních přístrojů bylo kyvadlo vertikální.
Relativní pohyb je měřen buď jako pohyb půdy vůči hmotě (závaží)
spojené s přístrojem (tzv. setrvačné seismometry), nebo jako
relativní posunutí dvou bodů (tzv. strainmetry)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Strainmetry (dilatometry) – měří změny relativní vzdálenosti dvou
bodů na zemském povrchu (pro přesné určení délky jsou obvykle
používány lasery).
Jedná se často o přístroje značných délek (s rostoucí délkou roste
citlivost přístroje)
laserový strainmetr GVS (Glendale, Kalifornie)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pro jiné účely jsou konstruovány ale také strainmetry malých rozměrů
(např. použití ve vrtech).
technologie GTSM pro použití ve vrtech (sada přístrojů včetně strainmetru)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Jsou schopny měřit pohyby s periodou od řádu sekundy do řádů dnů,
měsíců či let.
deformace zjištěné laserovým strainmetrem GVS (Glendale, Kalifornie)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Košťákův dilatometr - přístroj vyvinutý pro měření relativního pohybu
na křehkých poruchách, princip zjišťování pohybu je založen na
sledování změny interferenčního obrazu.
dilatometr TM71 v jeskyni Na Pomezí
(Štěpančíková et al. 2008)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Setrvačné seismometry - měří se relativní pohyb půdy vůči volně s ní
spojené setrvačné hmotě (pohybem půdy se může mínit posunutí,
rychlost posunutí nebo zrychlení posunutí).
První seismometry měřily kmity pouze v jednom směru.Seismometr
měřící kmity pouze v jednom směru nazýváme jednosložkovým.
Kmitání kontinua vlivem seismických
jevů je ale obecně třírozměrné. Plně
toto kmitání může zaznamenat
pouze přístroj registrující kmitání ve
třech vzájemně kolmých směrech - tj.
seismometr třísložkový.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
6.1: Princip setrvačného
seismometru
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Setrvačný seismometr - skládá se ze dvou částí:
část pevně spojená se zemí - kmitá shodně s povrchem země ...
funkce x(t)
setrvačná hmota spojená se zbytkem pružným tlumeným spojem ...
funkce y(t)
Chceme znát kmitání povrchu země x(t)
ALE měříme relativní pohyb: z(t) = y(t)-x(t)
       0tk.z(t)D.z't'x't'z'M 
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
kmitání setrvačné hmoty (a potažmo relativní výchylka z(t)) je
ovlivněno:
1. setrvačností
druhý Newtonův pohybový zákon:
F je síla, M hmotnost setrvačné hmoty, a zrychlení
       0tk.z(t)D.z't'x't'z'M 
M.aF 
Isaac Newton
(1643-1727)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
kmitání setrvačné hmoty (a potažmo relativní výchylka z(t)) je
ovlivněno:
2. tuhostí pružného spoje
Fp je síla působící v důsledku stlačení pružiny,
Dl výchylka pružiny, k tuhost pružiny
       0tk.z(t)D.z't'x't'z'M 
l
F
k
p
D

podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
kmitání setrvačné hmoty (a potažmo relativní výchylka z(t)) je
ovlivněno:
3. tlumením
Fu je síla působící proti pohybu tělesa,
v rychlost tělesa, D součinitel tlumení
       0tk.z(t)D.z't'x't'z'M 
v
F
D u

podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Moderní seismometry dále převádí měřené mechanické kmity na
elektromagnetické kmity generované na principu pohybu
magnetického jádra v cívce.
Generované napětí je úměrné rychlosti
pohybu jádra v cívce.
t
Ui
D
D

podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Zaznamenané kmitání je vždy ovlivněno vlastnostmi seismometru a
neodpovídá přesně původnímu přirozenému kmitání povrchu Země.
Známe-li vlastnosti seismometru (zejména vlastní frekvenci a útlum),
můžeme odvodit funkci popisující jeho vliv na signál. Této funkci se
říká odezva (response).
