مقياس الزلازل هو أداة مصممة لاكتشاف وقياس الإزاحة الأرضية والهزات الزلزالية الناتجة عن الزلازل والانفجارات البركانية والانفجارات. عادةً، يتم دمج مقياس الزلازل مع آلية التوقيت وجهاز التسجيل لتكوين جهاز قياس الزلازل. ويطلق على البيانات الناتجة، والتي تم توثيقها تاريخيًا على الورق أو الفيلم ولكن تم التقاطها ومعالجتها رقميًا، اسم مخطط الزلازل. تعمل هذه البيانات على تحديد الأحداث الزلزالية وتوصيفها، بالإضافة إلى دراسة التركيب الداخلي للأرض.
المبادئ الأساسية
يمكن تصور مقياس الزلازل البسيط، المصمم لاكتشاف الحركات الأرضية الرأسية، على أنه كتلة معلقة بواسطة زنبرك من إطار، حيث يتحرك الإطار نفسه استجابة لحركة الأرض. تحدد الحركة التفاضلية بين هذه الكتلة المعلقة والإطار الإزاحة الرأسية للأرض. في مثل هذا التكوين، سيتم تسجيل أسطوانة دوارة مثبتة على الإطار وقلم متصل بالكتلة حركة الأرض بيانيًا على شكل مخطط زلزالي.
تترجم الحركة الأرضية مباشرة إلى حركة إطار مقياس الزلازل. وبسبب القصور الذاتي المتأصل فيها، فإن الكتلة المعلقة تقاوم هذه الحركة. وبالتالي، من خلال قياس الإزاحة النسبية بين الإطار والكتلة، يمكن التأكد من الحركة الأرضية الدقيقة.
من الناحية التاريخية، استخدمت أجهزة قياس الزلازل رافعات بصرية أو روابط ميكانيكية لتكبير الحركات الدقيقة، وتوثيقها على ورق مغلف بالسخام أو ورق فوتوغرافي. ومع ذلك، فإن الصكوك المعاصرة تدمج المكونات الإلكترونية. في بعض التصاميم، تحافظ حلقة ردود الفعل السلبية الإلكترونية على الكتلة في وضع شبه ثابت بالنسبة للإطار. تم الكشف عن الإزاحة النسبية للكتلة، مما دفع حلقة التغذية المرتدة إلى ممارسة قوة مغناطيسية أو إلكتروستاتيكية لمواجهة حركتها. يشكل الجهد المطلوب لتوليد هذه القوة المعاكسة خرج مقياس الزلازل، والذي يتم بعد ذلك تسجيله رقميًا.
على العكس من ذلك، في الأنظمة البديلة، يُسمح للكتلة بالتحرك، وتولد إزاحتها تيارًا كهربائيًا داخل ملف مثبت على الكتلة. ثم يجتاز هذا التيار المجال المغناطيسي الناتج عن مغناطيس متصل بالإطار. يتم استخدام هذا التكوين الخاص بشكل متكرر في أجهزة الجيوفون، والأدوات المستخدمة في استكشاف النفط والغاز الطبيعي.
تنشر المراصد الزلزالية عادةً أجهزة قادرة على قياس الحركة الأرضية عبر ثلاثة محاور متعامدة: الشمال والجنوب (المحور الصادي)، والشرق والغرب (المحور السيني)، والعمودي (المحور ع). عند مراقبة محور واحد فقط، يُفضل المكون الرأسي بشكل عام نظرًا لانخفاض مستويات الضوضاء وإمكانات التسجيل الفائقة لبعض أنواع الموجات الزلزالية.
يعد الاستقرار الأساسي لمحطة رصد الزلازل أمرًا بالغ الأهمية. أحيانًا يتم تثبيت التركيبات الاحترافية مباشرة على الأساس. غالبًا ما تشتمل حلول التركيب المثالية على حفر آبار عميقة، مما يخفف من التقلبات الحرارية، والضوضاء الأرضية المحيطة، والميل الناجم عن قوى الطقس والمد والجزر. وبدلاً من ذلك، يتم وضع الأدوات الأخرى في كثير من الأحيان داخل حاويات معزولة موضوعة فوق أرصفة صغيرة مدفونة مبنية من الخرسانة غير المسلحة. قد يؤدي تضمين قضبان التسليح والركام إلى حدوث تشوهات حرارية في الرصيف. قبل إنشاء الرصيف وتركيب القنوات، يخضع كل موقع لمسح شامل لضوضاء الأرض المحيطة باستخدام إعداد مؤقت. تاريخيًا، تم نشر أجهزة قياس الزلازل الأوروبية في مناطق محددة بعد الأحداث الزلزالية الهامة. في الوقت الحاضر، يهدف توزيعها إلى تحقيق تغطية شاملة لعلم الزلازل ذات الحركة الضعيفة أو التركيز في المناطق عالية الخطورة لعلم الزلازل ذات الحركة القوية.
التسميات
ينشأ المصطلح من الكلمة اليونانية σεισμός، seismós، والتي تشير إلى اهتزاز أو زلزال، وهي في حد ذاتها مشتقة من الفعل σείω، seíō، وتعني "يهتز"؛ مقترنة بـ μέτρον، métron، والتي تعني "للقياس". وقد صاغها ديفيد ميلن-هوم في عام 1841 لوصف أداة ابتكرها الفيزيائي الاسكتلندي جيمس ديفيد فوربس.
ينشأ مصطلح قياس الزلازل أيضًا من اللغة اليونانية، حيث يجمع بين seismós وγράφω، gráphō، ويعني "الرسم" أو "الكتابة". على الرغم من أنه يتم استخدامه كثيرًا بالتبادل مع مقياس الزلازل، إلا أن مقياس الزلازل يشير بشكل أكثر دقة إلى الأدوات التاريخية التي تم فيها دمج قياس وتسجيل الحركة الأرضية، على عكس الأنظمة المعاصرة التي تتميز فيها هذه الوظائف. كلا الفئتين من الأجهزة تنتج سجلا مستمرا للحركة الأرضية؛ وهذه الخاصية تميزها عن مناظير الزلازل، التي تسجل حدوث الحركة فقط، ومن المحتمل أن تقدم مؤشرًا أوليًا لحجمها.
