دانلود مقاله لرزه نگاری

بخشی از مقاله

لرزه نگاري
زمين لرزه عبارت از لرزشهاي قابل اندازه گيري سطح زمين است که توسط امواج حاصل از رها شدن ناگهاني انرژي در درون زمين بوجود مي‌آيد. آثار سطحي زمين لرزه ممکن است به صورت صدمه به سازه‌ها ، گسلش و حرکت پوسته ، نشست زمين و آبگونگي ، گسيختگي دامنه‌ها در خشکي و دريا و سرانجام ايجاد امواج در محيطهاي آبي باشد. علمي که به بررسي زمين لرزه و پديده‌هاي مربوط به آن مي‌پردازد لرزه شناسي يا لرزه نگاري (Seismology) نام دارد.

تاريخچه
علاقه بشر به لرزه شناسي سابقه طولاني دارد، به نحوي که در بعضي از کشورها داده‌هاي مربوط به زمين لرزه‌ها از زمانهاي دور ضبط شده است. به عنوان مثال چينيها سابقه زمين لرزه‌هاي تا 2 هزار سال پيش خود را در دست دارند. اينگونه سوابق عمدتا متکي بر مشاهدات و شرح وقايع است.
نخستين داده‌هاي علمي درباره زمين لرزه‌ها از اواخر قرن 18 ، که اولين لرزه نگارها درست شدند، در دست است. در کشور ما اولين فعاليتهاي مربوط به ثبت اطلاعات مربوط به زمين لرزه‌ها از سال 1336 و با افتتاح اولين ايستگاه لرزه نگاري در شيراز آغاز شد. در سال 1339 نيز موسسه ژئوفيزيک دانشگاه تهران آغاز به کار کرد.

ايستگاه لرزه نگاري
يک ايستگاه لرزه نگاري داراي چندين دسته دستگاه و هر دسته داراي 3 لرزه نگار است. توصيف دقيق دامنه حرکت زمين محتاج اندازه گيري لرزشها در سه مولفه عمود بر هم (قائم - شرقي - غربي و شمالي - جنوبي) است. علاوه بر آن نياز به دستگاههايي داريم که براي محدوده‌هاي متفاوتي از زمان تناوب طراحي شده باشند. زيرا هيچ دستگاهي به تنهايي نمي‌تواند کل محدوده حساسيت مورد نياز را ثبت نمايد (معمولا يک دسته از دستگاهها به زمان تناوب 0.2 تا 2 ثانيه حساس بوده و دسته ديگر به زمان تناوب 15 الي 100 ثانيه حساس اند).

ايستگاههاي لرزه نگاري درجه يک ايران (شش مولفه‌اي) در شهرهاي شيراز ، مشهد ، تبريز و تهران قرار گرفته‌اند که زير نظر موسسه ژئوفيزيک دانشگاه تهران اداره مي‌شوند. علاوه بر اينها ايستگاههايي در کرمانشاه ، بيرجند و کرمان نيز تاسيس شده و چند ايستگاه نيز در حال راه اندازي است. علاوه بر موسسه ژئوفيزيک برخي از دانشگاهها و سازمان انرژي اتمي ايران نيز در ثبت و گردآوري داده‌هاي لرزه خيزي فعاليت دارند.

ثبت امواج
ثبت و ضبط دامنه امواج زلزله توسط لرزه نگاره (Seismograph) صورت مي‌گيرد. بخشي از اين دستگاه که موج را دريافت مي‌کند لرزه سنج نام داشته و در داخل سنگ نصب مي‌شود. اين قسمت منتهي به يک آونگ است. در زمان لرزش زمين پايه دستگاه حرکت مي‌کند، در حالي که آونگ ثابت باقي مي‌ماند و به اين ترتيب حرکت نسبي زمين نسبت به آونگ سنجيده مي‌شود. در دستگاههاي جديدتر ، ثبت حرکات به صورت الکتريکي - مکانيکي صورت گرفته و در نوار مغناطيسي ثبت مي‌شود. در اين دستگاهها ثبت لرزشها بطور مداوم صورت مي‌گيرد.

لرزه نگاشت
اوراق حاوي نتايج ثبت شده دامنه حرکات زمين لرزه نگاشت نام دارد. لرزه نگاشتها اغلب صفحات سياه و دود اندودي‌اند که آثار حرکت سوزن به صورت خطوط سفيدي به روي آنها ثبت شده است. بزرگي يک زمين لرزه را مي‌توان از روي بزرگترين دامنه ثبت شده در لرزه نگاشت تعيين کرد. فاصله بين مرکز زمين لرزه و لرزه نگار با توجه به زمان ورود امواج P و S و L تعيين مي‌شود و با مقايسه نتايج حاصل از چند ايستگاه محل منشا گرفتن امواج مشخص مي‌شود.
لرزه نگارها حساس تر از آنند که بتوانند اطلاعاتي که مستقيما قابل استفاده در طراحي زلزله است، بدست دهند. در نتيجه زمين لرزه‌هاي شديدي که نزديک يک لرزه نگار عادي به وقوع مي‌پيوندد باعث خارج شدن قلم ثبات از مقياس و حتي صدمه به خود دستگاه مي‌شود. از طرفي براي حذف اثرات محلي خاکها يا ساخت سنگي تضعيف شده ، معمولا لرزه نگارها در سنگ بستر قرار داده مي‌شوند. از اينرو نتايج ثبت شده نمي‌تواند اطلاعاتي در مورد اينگونه مصالح بدست دهند.