Měřený signál i výsledný záznam jsou obecně vlnovými funkcemi,
které si obě při vyjádření v závislosti na čase můžeme znázornit jako
součty funkcí sinus a cosinus a obě si je můžeme také převést
pomocí Fourierovy transformace na funkce závisející na frekvenci.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Stejně tak odezvu seismometru si můžeme matematicky popsat jako
funkci stejného typu. V případě, že máme vlnové funkce (pro vybrané
časové okno) vyjádřené v závislosti na frekvenci (nikoli na čase),
degraduje matematický vztah popisující závislost mezi měřeným
signálem X(f), odezvou R(f) a záznamem Y(f) na součin: Y(f)=R(f).X(f)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Představme si, že seismometr registruje pík o jednotkové amplitudě.
Ve frekvenční závislosti je takový signál popsán funkci, která všem
frekvencím přiřazuje hodnotu 1. Součin Y(f)=(Rf).X(f) se tedy mění na
Y(f)=(Rf).1=R(f), tj. záznam bude totožný s funkcí popisující odezvu.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Y(f)=(Rf).X(f) ... Křivka popisující odezvu udává, kolikrát je určitá
frekvenční část původního signálu ve výsledném záznamu zesílena
(respektive zeslabena) – nazývá se proto křivka zvětšení.
Seismometr registruje různé frekvence s různým zesílením.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
V seismickém signálu převládají určité frekvence, které jsou
charakteristické pro daný typ signálu.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
vzdálené (teleseismické) jevy - signál o frekvenci 0.0X-X Hz
regionální a lokální jevy - signál o frekvenci X-10X Hz
Pro seismologické studie je důležitá ta část frekvenčního spektra, ve
které se nejvýznamněji projevuje signál sledovaných seismických fází.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Seismometr registruje různé frekvence s různým zesílením, měří jen v
určitém frekvenčním pásmu. Důležitá je ta část na křivce zvětšení,
která je horizontální. V tomto pásmu seismometr zaznamenává věrný
obraz měřeného signálu. [Y(f)=(Rf).X(f)  Y(f)=A.X(f)]
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Podle toho, jaké toto frekvenční pásmo je, lze rozlišit signál
dlouhoperiodický, vysokofrekvenční a širokopásmový.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
dlouhoperiodický seismometr (long period) zaznamenává signál s
dlouhou periodou
vysokofrekvenční seismometr (short period) zaznamenává signál s
vysokou frekvencí
širokopásmový seismometr (broad-band) zaznamenává signál o
širokém pásmu frekvencí, měří jak běžný dlouhoperiodický signál tak
současně běžný vysokofrekvenční signál.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Nejlepší záznam poskytují širokopásmové seismometry – jsou to ale
drahé přístroje vyžadující instalaci na předem připraveném místě
(štola, vrt).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Mnohem lacinější zařízení jsou dlouhoperiodické a vysokofrekvenční
seismometry. Vzhledem k nízké pořizovací ceně a jednoduché
konstrukci v některých případech nevyžadují finančně náročnou
instalaci. Je však nutné zvolit přístroj měřící v potřebném frekvenčním
pásmu vzhledem k účelu měření.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Důležitý údaj charakterizující seismometr je jeho citlivost – tedy
nejmenší výchylka, kterou dokáže zaznamenat. Pro detekci signálu
seismického jevu je nutné, aby amplituda užitečného signálu
převyšovala úroveň šumu.
Moderní přístroje zaznamenávají při frekvenci 1-10 Hz výchylky až v
řádu setin nm.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
U citlivých přístrojů jsou tak zaznamenávány výchylky menší, než
výchylky přístrojového šumu. Proto je citlivost dána zejména
amplitudou přístrojového šumu. Současně neustále kmitá samotný
povrch Země a přístroje detekují přirozený šum vyvolaný tímto
seismickým neklidem.