يُعرف المجال الفني المتخصص المتعلق بهذه الأجهزة باسم قياس الزلازل، والذي يشكل نظامًا فرعيًا لعلم الزلازل.
يسمح المبدأ الأساسي لقياس "الاهتزاز" بتطبيق أوسع لمصطلح "قياس الزلازل". على سبيل المثال، يمكن وصف محطة المراقبة التي تسجل التقلبات في الضوضاء الكهرومغناطيسية التي تؤثر على البث اللاسلكي للهواة بأنها جهاز قياس الزلازل ذو الترددات الراديوية. وبالمثل، يبحث علم الزلازل الشمسية في "الزلازل" التي تحدث داخل الشمس.
التاريخ
نشأ أول مقياس زلازل في الصين خلال القرن الثاني، وهو من تصميم تشانغ هنغ، عالم الرياضيات والفلك الصيني. ظهرت الرواية الغربية الأولية لمثل هذه الأداة في عام 1703، وتُنسب إلى الفيزيائي والكاهن الفرنسي جان دي هوتفيل. خضع مقياس الزلازل المعاصر للتطوير طوال القرن التاسع عشر.
بدءًا من عام 1969، تم نشر أجهزة قياس الزلازل على القمر كمكونات لحزمة تجارب سطح القمر أبولو. وبعد ذلك، في كانون الأول (ديسمبر) 2018، نجحت مركبة الهبوط InSight في نشر مقياس زلازل على كوكب المريخ، مما يمثل أول وضع لمثل هذا الجهاز على سطح كوكب آخر.
الفترة القديمة
بينما تشير بعض المصادر الثانوية إلى ادعاءات لم يتم التحقق منها فيما يتعلق بوجود أجهزة كشف الزلازل في مصر القديمة، لا يوجد دليل تاريخي قاطع يدعم هذه التأكيدات اعتبارًا من يناير 2026. تم تطوير أول منظار زلازل موثق بشكل موثوق في الصين على يد تشانغ هنغ في عام 132 م.
في عام 132 م، يُنسب إلى تشانغ هنغ، وهو عالم من أسرة هان الصينية، اختراع أول منظار زلازل، والذي تم تعيينه Houfeng Didong Yi، والتي تُترجم إلى "أداة لقياس الرياح الموسمية وحركات الأرض". وفقًا للأوصاف الموجودة في تاريخ أسرة هان اللاحقة، يتكون الجهاز من وعاء برونزي كبير يبلغ قطره حوالي 2 متر، مزين بثمانية رؤوس تنين موضوعة حول محيطه العلوي، يمسك كل منها كرة برونزية. عند حدوث نشاط زلزالي، ينفتح أحد أفواه التنين، ويطلق كرته في الضفدع البرونزي الموجود عند القاعدة، وبالتالي يصدر إشارة مسموعة ويُزعم أنها تشير إلى اتجاه الزلزال. والجدير بالذكر أنه في مناسبة واحدة على الأقل، على الأرجح خلال زلزال كبير في قانسو عام 143 بعد الميلاد، سجل منظار الزلازل نشاطًا زلزاليًا على الرغم من عدم وجود هزات ملحوظة للسكان المحليين. تشير النصوص الباقية إلى أن الوعاء يحتوي على عمود مركزي قادر على الحركة على طول ثمانية مسارات متميزة، والتي يُفترض أنها تمثل البندول. ومع ذلك، فإن الآلية الدقيقة التي تربط هذا المكون بالفتح الانتقائي لفم تنين واحد لا تزال مجهولة. وبحسب ما ورد كان الزلزال الأولي الذي اكتشفته هذه الأداة يقع "في مكان ما في الشرق"، وتم تأكيد حدوثه لاحقًا بعد أيام من خلال راكب قادم من تلك المنطقة.
التصاميم الزلزالية المبكرة (1259–1839)
بحلول القرن الثالث عشر، كانت أدوات قياس الزلازل موجودة في مرصد مراغة في بلاد فارس، الذي تم إنشاؤه عام 1259. ومع ذلك، لا يزال من غير المؤكد ما إذا كانت هذه الأجهزة قد تم تطويرها بشكل مستقل أو مشتقة من منظار الزلازل الصيني الأقدم. في عام 1703، قام الفيزيائي والكاهن الفرنسي جان دي هوتفيل بتفصيل تصميم منظار الزلازل الذي يتميز بوعاء مملوء بالزئبق، والذي ينسكب منه السائل إلى واحد من ثمانية أجهزة استقبال متساوية البعد. ومع ذلك، لا يوجد دليل يؤكد البناء الفعلي لهذا الجهاز بواسطة Hautefeuille. بعد ذلك، قام أتاناسيو كافالي ببناء منظار الزلازل الزئبقي في عام 1784 أو 1785، مع نسخة طبق الأصل محفوظة في مكتبة الجامعة في بولونيا. قام نيكولو كاتشياتور لاحقًا ببناء منظار زلازل زئبقي آخر في عام 1818. وفي أواخر تسعينيات القرن الثامن عشر، طور جيمس ليند أيضًا أداة لرصد الزلازل، يشار إليها باسم "آلة الزلازل"، على الرغم من أن تصميمها الدقيق وفعاليتها التشغيلية لا تزال غير موثقة.
