обстоятельных и фундаментальных учебниках [Ландау, Лифшиц, 2003; Сивухин, 1974; Фейман, Лейтон, Сэндс, 1966; Хайкин, 1963] о принципе Сен-Венана не сказано ни слова. Приведенная в предыдущем разделе этой главы выдержка из работы [Ландау, Лифшиц, 2003] однозначно характеризует принцип Сен-Венана - как локальный, обусловленный действием молекулярных сил. Такой же вывод следует и из книги [Хайкин, 1963, с. 484].
Все эти данные – высказывания и невысказывания, на взгляд автора, однозначно указывают на то, что роль теории упругости в обосновании теоретических и практических основ сейсмологии, с самого начала ее существования как науки, сильно преувеличены. И аналогия между теорией упругости и сейсмологией, проведенная в этом разделе, подтверждает такой тезис. Следовательно, можно ожидать, что результаты и выводы, полученные на сейсмологическом и геофизическом материале, окажется возможным использовать, в том числе, и для развития представлений самой теории упругости. Но это уже тема II части книги.
Развитие сейсмометрических наблюдений
Сейсмическая станция
Землетрясения, несомненно, постоянно «провоцировали» естествоиспытателей к созданию устройства для их регистрации. Пути процесса создания могут быть самыми разными - история науки и техники (см. главу 15) изобилует многими разными примерами. Известно высказывание, восходящее к временам, когда наука, натурфилософия, была единой: «Землетрясения, что звезды на небе: чем они ярче, тем их меньше». Видимо, по этой причине, первый прибор, определяющий направление на очаг землетрясения – сейсмоскоп, был изобретен китайским астрономом Чжан Хэном в 132 г. Он представлял собой бронзовую чашу диаметром 180 см. Восемь драконов – восемь направлений по частым света. В спокойном состоянии рычаги удерживали в пасти каждого из драконов по шарику. Шарик высвобождался из пасти, указывал направление на очаг случившегося землетрясения и с характерным звуком падал в раскрытый рот жабы. Так прибор извещал наблюдателю о происшедшем землетрясении и направлении на его очаг. Экземпляр прибора в натуральную величину выставлен в геологическом музее Лондона. При таких размерах сосуда, как показали современные оценки, прибор мог реагировать на землетрясения, эпицентр которых находился от него на расстоянии до 600 км [Викулин, Дроздюк, Семенец, Широков, 1997, с. 81].
Первые сейсмографы – приборы, осуществляющие запись колебаний поверхности Земли, появились в середине 19 в. Сейсмограф, соответствующий современному определению, появился, предположительно, в 1880 г.
18 апреля 1889 г. геодезистом Ребер-Паншицем на Потсдамской обсерватории горизонтальными маятниками, следящими за периодическими колебаниями отвесной линии под влиянием лунно-солнечного притяжения, были зарегистрированы колебания, пришедшие, как потом оказалось, из очага землетрясения в Японии на удалении около 9000 км. Тем самым, была доказана принципиальная возможность регистрации сейсмических волн маятниковыми приборами. Как следствие, были усилены работы по созданию сейсмометрических приборов. Их большое разнообразие появляется в конце 19 в. – сейсмографы Вихерта (Геттинген), горизонтальные маятники Дж. Милна и Дж. Юинга (США), Боша (Страсбург) с маятником Омори (Япония) - Боша, Геккера (Потсдам), Фасцинелли (Италия), Шмитта (Утрехт) и др. Однако, все эти приборы для их установки требовали специального помещения и были крайне неудобны для регистрации землетрясений. Например, наиболее совершенный из таких приборов сейсмограф Э. Вихерта, при увеличении около 100-200 требовал для исключения влияния трения пишущего пера на бумагу использования маятника с массой около 1,5 тонн. А были созданы приборы с маятником весом 17 тонн!
119
В1902 г. Б.Б. Голицыным был предложен достаточно «компактный» метод гальванометрической регистрации с электродинамическим преобразованием перемещения маятника сейсмографа в электрический ток, позволяющий регистрирующую часть сейсмической станции размещать в удобном месте. Первый опытный горизонтальный сейсмограф Голицына был построен в 1906 г., в этом же году установлен в Пулковской обсерватории и уже в 1907 г. рекомендован к внедрению на сейсмических станциях. В 1910 г. Б.Б. Голицыным был разработан вертикальный сейсмограф и с 1911 г. трехкомпонентные сейсмографы Голицына устанавливаются не только на российских станциях, но и за рубежом. Метод Голицына, по сути, и определил в 20 в. развитие всей сейсмологии [Викулин, Семенец, Широков, 1989, с. 23; Оноприенко, 2002, с. 105-113, 134164].