Signál přirozeného šumu má na celém
světě velmi podobnou frekvenční
charakteristiku. Má obvykle dvě maxima
– maximum u frekvencí řádu desetin Hz
odpovídá tzv. mikroseismám (mořský
příboj); maximum u frekvencí řádu
několika Hz odpovídá průmyslovému
šumu (doprava).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Moderní přístroje mají v měřeném frekvenčním pásmu úroveň
přístrojového šumu nižší, než je přirozený šum. Citlivost seismometru
je tedy omezena přirozeným šumem, její další zvyšování již
nepřispívá k vyšší úrovni měření.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Amplitudy, které mohou být měřeny seismometrem, jsou omezeny
nejen zdola (jeho citlivostí), ale také shora. Přístroj z technických
důvodů nemůže zaznamenat nekonečně velkou amplitudu.
Největší amplitudy užitečného signálu (při silných zemětřesení)
přesahují amplitudu šumu o mnoho řádů.
Technickým problémem dnes není konstrukce přístroje měřícího
subatomární výchylky, ale konstrukce přístroje, který by stejně
spolehlivě měřil výchylky subatomární a výchylky decimetrové či
dokonce vyšší.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Dynamický rozsah udává, jaký je poměr mezi největší a nejmenší
amplitudou, kterou je přístroj schopen zaznamenat. Udává se v
decibelech:
6 dB ... amax/amin=2
120 dB ... amax/amin=1 000 000
min
max
10
a
a
log20[Db]rozsahdynamický 
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Dynamický rozsah mechanických seismografů se zápisem na papír je
omezen čitelností záznamu (jakou nejmenší výchylku jsme ještě
schopni rozeznat, např. pod lupou) a velikosti papíru (největší
zaznamenatelná výchylka).
Dbz
z
66
0.1
200
log20
a
a
log20
[Db]rozsahdynamický
10
min
max
10 

Wiechertův seismograf
Příklad: Na buben Wiechertova
seismografu lze navinout papír o
šířce 200 mm. Reálně lze rozlišit
výchylku u výšce 0.1mm.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Moderní aparatura, díky zpracování digitálního signálu, je schopna
dosahovat většího dynamického rozsahu.
Běžně dynamický rozsah moderních přístrojů přesahuje hodnotu 100Db.
Stále ale nelze pokrýt celý rozsah potřebný pro registraci všech reálných
seismických signálů jediným "univerzálním" přístrojem.
seismometr STS-2 firmy Streckaisen,
dynamický rozsah ~ 140Db
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pro měření velkých výchylek jsou specializované tzv. strong-motion
seismometry (jedná se většinou o akcelerometry), které měří
maximální zrychlení srovnatelné s gravitačním zrychlením ... při
frekvenci kolem 1Hz to znamená řádově decimetrové výchylky.
akcelerometr firmy Kinemetrics
K2, měřící zrychlení v rozsahu
od 0.001 do 2 g.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pro zpracování seismologických dat je ale zapotřebí získat k jednomu
jevu záznamy z více míst, tj. z více seismických stanic. Soustava více
seismických stanic, jejichž záznamy jsou zpracovány společně, se
nazývá seismická síť. Podle rozsahu, který síť zaujímá na zemském
povrchu, lze sítě rozdělit na lokální, regionální a globální.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Array - zvláštní typ „lokální sítě“, více geofonů sestavených do
vhodného geometrického útvaru, v malých vzdálenostech od sebe.
Významné pro monitorování regionálních a vzdálených jevů.
Možnost zesílení signálu (tzv. beamforming) a dalších zvláštních
způsobů zpracování signálu.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Zesílení signálu pomocí beamu:
Principem zesílení slabého signálu v array je sčítání jednotlivých
záznamů a vytvoření jednoho virtuálního zesíleného záznamu
nazývaného beam. Šum, který je náhodný, se navzájem eliminuje,
signál, který je systematický, je vůči šumu zesílen. Poměr amplitudy
užitečného signálu k amplitudě šumu může být zvětšen podle
vzorečku (N je počet stanic arraye):
Moderní array má několik desítek stanic (mezi 20 a 30 stanicemi),
signál tak může být zesílen až pětkrát.