في الوقت نفسه، كانت الأدوات المعتمدة على البندول قيد التطوير. في أعقاب زلزال بوليا عام 1731، أنشأ عالم الطبيعة في نابولي نيكولا سيريلو شبكة من أجهزة كشف الزلازل البندولية، مستخدمًا منقلة لقياس مدى حركتها التذبذبية. في عام 1751، قام الراهب البينديكتيني أندريا بينا بتطوير هذا التصميم من خلال تكوين البندول لإنشاء علامات أثر في الرمال أسفل الآلية، وبالتالي الإشارة إلى حجم واتجاه الحركة الأرضية. ابتكر صانع الساعات النابولي دومينيكو سالسانو أداة بندول مماثلة في عام 1783، والتي سجلت البيانات باستخدام فرشاة الرسم. وقد أطلق عليه اسم جهاز قياس الزلازل الجغرافي، وهو ما يمثل على الأرجح أول استخدام لمصطلح مشابه لـ مقياس الزلازل. في عام 1784، ابتكر عالم الطبيعة نيكولو زوبو أداة قادرة على اكتشاف كل من الاضطرابات الكهربائية والزلازل في وقت واحد.
وفي عام 1796، طور أسكانيو فيلومارينو أول جهاز فعال إلى حد ما لتوقيت الزلازل. تمثل هذه الأداة تحسينًا لتصميم بندول سالسانو، حيث تشتمل على قلم رصاص لوضع العلامات ومكون يشبه الشعر متصل بالآلية لإعاقة عجلة التوازن في الساعة. وبالتالي، لن تبدأ الساعة بالعمل إلا عند حدوث زلزال، مما يتيح التحديد الدقيق لوقت حدوثه.
في 4 أكتوبر 1834، في أعقاب وقوع زلزال، لاحظ لويجي باجاني أن منظار الزلازل الزئبقي في جامعة بولونيا قد انسكب بالكامل، مما جعله غير فعال لجمع البيانات. دفعه هذا إلى تصميم جهاز محمول يستخدم رصاصًا لتحديد اتجاه الزلزال. ستسقط طلقة الرصاص في أربع صناديق مرتبة بشكل دائري، مما يشير إلى ربع حدوث الزلزال. تم الانتهاء من تطوير الأداة في عام 1841.
تصاميم أجهزة قياس الزلازل الحديثة المبكرة (1839–1880)
في أعقاب سلسلة من الزلازل التي وقعت بالقرب من كومري، اسكتلندا، في عام 1839، تم إنشاء لجنة في المملكة المتحدة لتطوير أدوات محسنة للكشف عن الزلازل. أدت هذه المبادرة إلى قيام جيمس ديفيد فوربس ببناء مقياس الزلازل البندول المقلوب، والذي تم تفصيله في تقرير ديفيد ميلن هوم عام 1842. سجل هذا الجهاز قياسات النشاط الزلزالي باستخدام قلم رصاص على ورق موضوع فوق البندول. ومع ذلك، أشارت تقارير ميلن إلى أن هذه التصاميم كانت غير فعالة. يرجع الفضل إلى ميلن في صياغة مصطلح مقياس الزلازل في عام 1841 لوصف هذا الجهاز. لاحقًا، في عام 1843، تم دمج البندول الأفقي الأول في مقياس الزلازل، كما ذكر ميلن، على الرغم من أن دوره كمخترع أصلي لا يزال غامضًا. بناءً على هذه التطورات، نشر روبرت ماليت ورقة بحثية في عام 1848 تقترح مبادئ تصميم أجهزة قياس الزلازل، مع التركيز على الحاجة إلى أجهزة لتسجيل الوقت، وتسجيل السعات الأفقية والرأسية، وتحديد الاتجاه. على الرغم من أن تصميمه المقترح حصل على التمويل ومحاولة البناء، إلا أن الأداة النهائية فشلت في تلبية توقعاته، وأظهرت عدم الدقة وافتقرت إلى إمكانات التسجيل الذاتي، على غرار المشكلات التي واجهت تصميم Forbes.
بين عامي 1848 و1850، قام كارل كريل بتطوير مقياس الزلازل في براغ. تضمنت هذه الأداة بندولًا أسطوانيًا صلبًا ومعلقًا، ومغطى بالورق ومميز بقلم رصاص ثابت. وقد سهّل الدوران اليومي للأسطوانة تقريب وقت حدوث الزلزال.
وتأثرًا بمنشور ماليت عام 1848، اخترع لويجي بالمييري مقياسًا للزلازل في عام 1856 قادرًا على تسجيل أوقات الزلازل. استخدم هذا الجهاز بندولات معدنية تعمل، عند الاهتزاز، على إغلاق دائرة كهربائية، ومن ثم تنشيط مغناطيس كهربائي لإيقاف الساعة. حققت أجهزة قياس الزلازل التي صنعها بالميري توزيعًا واسع النطاق واستخدامها المستدام على مدى فترة ممتدة.
بحلول عام 1872، أعربت لجنة في المملكة المتحدة، برئاسة جيمس برايس، عن استيائها من أجهزة قياس الزلازل الموجودة، ولا سيما جهاز فوربس الكبير لعام 1842 الذي لا يزال قيد الاستخدام في كنيسة أبرشية كومري. لقد دافعوا عن مقياس الزلازل الذي يكون مدمجًا وسهل التركيب وسهل التفسير. بحلول عام 1875، اعتمدت اللجنة نسخة كبيرة من جهاز ماليت، الذي يتألف من مجموعة من المسامير الأسطوانية ذات أبعاد مختلفة، مرتبة بشكل عمودي على طبقة رملية. يفترض التصميم أن الزلازل الأكثر أهمية من شأنها أن تطيح بالدبابيس الأكبر حجمًا. تم تركيب هذا الجهاز في "بيت الزلازل" بالقرب من كومري، والذي يُعرف بأنه أول مرصد زلزالي مصمم لهذا الغرض في العالم. اعتبارًا من عام 2013، لم يكن هناك أي حدث زلزالي قوي بما يكفي لإزاحة أي أسطوانات في الجهاز الأصلي أو نسخه.