Первые сейсмические станции в России появились в 1892-1893 гг. на астрономических обсерваториях - Морской в г. Николаеве и при университетах в гг. Харькове и Юрьев [Оноприенко, 2002, с. 107].
Сейсмическая станция в Петропавловске-Камчатском начала работу в июле 1915 г. Об оборудовании этой станции узнаем из сохранившейся описи приборов: «2 сейсмографа со штативами, 2 регистрационных аппарата с 2 запасными барабанами, контактные часы фирмы «Штрассер-Родэ», 1500 листов бумаги (на 2 года), 3 элемента лекланше с запасом нашатыря и цинков, 3 фунта звонковой проволоки. 16 ящиков (68 пудов)» [Викулин, Синельникова, 1985].
Внастоящее время сейсмическая станция Петропавловск-Камчатский содержит широкий комплекс приборов, включая самые современные, позволяющие проводить регистрацию сейсмических событий в цифровом виде и в реальном времени проводить определение их параметров.
Необходимым элементом любой современной сейсмической станции является трехкомпонентная (Z – вертикальный, Е – Восток-Запад, N – Север-Юг каналы) регистрация сигнала и наличие службы точного времени с отсчетом от Гринвичского меридиана.
Сети сейсмических станций
Определение параметров очага землетрясения, в первую очередь - координат его эпицентра и гипоцентра, а затем и повышение их точности, привело сначала к пониманию необходимости в определенной расстановке нескольких сейсмических станций, а затем и к созданию сетей сейсмических станций.
Население многих стран страдает от землетрясений. Но только в некоторых из таких стран вопросам сейсмической опасности в конце 19 – начале 20 вв. уделялось должное внимание. Весьма примечательно, что наиболее показательными, с точки зрения создания сети сейсмических станций, являются Япония и Россия.
ВЯпонии землетрясения, как и извержения вулканов, являются неотъемлемой частью самой жизни населения: сильные землетрясения часто приводят к гибели большого количества людей. Именно по этой причине Общественность, а затем и Правительство стали принимать меры к уменьшению последствий землетрясений. И одними из первых действенных шагов в этом направлении явились организация Сейсмологического общества Японии в 1890 г. и создание сети сейсмических станций на территории Японии в 1896-1898 гг., оснащенных горизонтальными сейсмографами Дж. Милна и Дж. Юинга. Подробнее о развитии сейсмологических наблюдений в Японии см.
в[Викулин, 2000, 2008, с. 194-209; Викулин, Дроздюк, Семенец, Широков, 1997, с. 24-25; Рикитаке, 1979, с. 44-79].
ВРоссии в 1887 г. сразу же после разрушительного землетрясения в г. Верный (Средняя Азия) по предложению Русского географического общества создается Сейсмическая комиссия, которая, фактически, и организовала первую в России сеть
120
сейсмических наблюдений, собирала и обрабатывала материалы по поступившим сведениям о проявлении землетрясений.
4 февраля 1898 г. в Петербургской академии наук состоялось первое заседание Комиссии по организации наблюдений над сейсмическими явлениями, на котором присутствовали представители Академии наук, Русского географического общества, Главной физической обсерватории и Военно-топографического отдела. Комиссия признала необходимым учредить при Академии наук для руководства сейсмическими наблюдениями в России Постоянную сейсмическую комиссию при участии университетов, Русского географического общества, Военно-топографического отдела Главного штаба и Главного гидрографического управления. На следующем заседании комиссии было предложено организовать сейсмические наблюдения во Владивостоке, Хабаровске, Томске, Омске, Екатеринбурге и Верном, а при Тифлисской, Ташкентской и Иркутской обсерваториях было рекомендовано организовать сети пунктов, оборудованных простейшими сейсмоскопами. Выражаясь современным языком, комиссия признала необходимым организовать единую сейсмическую сеть России, а при некоторых обсерваториях – локальные сейсмические сети. Такая схема, по сути, и существует в настоящее время в России. Одной из региональных сетей является Камчатская сеть сейсмических наблюдений.