Nzesílení
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
6.2: Digitalizace a filtrace dat
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
6.2.a: Problém digitalizace signálu
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Digitalizace záznamu je nezbytnou podmínkou pro počítačové
zpracování záznamu. Při digitalizaci však dochází k nevratné
přeměně původně spojitého záznamu (nazývaného analogový
záznam) na záznam nespojitý.
- seismometr reaguje na spojitý pohyb půdy a produkuje spojitý
záznam (analogový signál)
- spojitý záznam ale nelze zaznamenat ve formě počítačového
souboru, pro počítačové zpracování je nutné přeměnit tento signál na
nespojitý záznam (digitální signál)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Při digitalizaci je informace o záznamu zapsána do souboru.
Analogový záznam signálu je ale obecně popsán nekonečně velkým
množstvím prvků – buď nekonečným množstvím bodů na křivce
popisující amplitudu v závislosti na čase, nebo nekonečným počtem
sinusovek, které svým součtem skládají záznam při Fourierově
expanzi.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Do počítačového souboru lze ale zapsat pouze konečný počet prvků.
Při digitalizaci jsou v pravidelných časových intervalech odečítány
hodnoty amplitudy, každý takový odečet je pak zapsán do souboru
jako diskrétní bod záznamu (tzv. vzorek).
Digitální záznam je tím detailnější, čím více vzorků připadá na daný
časový úsek. Počet vzorků odečtených v jedné sekundě záznamu
nazýváme vzorkovací frekvencí. Tato frekvence významně ovlivňuje
tvar digitálního záznamu.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pokud je vzorkovací frekvence mnohem vyšší, než frekvence
původního záznamu, pak jej diskrétní digitální záznam popisuje
dostatečně podrobně a původní funkci pak lze z digitálního záznamu
dostatečně věrně rekonstruovat.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Spojíme-li diskrétní body rovnou čarou (modrá křivka) získáme opět
funkci velmi podobnou původní sinusovce.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pokud je vzorkovací frekvence vzhledem k frekvenci původního
záznamu nízká, pak jej diskrétní digitální záznam nepopisuje
dostatečně podrobně a původní funkci pak nelze z digitálního
záznamu rekonstruovat. Informace o původním záznamu se
nenávratně ztratí.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Spojíme-li navíc diskrétní body rovnou čarou (modrá křivka) získáme
funkci, která má mnohem nižší frekvenci, než původní funkce, a
původní funkci se nijak nepodobá. Tomuto jevu se říká alias-efekt.
V záznamu signálu nelze rozlišit složky signálu vzniklé vlivem aliasefektu
od složek, které byly součástí již před digitalizací a které mají
reálný původ. Proto nelze vliv alias-efektu nijak odstranit či potlačit po
jeho vzniku - jde o nevratný proces, původní signál je ztracen.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
K alias-efektu dochází, pokud je frekvence signálu vyšší, než polovina
vzorkovací frekvence. Aby tedy mohl být signál digitalizován, musí být
vzorkovací frekvence alespoň dvakrát větší, než je frekvence signálu.
Toto pravidlo zjistil v roce 1924 H. Nyquist. Proto se tato mezní
frekvence (polovina vzorkovací frekvence) nazývá Nyquistova
frekvence.
Harry Nyquist (1889-1976)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Aby tedy mohl být signál digitalizován, musí být vzorkovací frekvence
alespoň dvakrát větší, než je frekvence signálu. Nebo také lze říci, že
nelze digitalizovat signál s frekvencí vyšší, než je polovina vzorkovací
frekvence (tj. Nyquistova frekvence).