نشأة أجهزة قياس الزلازل (1880 إلى الوقت الحاضر)
ظهرت أجهزة قياس الزلازل الأولية خلال سبعينيات وثمانينيات القرن التاسع عشر. يرجع الفضل إلى فيليبو سيتشي في إنتاج أول جهاز قياس الزلازل حوالي عام 1875. وقد تم تصميم هذه الأداة بحيث يبدأ منظار الزلازل في وظيفة التسجيل، ثم يقوم بعد ذلك بتوليد تمثيل رسومي تلقائي للهزات، يُعرف باسم مخطط الزلازل، على سطح التسجيل. ومع ذلك، كان الجهاز يفتقر إلى الحساسية الكافية، ولم يتم إنتاج أول مخطط زلزالي له حتى عام 1887، وفي ذلك الوقت كان جون ميلن قد عرض بالفعل تصميمه الخاص في اليابان.
تم تطوير مقياس الزلازل البندول الأفقي الافتتاحي في عام 1880 من قبل فريق تعاوني يضم جون ميلن، وجيمس ألفريد إوينج، وتوماس جراي، الذين عملوا كمستشارين للحكومة الأجنبية في اليابان بين عامي 1880 و1895. وهؤلاء الأفراد، الذين تم تجنيدهم سابقًا من قبل حكومة ميجي لدعم تحديث اليابان، قاموا فيما بعد بتأسيس جمعية رصد الزلازل اليابانية في أعقاب زلزال يوكوهاما في 22 فبراير. 1880. خلال العام التالي، صمم إوينج أداتين متميزتين: مقياس الزلازل البندولي التقليدي ومقياس الزلازل الرائد الذي يشتمل على بندول أفقي مخمد. وقد سهّل نظام التسجيل المبتكر هذا الحصول على أول بيانات زلزالية مستمرة. في 3 نوفمبر 1880، تم تسجيل مخطط الزلازل الأولي بنجاح باستخدام كلا جهازي إيوينج. أثرت هذه التصميمات الأساسية لاحقًا على تطوير أجهزة قياس الزلازل الحديثة. غالبًا ما يُعرف ميلن بأنه "أبو علم الزلازل الحديث"، ويُنسب الفضل إلى تصميم جهاز قياس الزلازل الخاص به باعتباره أول مقياس زلازل حديث.
وقد أتاح هذا التطور القياس الأولي الفعال لحركة الأرض الأفقية. وفي الوقت نفسه، ابتكر جراي أول طريقة يمكن الاعتماد عليها لتسجيل الحركة العمودية، وبالتالي تحقيق أول تسجيلات زلزالية فعالة ثلاثية المحاور.
تميزت أجهزة قياس الزلازل المتخصصة المبكرة ببندول كبير وثابت مزود بقلم في قاعدته. عندما حدثت حركة أرضية، حافظت كتلة البندول الكبيرة على استقرارها بالقصور الذاتي بالنسبة إلى إطار الجهاز. ونتيجة لذلك، سجل القلم نمطًا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بإزاحة الأرض. استخدمت أجهزة قياس الزلازل القوية الحركة الزجاج المدخن المطلي بسخام الكربون كوسيلة للتسجيل. وعلى الرغم من افتقارها إلى الحساسية اللازمة للكشف عن الأحداث الزلزالية عن بعد، إلا أن هذه الأجهزة كانت قادرة على الإشارة إلى اتجاه موجات الضغط، وبالتالي المساعدة في تحديد مواقع مراكز الزلازل المحلية. أثبتت أدوات هذا التصميم قيمتها في تحليل ما بعد الحدث لزلزال سان فرانسيسكو عام 1906. وسهلت التحليلات اللاحقة التي أجريت في الثمانينيات، بالاستفادة من هذه التسجيلات التاريخية، تحديد أكثر دقة لموقع تمزق الصدع الأولي في مقاطعة مارين وانتشاره السائد جنوبًا.
وفي وقت لاحق، ضمت مجموعات الأدوات الاحترافية ضمن شبكة قياس الزلازل القياسية العالمية تكوينين أساسيين: مجموعة واحدة تمت معايرتها لفترة تذبذب مدتها خمسة عشر ثانية وأخرى لفترة تسعين ثانية، حيث توفر كل مجموعة ثلاثة اتجاهات القياسات. وعلى العكس من ذلك، عادةً ما يقوم المشغلون الهواة أو المراصد ذات الموارد المحدودة بمعايرة أدواتهم الأصغر والأقل حساسية لمدة عشر ثوانٍ. يعمل التصميم الأساسي لمقياس الزلازل البندول الأفقي المخمد على مبدأ مشابه للبوابة المتأرجحة. تم لصق كتلة كبيرة على قمة هيكل مثلث ممدود، يتراوح طوله من 10 سم إلى عدة أمتار، ومفصل على طول حافته العمودية. أثناء الحركة الأرضية، تتسبب خصائص القصور الذاتي للوزن في بقائه ثابتًا، مما يتسبب في دوران "البوابة" حول مفصلها.
تتمثل الميزة الأساسية لتصميم البندول الأفقي في قدرته على تحقيق ترددات تذبذب منخفضة للغاية ضمن مساحة أداة مدمجة. تميل "البوابة" عمدًا، مما يتسبب في عودة الوزن تدريجيًا إلى وضع التوازن المركزي. قبل تنفيذ التخميد، تتم معايرة البندول ليتأرجح على فترات تتراوح بين ثلاث أو ثلاثين ثانية. عادةً ما تظهر الأدوات ذات الأغراض العامة التي تستخدمها المحطات الصغيرة أو المشغلون الهواة فترة تذبذب مدتها عشر ثوانٍ. للتخفيف من التذبذبات، يتم وضع وعاء زيت أسفل ذراع البندول، ويتم غمر لوح معدني صغير متصل بالجانب السفلي من الذراع في الزيت، مما يؤدي إلى خلق قوة سحب. يتم ضبط مستوى الزيت وموضع الصفيحة على الذراع وزاويتها وأبعادها بدقة لتحقيق "التخميد الحرج"، وهي حالة تتميز بغياب التذبذب تقريبًا. تُظهر آلية المفصلة احتكاكًا منخفضًا للغاية، وتستخدم في كثير من الأحيان أسلاك الالتواء، بحيث تنشأ قوة الاحتكاك السائدة من الاحتكاك الداخلي للسلك نفسه. لتقليل الاضطرابات الناجمة عن التيارات الهوائية، غالبًا ما يتم تشغيل أجهزة قياس الزلازل المدمجة التي تتميز بكتل منخفضة المقاومة في بيئة مفرغة.