Постоянная центральная сейсмическая комиссия (ПЦСК) при Академии наук с участием ряда ведомств и учреждений была учреждена 25 января 1900 г. В результате активной деятельности комиссии сеть сейсмических станций России из трех в 1898 г. выросла общим числом до 17 в 1903 г., куда входили и станции локальных сетей, из которых наиболее многочисленной была Кавказская сеть станций. Остро стояла проблема обеспечения сейсмических станций приборами. Её-то и решил Б.Б. Голицын, предложив новый «компактный» способ гальванометрической регистрации с преобразованием сигнала от маятника в электрический ток.
Врезультате в 1915 г. Российская сеть сейсмических станций насчитывала 6 трехкомпонентных станций первого разряда (Пулково, Баку (Нобелевская станция), Тифлис, Иркутск, Ташкент и, Юрьев) и 17 станций второго разряда, каждая из которых была снабжена двумя горизонтальными маятниками с магнитным затуханием. Всего сейсмическая сеть мира насчитывала в 1915 г. около 60 станций. Как видим, оснащенная лучшими по тем временам регистрирующими проборами, российская сеть станций занимала ведущее положение в мире [Викулин, Синельникова, 1985; Оноприенко, 2002, с. 191-201].
В1944 г., по данным Г.П. Горшкова [Оноприенко, 2002, с. 229], в мире насчитывалось около 500 сейсмических станций. Из них в середине 1950-х гг. опорными считались 93 станции, в числе которых российскими были станции в гг. Баку, Москва, Иркутск, Свердловск, Ташкент и Владивосток [Рихтер, 1963, с. 644-646].
Внастоящее время сейсмическая сеть мира настывает несколько тысяч сейсмических станций. Эта сеть организована следующим образом. В единую мировую сеть объединены опорные станции, расположенные в разных точках Земли. К числу таких станций относится и станция, расположенная в Петропавловске-Камчатском.
Единая сеть сейсмических наблюдений России объединяет опорные станции, расположенные в разных частях нашей страны. Составными элементами в эту сеть входят локальные сети, целью которых является изучение сейсмичности региона.
На Камчатке региональная сеть начала создаваться в 1940-х гг. В декабре 1946 г. Лаборатория вулканологии АН СССР открывает станцию в Ключах. Позднее, в 1958 и 1960 гг. с открытием станций Козыревск и Апохончич создается сеть слежения за активностью Ключевской группы вулканов.
В1961 г. Тихоокеанской сейсмической экспедицией ИФЗ АН СССР совместно с Камчатской геолого-геофизической обсерваторией, вошедшей в1962 г. в Институт вулканологии, создается камчатская региональная сеть сейсмических станций. И с тех пор
121
до настоящего времени сейсмические наблюдения на Камчатке ведутся этой сетью и станцией Петропавловск, входящих в Камчатский филиал Геофизической службы Российской Академии наук [Викулин, Семенец, Широков, 1989, с. 23-33].
Годографы
Одним из важнейших результатов, явившимся прямым следствием создания сети сейсмических станций, было получение годографа – зависимость скоростей сейсмических волн от эпицентрального расстояния.
Данные о временах пробега продольных и поперечных сейсмических волн через земной шар до сейсмических станций представляют первый годограф сейсмических волн, составленный в 1908-1911 гг. Цепринцем и Э. Вихертом. Этим годографом пользовались приблизительно до 1930-1940 гг. для определения расстояний при отыскании положения эпицентра землетрясения.
Перспективным оказался вывод Б.Б. Голицына [1960, с. 268-364] о возможности определения времени пробега сейсмических волн на основании результатов измерений угла выхода сейсмической радиации. Производная годографа продольных волн определяется через кажущийся угол выхода и величину скорости распространения поперечных волн у поверхности оболочки Земли. Т.о., времена пробега сейсмических продольных волн определяются путем интегрирования функции угла выхода. Значение скорости распространения поперечных волн Б.Б. Голицын определял из наблюдений. В результате таких вычислений, выполненных им, получился годограф, который во многом совпадает с годографами, построенными в 1940-е гг. уже на совершенно новой эмпирической и экспериментальной основе.
Таблицы времен пробега Р и S волн в диапазоне от 00 до 1800 и для глубин до 700 км были составлены в начале 1950-х гг. К. Булленом и Г. Джеффрисом [Рихтер, 1963, с. 617-632]. Годограф Джеффриса-Буллена, используемый в настоящее время станциями мира, приведен на рис. 4.3.
Т, мин
∆ , Град.
Рис. 4.3. Годографы Джеффриса-Буллена
122