Proto musí být před digitalizací ze signálu odstraněna složka s frekvencí
vyšší, než je Nyquistova frekvence. To je zajištěno filtrováním signálu tzv.
anti-alias filtrem, tj. filtrem typu dolní propusti s rohovou frekvencí rovnou
Nyquistově frekvenci.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
6.2.b: Filtrace signálu
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Zpracování seismického signálu vyžaduje z různých důvodů tzv.
filtraci = odstranění nežádoucích frekvencí.
Filtrace např. umožňuje odstranění rušivých složek pozadí a následné
snadné zpracování užitečné části signálu.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Lze rozlišit čtyři základní typy filtru podle toho, jaký úsek frekvencí
chceme odstranit a jaký chceme zachovat:
- dolní propust
- horní propust
- pásmová propust
- pásmová zádrž
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Dolní propust (dolnofrekvenční propust, lowpass filter): propouští
nezměněný dlouhoperiodický signál, signál s frekvencí vyšší, než je
mezní frekvence (rohová frekvence) je zcela potlačen.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Horní propust (vysokofrekvenční propust, highpass filter): propouští
nezměněný vysokofrekvenční signál, signál s nižší vyšší, než je
mezní frekvence (rohová frekvence) je zcela potlačen.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pásmová propust (bandpass filter): propouští nezměněný signál v
pásmu mezi dvěmi předem zvolenými frekvencemi, ostatní signál je
zcela potlačen.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pásmová zádrž (notch filter): potlačí signál v pásmu mezi dvěmi
předem zvolenými frekvencemi, ostatní signál propustí nezměněný.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Stejně jako v případě seismometru, lze také vliv filtru popsat funkcí, která
se nazývá odezva filtru. Matematický popis jejího vlivu na seismický
signál je shodný s popisem odezvy seismometru.
Filtraci lze provádět tedy nejen pomocí skutečných přístrojů (filtrů), které
jsou sestrojeny tak, aby potlačovaly určité frekvence signálu a jiné
propouštěly, ale v případě digitálního záznamu lze provádět filtraci signálu
pouhým výpočtem (tzv. digitální filtry), kdy je původní signál přepočítán
podle zvolené odezvy filtru na nový, filtrovaný záznam.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
6.3: Stručná historie seismického
monitorování
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Nejstarší záznamy seismické aktivity jsou spojeny výhradně s
makroseismickým pozorováním.
dominový styl zřícených sloupů chrámu
v Selitunte (Sicílie) - dopad zemětřesení
ve 4.st.n.l. (Bottari et al. 2009)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Nicméně první úspěšné přístrojové zaznamenání nepocítěného
seismického signálu bylo provedeno již ve 2.st.n.l. v Číně
(zemětřesení v Gansu v roce 143).
seismoskop čínského filozofa Chang Henga
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
První známý seismoskop v Evropě
navrhl francouzský abbé, fyzik a
konstruktér Jean de Haute Feuille
(1647-1724) v roce 1703. Přístroj měl
sledovat naklonění zemského povrchu
(principem bylo přemístění kapaliny při
naklonění), nikoli horizontální či
vertikální kmitání.
První použití kyvadla pro detekci
zemětřesení předvedli v roce 1731
Nicola Cirillo (1671-1735) a v roce 1751
Andrea Bina (1724-1792). přístroj sestrojený A. Binou, 1751
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Přístrojové monitorování
Limitem pro přístrojové monitorování seismické aktivity bylo sestrojení
seismografů schopných produkovat záznamy seismického signálu.
První takové seismografy byly vyvinuty v poslední čtvrtině 19. století.
záznam Ewingova seismometru s
horizontálním kyvadlem (8.3.1888)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Jeden z prvních seismometrů sestrojil James Forbes, který popsal
jeho princip ve své práci z roku 1844. Přístroj pracoval na principu
obráceného kyvadla.
Forbesův seismometr z r. 1844
James David Forbes
(1809-1868)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Vývoj prvních seismometrů založených na principu horizontálního
kyvadla je spojen s pracemi Jamese Alfreda Ewinga (1855-1935),
Johna Milna (1850-1913) a Thomase Lomara Graye (1850-1908).