في وقت مبكر من عام 1869، قام زولنر بتوثيق البندولات الأفقية المعلقة الالتوائية، على الرغم من أن تطويره ركز على التطبيقات في قياس الجاذبية بدلاً من قياس الزلازل.
استخدمت أجهزة قياس الزلازل المبكرة في البداية أنظمة رافعة ذات محامل مرصعة بالجواهر لتسجيل البيانات على الزجاج المدخن أو الورق. وفي وقت لاحق، تطورت التصاميم لاستخدام المرايا التي تعكس شعاع الضوء على لوحة التسجيل المباشر أو لفة من ورق التصوير الفوتوغرافي. شهدت الفترة المؤقتة عودة بعض التصميمات إلى الحركات الميكانيكية لتحقيق كفاءة التكلفة. بحلول منتصف القرن العشرين، عكست الأنظمة الضوء على أجهزة الاستشعار الضوئية الإلكترونية التفاضلية، المعروفة باسم المضاعف الضوئي. يقوم الجهد الناتج عن المضاعف الضوئي بتشغيل الجلفانومترات، كل منها مجهز بمرآة صغيرة على محوره. سيضرب شعاع الضوء المنعكس المتحرك سطح أسطوانة دوارة مغطاة بورق حساس للصور. ومع ذلك، فإن التكلفة المرتبطة بتطوير الورق الحساس للصور دفعت العديد من المراصد الزلزالية إلى التحول إلى الحبر أو الورق الحساس للحرارة.
بعد الحرب العالمية الثانية، تم دمج تصميمات أجهزة قياس الزلازل التي ابتكرها ميلن وإيوينج وغراي وتكييفها في مقياس الزلازل بريس-إيوينج المعتمد على نطاق واسع.
الأجهزة الحديثة
تتضمن الآلات المعاصرة أجهزة استشعار إلكترونية ومكبرات صوت وأجهزة تسجيل متقدمة. معظمها ذات نطاق عريض، قادرة على اكتشاف مجموعة واسعة من الترددات. يمكن لبعض أجهزة قياس الزلازل قياس الحركات الأرضية عبر نطاق ترددي يتراوح من 500 هرتز إلى 0.00118 هرتز (الموافق لفترات تتراوح من 0.002 ثانية إلى 850 ثانية لكل دورة). عادةً ما يحتفظ نظام التعليق الميكانيكي للأجهزة الأفقية بتكوين "بوابة الحديقة". وعلى العكس من ذلك، تستخدم الأدوات العمودية آليات تعليق ذات قوة ثابتة، مثل نظام التعليق LaCoste، الذي يستخدم زنبركًا بطول صفر لتحقيق فترة طويلة وبالتالي حساسية عالية. تتميز بعض الأدوات الحديثة بتصميم "ثلاثي المحاور" أو "جالبيرين"، حيث يتم توجيه ثلاثة مستشعرات حركة متطابقة في نفس الزاوية بالنسبة إلى الوضع الرأسي، ولكن يتم وضعها على مسافة 120 درجة أفقيًا. يسمح هذا التكوين بحساب كل من الحركات الرأسية والأفقية من المخرجات المجمعة لأجهزة الاستشعار الثلاثة.
تقدم أجهزة قياس الزلازل بطبيعتها درجة معينة من التشويه في الإشارات التي تقيسها؛ ومع ذلك، تم تصميم الأنظمة المصممة بشكل احترافي مع تحويلات تردد محددة بعناية لمراعاة ذلك.
يتم تصنيف حساسيات أجهزة قياس الزلازل الحديثة إلى ثلاثة نطاقات أساسية: الجيوفونات، التي تقدم 50 إلى 750 فولت/م؛ أجهزة قياس الزلازل الجيولوجية المحلية، توفر ما يقرب من 1500 فولت/م؛ وأجهزة قياس الزلازل عن بعد، المستخدمة في المسوحات العالمية، والتي تنتج حوالي 20000 فولت/م. يتم تصنيف الأدوات عمومًا إلى ثلاثة أنواع رئيسية: قصيرة المدى، وطويلة المدى، وعريضة النطاق. في حين أن الأدوات قصيرة وطويلة المدى حساسة للغاية وتقيس السرعة، فإنها تميل إلى "قص" الإشارة أو الخروج عن النطاق أثناء الحركات الأرضية القوية بما يكفي لتكون مرئية للبشر. أصبحت الآن قناة تحويل تناظرية إلى رقمية ذات 24 بت قياسية، وتظهر الأجهزة العملية خطية تصل إلى جزء واحد تقريبًا في المليون.
يتم تسليم أجهزة قياس الزلازل إما بقدرات إخراج تناظرية أو رقمية. تتطلب أجهزة قياس الزلازل التناظرية معدات تسجيل تناظرية، والتي قد تشمل محولًا تناظريًا إلى رقمي. في المقابل، يمكن تغذية مخرجات جهاز قياس الزلازل الرقمي مباشرة إلى جهاز كمبيوتر، وتقديم البيانات بتنسيق رقمي موحد (يتم إرسال "SE2" في كثير من الأحيان عبر إيثرنت).
أجهزة قياس التليسيسم
جهاز قياس الزلازل عريض النطاق المعاصر قادر على تسجيل نطاق واسع بشكل استثنائي من الترددات. وهي تتألف من "كتلة إثبات" صغيرة مقيدة بقوى كهربائية ويتم التحكم فيها بواسطة إلكترونيات متطورة. وبينما تتحرك الأرض، يسعى النظام الإلكتروني إلى الحفاظ على الكتلة في وضع ثابت من خلال دائرة ردود الفعل. يتم تسجيل حجم القوة المطلوبة لتحقيق هذا الاستقرار لاحقًا.
في معظم التصميمات، يحتفظ النظام الإلكتروني بكتلة ثابتة بالنسبة لإطار الجهاز. يُطلق على هذا الجهاز اسم "مقياس تسارع توازن القوة"، وهو يقيس تسارع حركة الأرض بدلاً من سرعتها. بشكل أساسي، يتم قياس المسافة الدقيقة بين الكتلة وأحد مكونات الإطار باستخدام محول تفاضلي متغير خطي، أو في بعض الأجهزة، مكثف تفاضلي خطي متغير.
يتم بعد ذلك تضخيم هذا القياس بواسطة مكبرات صوت إلكترونية مدمجة في حلقة تغذية مرتدة سلبية إلكترونية. يقوم أحد التيارات المتضخمة من حلقة التغذية المرتدة هذه بتشغيل ملف، مشابه لذلك الموجود في مكبر الصوت. نتيجة هذه العملية هي أن الكتلة تظل ثابتة تقريبًا.
تقوم معظم الأجهزة بقياس حركة الأرض مباشرة باستخدام مستشعر المسافة. إن الجهد المتولد في ملف محسوس على الكتلة بواسطة مغناطيس يحدد بشكل مباشر السرعة اللحظية للأرض. على العكس من ذلك، يوفر التيار المتدفق إلى ملف القيادة قياسًا حساسًا ودقيقًا للقوة المبذولة بين الكتلة والإطار، وبالتالي قياس تسارع الأرض مباشرة (استنادًا إلى مبدأ F=ma، حيث تمثل F القوة، وm تشير إلى الكتلة، وa تعني التسارع).
من بين التحديات المستمرة التي تواجه أجهزة قياس الزلازل العمودية الحساسة طفو كتلها الداخلية. يمكن للتقلبات في كثافة الهواء، التي يحتمل أن تكون ناجمة عن تغيرات الضغط التي تحركها الرياح من خلال نافذة مفتوحة، أن تولد إشارات زائفة في هذه الأجهزة. ونتيجة لذلك، فإن معظم أجهزة قياس الزلازل الاحترافية تكون مغلفة في عبوات صلبة محكمة الغلق. على سبيل المثال، يتميز نموذج Streckeisen النموذجي بقاعدة زجاجية سميكة تتطلب وضع مادة لاصقة خالية من الفقاعات على رصيفها.
بينما قد يبدو من المنطقي استخدام مغناطيس ثقيل ككتلة زلزالية، فإن اختيار التصميم هذا يقدم أخطاء بسبب التحولات في المجال المغناطيسي للأرض. لذلك، يتم تصنيع المكونات المتحركة لأجهزة قياس الزلازل من مواد تظهر الحد الأدنى من التفاعل مع المجالات المغناطيسية. علاوة على ذلك، تكون أجهزة قياس الزلازل عرضة للتغيرات في درجات الحرارة، مما يؤدي إلى تصنيع العديد من الأجهزة من مواد منخفضة التمدد، مثل الأجسام غير المغناطيسية.
غالبًا ما تكون مفصلات أجهزة قياس الزلازل مملوكة، مع تطور التصميمات غالبًا بشكل ملحوظ بحلول الوقت الذي تنتهي فيه براءات الاختراع. تتضمن تصميمات الملكية العامة الأكثر فعالية مفصلات رقيقة من الرقائق المعدنية مؤمنة داخل آلية تثبيت.
من المتطلبات الحاسمة هو التوصيف الدقيق لوظيفة نقل جهاز قياس الزلازل للتأكد من استجابته للتردد. غالبًا ما يميز هذا التمييز الأدوات الاحترافية عن أدوات الهواة. تخضع معظم أجهزة قياس الزلازل للتوصيف على طاولة اهتزاز متغيرة التردد.
أجهزة قياس الزلازل قوية الحركة
تشكل أجهزة قياس الزلازل الرقمية ذات الحركة القوية، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة قياس التسارع، فئة متميزة من أجهزة قياس الزلازل. تعتبر البيانات التي تم الحصول عليها من هذه الأدوات أساسية لفهم تأثير الزلازل على الهياكل الهندسية، وهو جانب أساسي من هندسة الزلازل. لا غنى عن التسجيلات الصادرة عن هذه الأجهزة لتقييم المخاطر الزلزالية في مجال علم الزلازل الهندسي.
تقيس أجهزة قياس الزلازل قوية الحركة التسارع، والتي يمكن فيما بعد دمجها رياضيًا لاشتقاق السرعة والإزاحة. على الرغم من أنها أقل حساسية للحركات الأرضية من أجهزة قياس الزلازل عن بعد، إلا أن أجهزة قياس الزلازل ذات الحركة القوية تحافظ على سلامة القياس أثناء الهزات الزلزالية الأكثر شدة.
كما يتم استخدام أجهزة استشعار الحركة القوية أيضًا في تطبيقات قياس الكثافة.
نماذج أخرى
تتكون أجهزة قياس التسارع والجيوفونات في كثير من الأحيان من مغناطيسات أسطوانية ثقيلة تحتوي على ملف مثبت على زنبرك. عندما يتحرك غلاف الجهاز، يميل الملف إلى البقاء ثابتًا، مما يتسبب في تقاطع المجال المغناطيسي للأسلاك وتحفيز تيار كهربائي في منافذ الخرج. تكتشف هذه الأجهزة ترددات تتراوح من عدة مئات من الهرتز إلى 1 هرتز. تتضمن بعض النماذج التخميد الإلكتروني، مما يوفر طريقة فعالة من حيث التكلفة لتحقيق جزء من خصائص الأداء لأجهزة قياس الزلازل الجيولوجية ذات الحلقة المغلقة وواسعة النطاق.