Ewingův seismometr z r. 1881 - první
úspěšný seismometr s horizontálním
kyvadlem
John Milne (1850-1913)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Teprve tyto novější seismometry z konce 19.století byly schopny
zaznamenat vzdálená (teleseismická) zemětřesení a zřetelně rozlišit
jednotlivé seismické fáze.
záznam vzdáleného zemětřesení z 5.4.1901 získaný pomocí Milnova
horizontálního seismometru
Milnův seismometr s horizontálním
kyvadlem (Milne 1898)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
První seismograf sestrojený Cecchim (Itálie, 1875) byl schopen
zaznamenat signál s pouze trojnásobným zesílením.
záznam Cecchiho seismografu (Moncalieri, 23.2.1887)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Technická problematika mechanických seismometrů se soustředila na
dosažení většího zesílení signálu. To bylo dosahováno:
- větší délkou kyvadla
- větší zátěží (největší seismometry
měly závaží o hmotnosti desítek tun)
- snížením vlivu tření při zápisu
seismometr de Quervaina a Piccarda z
r. 1922 - měl závaží o hmotnosti 21 tun
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
První elektromagnetický seismometr sestrojil v r.1903 B.B. Galitzin.
Elektromagnetický seismometr produkoval záznam ve formě
elektromagnetických kmitů, které lze jednoduše digitalizovat
Galitzin-Wilipův elektromagnetický seismometr.
Elektromagnetické kmity jsou měřeny
galvanometrem.
Boris Borisovič Galitzin
(1862-1916)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Výhodou elektromagnetických seismometrů je:
- mnohem snazší zesílení signálu (a tedy větší citlivost přístroje)
- velmi snadná digitalizace signálu (a tedy možnost počítačového
zpracování)
- možnost snadného přenosu signálu na dálku (např. rádiem)
- možnost zlepšit charakteristiku přístroje zpětnou vazbou
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Významným krokem v historii seismologie byl rozvoj seismického
monitorování ke konci 19. století v Japonsku, vedený skupinou
britských badatelů.
Hlavní postavou byl John Milne, na jehož podnět byla v roce 1880 (po
zemětřesení 22. 2. 1880 při pobřeží Honshu) založena Japonská
seismologická společnost (Seismological Society of Japan).
John Milne (1850-1913)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Milne se zasloužil o globální rozšíření seismického monitorování (také
díky vývoji relativně finančně nenáročných přístrojů).
Milneho mapa s
vyznačenými stanicemi
osazenými Milneho přístroji k
roku 1899
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Problém byl, že první seismografy dobře detekovaly seismický signál,
ale jejich rozlišení neumožňovalo studium bližších detailů tohoto
signálu.
Zlepšení situace přinesly seismometry sestrojené Galitzinem a
Wiechertem na počátku 20. století.
Ale už v roce 1893 byly na záznamu seismického signálu poprvé
rozlišeny podélné a příčné vlny (Itálie, Cancani).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
K rozvoji studia globální seismicity mimořádně přispěly vědecké
aktivity podporované Jezuitským řádem, který od poloviny 19. století
vybudoval v různých místech světa cca 40 geofyzikálních observatoří.
Na mnohých z nich již v průběhu 19. století pracovaly seismologické
přístroje.
Jezuitské aktivity vedly v roce 1925 k založení Jezuitské
seismologické asociace (Jesuit Seismological Association).
rozmístění "Jezuitských" stanic osazených seismografy (konec 19.,
počátek 20. století)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Další významné mezinárodní seismologické společnosti:
- International Association of Seismology (1904-1916) s centrem ve
Strasbourgu.
- Seismology Section of the International Union of Geodesy and
Geophysics (1922-1930)
ze seismologické sekce IUGG vznikla v roce 1930 opět International
Association of Seismology (1930-1951)
- International Association of Seismology and Physics of the Earth's
Interior (od roku 1951)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
V roce 1996 byla valnému shromáždění OSN předložena Smlouva o
úplném zákazu jaderných zkoušek (Comprehensive Nuclear-Test-Ban
Treaty - CTBT).