اعتبرت مقاييس تسارع شعاع الانفعال، المصنعة كدوائر متكاملة، غير حساسة بدرجة كافية لأجهزة قياس الزلازل الجيولوجية اعتبارًا من عام 2002، ومع ذلك يتم استخدامها على نطاق واسع في أجهزة الجيوفون.
تحدد التصميمات الحساسة الأخرى التيار الناتج عن تدفق أ سائل أيوني غير قابل للتآكل من خلال إسفنجة إلكتريت أو سائل موصل يمر عبر مجال مغناطيسي.
أجهزة قياس الزلازل المترابطة
تسهل أجهزة قياس الزلازل التي يتم ترتيبها في مصفوفة زلزالية التحديد الدقيق ثلاثي الأبعاد لمصدر الزلزال عن طريق قياس وقت انتشار الموجات الزلزالية من مركز الزلزال، وهو النقطة الأولية لتمزق الصدع. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أجهزة قياس الزلازل المترابطة ضمن نظام الرصد الدولي للكشف عن تفجيرات التجارب النووية تحت الأرض ولأنظمة الإنذار المبكر بالزلازل. في حين يتم دمج أجهزة قياس الزلازل هذه في كثير من الأحيان في مبادرات حكومية أو علمية واسعة النطاق، فإن بعض المنظمات، مثل شبكة ملتقطي الزلازل، تستفيد من أجهزة الكشف ذات الحجم السكني المدمجة في أجهزة الكمبيوتر للكشف عن الزلازل.
في علم الزلازل الانعكاسية، يتم استخدام مجموعة من أجهزة قياس الزلازل لتصوير المعالم الموجودة تحت السطح. تتم معالجة البيانات المكتسبة إلى صور من خلال خوارزميات مشابهة للتصوير المقطعي. تشبه منهجيات تقليل البيانات تلك المستخدمة في أجهزة التصوير الطبي المقطعي بمساعدة الكمبيوتر والأشعة السينية وأجهزة التصوير بالسونار.
تتيح شبكة عالمية من أجهزة قياس الزلازل تصوير باطن الأرض من خلال تحليل سرعة الموجة وقابلية انتقالها. تستخدم هذه الأنظمة مصادر زلزالية مثل الزلازل أو أحداث الارتطام أو الانفجارات النووية. اعتمدت التطبيقات المبكرة لهذه المنهجية على تقليل البيانات يدويًا من المخططات الورقية لقياس الزلازل. ومع ذلك، تم تحسين سجلات قياس الزلازل الرقمية المعاصرة للمعالجة المباشرة بالكمبيوتر. وقد سهّل توافر تصميمات أجهزة قياس الزلازل بأسعار معقولة والاتصال بالإنترنت إنشاء "شبكات عامة لقياس الزلازل" من قبل الهواة والمؤسسات الصغيرة.
تاريخيًا، استخدمت أنظمة قياس الزلازل المستخدمة في التنقيب عن النفط أو المعادن المتفجرات وخطًا سلكيًا من أجهزة الجيوفون التي يتم نشرها من السيارة. في الوقت الحالي، تشتمل معظم الأنظمة قصيرة المدى على "القاذفات" التي تؤثر على الأرض، وتتميز بعض الأنظمة التجارية المدمجة بمعالجة إشارات رقمية متقدمة قادرة على توليد إشارة كافية للمسوحات الانكسارية قصيرة المدى ببضع ضربات بمطرقة ثقيلة. يتم أحيانًا نشر صفائف Geophone المتخصصة المتقاطعة أو ثنائية الأبعاد للتصوير العاكس ثلاثي الأبعاد للميزات الجيولوجية تحت السطح. أصبح برنامج رسم الخرائط الجغرافية الانكساري الخطي الأساسي، الذي كان يعتبر في السابق مهارة غامضة، متاحًا الآن تجاريًا لأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ويدعم التكوينات باستخدام ما لا يقل عن ثلاثة أجهزة جغرافية. تم دمج بعض الأنظمة المعاصرة في صناديق بلاستيكية محمولة مقاس 18 بوصة (0.5 متر)، مكتملة بجهاز كمبيوتر وشاشة عرض وطابعة داخل الغطاء.
أصبحت أنظمة التصوير الزلزالي صغيرة الحجم اقتصادية بما يكفي للمهندسين المدنيين لتوظيفها في مسح مواقع الأساس، وتحديد الأساس، وتحديد مواقع المياه الجوفية.
كابلات الألياف الضوئية كمقاييس الزلازل
ظهرت تقنية جديدة للكشف عن الزلازل، وذلك بالاستفادة من كابلات الألياف الضوئية. في عام 2016، لاحظ فريق من علماء القياس الذين أجروا تجارب قياس التردد في إنجلترا ضوضاء تظهر شكلًا موجيًا يتوافق مع الموجات الزلزالية الناتجة عن الزلازل. ترتبط هذه الملاحظة ببيانات رصد الزلازل من زلزال بقوة 6.0 درجة في إيطاليا، على بعد 1400 كيلومتر تقريبًا. نجحت التجارب اللاحقة في إنجلترا وإيطاليا، ومع كابل ألياف ضوئية بحري يمتد إلى مالطا، في الكشف عن زلازل إضافية، بما في ذلك زلزال على بعد 4100 كيلومتر وزلزال MLزلزال بقوة 3.4 على بعد 89 كيلومترًا من الكابل.
يمكن اكتشاف الموجات الزلزالية لأنها تحدث تغييرات على نطاق ميكرومتر في طول الكابل. تؤدي تغييرات الطول هذه بدورها إلى تعديل الوقت اللازم لعبور حزمة الضوء إلى الطرف البعيد من الكبل والعودة (باستخدام ألياف ثانية). من خلال استخدام أشعة ليزر فائقة الاستقرار، من الدرجة المترولوجية، تظهر هذه التحولات في التوقيت الدقيقة للغاية، بترتيب الفيمتو ثانية، كتغيرات في الطور.
يمكن التحقق من النقطة الدقيقة على طول الكابل التي تم إزعاجها في البداية بواسطة موجة P للزلزال (وهي في الأساس موجة صوتية تنتشر عبر الصخور) عن طريق إرسال حزم الضوء في الاتجاهين من خلال زوج من الألياف الضوئية. يشير التباين في أوقات وصول الزوج الأول من الحزم المضطربة إلى المسافة على طول الكابل. تمثل هذه النقطة أيضًا الموقع الأقرب إلى مركز الزلزال، والذي يجب أن يقع على مستوى متعامد مع الكابل. يوفر الفارق الزمني بين وصول الموجة P والموجة S مسافة (في ظل الظروف المثالية)، مما يحصر مركز الزلزال في منطقة دائرية. لحل غموض هذا الحل الأولي، من الضروري الكشف الثاني من كابل غير متوازي. يمكن أن تؤدي عمليات الرصد الإضافية إلى تحسين موقع مركز الزلزال وربما تحديد عمقه.
من المتوقع أن تعمل هذه المنهجية على تعزيز مراقبة الزلازل بشكل كبير، خاصة بالنسبة للأحداث الصغيرة، عبر مساحات شاسعة من المحيط العالمي حيث لا توجد أجهزة قياس الزلازل، وبتكلفة أقل بكثير من أجهزة قياس الزلازل التقليدية في قاع المحيط.
التعلم العميق
طوّر الباحثون في جامعة ستانفورد خوارزمية للتعلم العميق، أطلق عليها اسم UrbanDenoiser، وهي مصممة لاكتشاف الزلازل، خاصة داخل البيئات الحضرية. تقوم هذه الخوارزمية بتصفية الضوضاء الخلفية المحيطة بشكل فعال من البيانات الزلزالية المجمعة في المناطق الحضرية المزدحمة لعزل إشارات الزلازل وتحديدها.
التسجيل
في الوقت الحاضر، يشتمل نظام التسجيل الأكثر انتشارًا على جهاز كمبيوتر مزود بمحول تناظري إلى رقمي، ومحرك أقراص، واتصال بالإنترنت؛ لاستخدام الهواة، يكفي وجود جهاز كمبيوتر شخصي مزود ببطاقة صوت وبرنامج مناسب. بينما تقوم معظم الأنظمة بالتسجيل بشكل مستمر، يتم تكوين بعضها للتسجيل فقط عند اكتشاف الإشارة، وهو ما يشار إليه بزيادة قصيرة المدى في تباين الإشارة مقارنة بمتوسطها على المدى الطويل (والذي يمكن أن يتقلب ببطء بسبب التغيرات في الضوضاء الزلزالية)، وهي آلية تُعرف عمومًا باسم مشغل STA/LTA.
قبل ظهور المعالجة الرقمية للبيانات الزلزالية في أواخر السبعينيات، كان يتم تخزين السجلات الزلزالية على وسائط مختلفة باستخدام طرق مختلفة. على سبيل المثال، قامت أسطوانة "Helicorder" بتسجيل البيانات على ورق فوتوغرافي أو عن طريق الحبر على الورق. جهاز آخر، "Develocorder"، يلتقط البيانات من ما يصل إلى 20 قناة على فيلم مقاس 16 ملم، والتي يمكن بعد ذلك عرضها وتحليلها يدويًا. وبعد تنفيذ المعالجة الرقمية، انتقلت أرشيفات البيانات الزلزالية إلى الأشرطة المغناطيسية. ومع ذلك، فإن تدهور وسائط الأشرطة المغناطيسية القديمة هذه جعل جزءًا كبيرًا من أشكال الموجات المؤرشفة غير قابل للاسترداد.
- مقياس التسارع
- جيوفون
- اتحاد IRIS
- شبكة رصد الزلازل في شمال غرب المحيط الهادئ
- شبكة ملتقطي الزلازل
المراجع
نظرة عامة تاريخية على التطور المبكر لأجهزة قياس الزلازل.
- تاريخ أجهزة قياس الزلازل المبكرة
- مقال من مجلة Scientific American يشرح بالتفصيل جهاز قياس الزلازل للهواة من بنك ليمان، مشيرًا إلى أن تصميمه لم يكن مخصصًا للقياسات المعايرة. أرشفة 2009-02-04.
- تصميم احترافي لجهاز قياس الزلازل عن بعد للهواة بواسطة شون موريسي، مهندس أجهزة قياس الزلازل، مع نسخة مماثلة من تصميم كيث بايا. يشتمل هذا التصميم المتقدم على زنبرك ذو طول صفري لمدة 60 ثانية، وردود فعل نشطة، ومحول طاقة تفاضلي مميز ذو مقاومة متغيرة مصنوع من مكونات مُعاد استخدامها. تم تصميم تحويل التردد الخاص به بدقة، مما يميزه عن أجهزة الهواة التقليدية. يظل المورد متاحًا كخدمة عامة، على الرغم من وفاة موريسي.
- يوفر SeisMac، وهو تطبيق مجاني لأجهزة الكمبيوتر المحمولة المعاصرة التي تعمل بنظام Macintosh، وظيفة قياس الزلازل ثلاثية المحاور في الوقت الفعلي. أرشفة 2010-03-06.
- يستكشف مقال بعنوان "تطوير رصد الزلازل واسع النطاق: التعاون بين Quantera وIris" التطور التاريخي للتقنيات الرئيسية في أبحاث الزلازل العالمية. أرشفة 2016-08-10.
- فيديو يعرض جهاز قياس الزلازل في مرصد البراكين في هاواي.
- منظار الزلازل: مراجع الأبحاث (2012).
- Iris EDU: شرح لوظيفة مقياس الزلازل.
- هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية: التمييز بين أجهزة قياس الزلازل وأجهزة قياس الزلازل وأجهزة قياس الزلازل، بالإضافة إلى شرح مبادئها التشغيلية.