Jednou z hlavních technologií kontroly dodržování této Smlouvy bylo
seismologické monitorování. Využití této technologie bylo testováno již
během přípravné fáze, před předložením Smlouvy CTBT.
Tento krok byl dalším impulzem pro intenzivní mezinárodní aktivity
spojené se seismologií a s globálním monitorováním.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pro účely verifikace Smlouvy CTBT byla vybudována globální síť, která
má sestávat ze 170 moderně vybavených stanic s jednotnou metodikou
zpracování dat.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Jednou ze stanic seismické sítě Monitorovacího systému CTBTO je
stanice VRAC situovaná u Vranova u Brna.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
V roce 2002 detekovala a lokalizovala seismická síť Mezinárodního
monitorovacího systému CTBTO 23431 jevů. Většina z nich byla
zemětřesení situována na deskových rozhraních.
Magnitudo (počítané z objemových vln) většiny jevů se pohybovalo
mezi 3 a 4.5. Spolehlivě byly zaznamenány otřesy s hodnotou
magnituda mb>4.
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
S rozvojem kosmonautiky bylo seismické monitorování rozšířeno také
na další tělesa sluneční soustavy.
První seismometr byl dopraven na Měsíc při misi Apollo-11 v roce 1969.
Dodával data cca 3 týdny.
instalace seismometru při misi Apollo-11
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Modernější aparatury byly instalovány při misích Apollo-12, 14, 15 a 16
v letech 1969-1972. Dodávaly data do roku 1977.
zařízení Pasivního Seismického
Experimentu – mise Apollo-12
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Pasivní Seismický Experiment (Passive Seismic Experiment)
Zařízení instalovaná na Měsíci registrovala otřesy spojené s aktivitou uvnitř
tělesa Měsíce a s dopadem impaktů.
záznam otřesu způsobeného dopadem startovacího modulu Apolla 12
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Příklad lokace seismického jevu
na Měsíci sítí Apollo (podle
Lognonne at al. 2000).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Vlevo hodochrony sestavené z registrací impaktů na Měsíci
seismickou sítí Apollo (podle Lognonne at al. 2003).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Byly zaznamenány také seismické jevy uvnitř tělesa Měsíce.
Ukázky záznamů různých typů seismických jevů na Měsíci
zaregistrovaných sítí Apollo (Neal et al. 2004).
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Aktivní Seismický Experiment (Active Seismic Experiment)
Provedený při misích Apollo-14 a 16. Byla instalována řada tří geofonů a
odpáleny drobné nálože do vzdáleností 150 až 1500 metrů od
seimometrů.
minometné zařízení dopravené misí
Apollo-16 pro účely Aktivního
Seismického Experimentu
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Seismické Profilování (Seismic Profiling Experiment)
Při misi Apollo-17 v roce 1972 bylo instalováno osm náloží ve vzdálenosti
100 až 3500 metrů od arraye skládající se ze čtyř geofonů.
instalace náloží při misi Apollo-17 pro účely
Seismického Profilování
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
Plány do budoucna:
SALSA (Small Aperture Lunar Seismic Arrays)
Využití technologie arraye rozvinuté během experimentů pro potřeby
globální sítě CTBT.
schéma arraye projektu SALSA (podle Fouch et al. 2009)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
MARS – projekt NetLander
Plánované rozmístění seismometrů
na Marsu během misí v letech
2007 nebo 2009 – neuskutečnilo
se.
předpokládané detekční možnosti seismometrů na Marsu
(podle Lognonne et al. 2000)
podzim 2023 Seismologie a seismotektonika – 06 (registrace seismického záznamu)
MARS – projekt InSight
Instalace funkčního seismometru
po přistání (26. 11. 2018).
6. 4. 2019 získaný první signál
pravděpodobného marsotřesení
seismometr SEIS instalovaný
v rámci mise InSight (2018)