شتاب نگار (شتاب سنج- لرزه نگار)
نوعي از لرزه نگارها که براي تعيين حرکت شديد زمين بکار مي‌روند شتاب نگار يا شتاب سنج نام دارند. هدف از استفاده از شتاب نگار حرکات شديد ، دستيابي به نحوه پاسخ زمين در ناحيه‌اي است که طراحي ديناميکي سازه‌ها مورد نظر است. اين دستگاه سه مولفه شتاب مطلق زمين را براي مدت زماني از 0.1 تا 3 يا 4 و حتي 10 ثانيه ثبت مي‌کند. شتاب نگارها بطور دائم کار نمي‌کنند بلکه به گونه‌اي طراحي شده‌اند که پس از آنکه تحت تاثير يک حرکت افقي کوچک قرار گرفتند آغاز به کار کنند

محل استقرار اغلب شتاب نگارها ، سطح زمين (و نه الزاما سنگ بستر) است. از اينرو تعيين رابطه بين داده‌هاي مربوط به محلهاي مختلف مشکل است، مگر آنکه شرايط سطحي در هر محل شناخته شده باشد. شتاب نگاشتها شتاب زمين را ثبت مي‌کنند. در کشور ما شتاب نگارهايي در محل سدها و سازه‌هايي پراهميت ديگر نصب شده است. اين شتاب نگارها عمدتا توسط مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن وزارت مسکن و شهرسازي نصب و قرائت مي‌شوند.
سازمان انرژي اتمي ايران و چند موسسه ديگر نيز شتاب نگارهايي را در برخي نقاط مورد نظر نصب کرده‌اند. تحت پوشش قرار دادن يک ناحيه بطور کامل مستلزم نصب شبکه‌اي از شتاب نگارها در نقاط با شرايط زمين شناسي متفاوت است. اين دستگاهها معمولا تا شعاع 50 کيلومتري مرکز يک زمين لرزه حساسيت خود را حفظ مي‌کنند.

لرزه نما (Seismoscopes)
امروزه علاوه بر لرزه نگار و شتاب نگار ، دستگاههايي به نام لرزه نما نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد. لرزه نماها براي بازسازي تاثيرهاي حرکت زمين به روي سازه و بر حسب جابجايي در يک زمان معين و نه مقادير مولفه‌هاي حرکت زمين ، طراحي شده‌اند. لرزه نماها دستگاههايي به مراتب ارزانتر از شتاب نگار مي‌باشند.

کالب زني دستگاههاي لرزه نگاري
سيگنال هاي لرزه اي که در يک ايستگاه لرزه نگاري ثبت مي شوند با حرکت واقعي زمين تفاوت دارند. لرزه نگارها به استثناي لرزهنگارهاي فيدبکي که پاسخ دامنه و فاز تخت دارند، مانند يک فيلتر عمل مي کنند و محتواي سيگنال هاي لرزهاي را تغيير مي دهند. به همين دليل، عموماً ثابت ميرايي سيستم، نزديک ميرايي بحراني و برابر 0.7 انتخاب مي شود تا اين تغييرات حداقل باشد. قبل از تفسير سيگنال هاي ثبت شده بايد اثر پاسخ فرکانسي دستگاه را از روي داده ها حذف نمود

؛ زيرا، دامنه هاي حرکت زمين مورد توجهند نه دامنه هاي ثبت شده. بعلاوه، پاسخ فرکانسي دستگاه لرزه نگاري به علت فرسايش قطعات مکانيکي، الکتريکي و الکترونيکي با گذشت زمان تغيير مي کند و هدف کالب زني (Calibration) دستگاههاي لرزه نگاري، نظارت بر اين تغييرات و تعيين پاسخ فرکانسي سيستم در زمان کالب زني براي انجام عمل تصحيح دستگاهي با دقت لازم است و بايد به دو نکته توجه نمود: يکي آنکه اين تغييرات تا حد مجاز باشد و ديگر آنکه تصحيح دستگاهي براي هر واقعهء لرزه اي با کمک منحني پاسخ به دست آمده از عمل کالب زني در نزديکترين زمان به زمان ثبت آن واقعه انجام گيرد. در نتيجه، کالب زني لرزه سنجها در فواصل زماني مناسب از اهميت ويژه اي برخوردار است و عدم توجه به آن خطاهاي قابل توجهي را در تحليل امواج ثبت شده وارد خواهد کرد.

به طور کلي، بزرگنمايي يا پاسخ دامنهء لرزه سنجها با اعمال يک جا به جايي يا نيروي شناخته شده به جرم لرزه سنج و تحليل خروجي روي نگاشت تعيين مي شود. حرکت نشان داده شده روي نگاشتهاي لرزه اي فقط به دليل بزرگنمايي متفاوت در فرکانسهاي مختلف با حرکت واقعي زمين تفاوت ندارد، بلکه يک تغيير فاز بين عمل ثبت و حرکت زمين وجود دارد که به خواص لرزه نگار (دوره آزاد و ميرايي) بستگي دارد. دانش دقيق پاسخ فرکانسي لرزه نگار شامل پاسخ دامنه و پاسخ فاز، محاسبهء حرکت واقعي زمين را امکان پذير مي سازد.
http://www.iiees.ac.ir/publication/Pajooheshnameh/ab_yaminifard_win_76.html

لرزه نگار
بطور کلي ، لرزه نگار دستگاهي است که نوسانات زميني ناشي از ورود امواج لرزه‌اي را (به صورت تابع پيوسته‌اي از زمان) مانيتور يا در يک شکل خاص ، همراه با علائم بسيار دقيق زماني ثبت مي‌کند. محصول ثبت حرکات زمين لرزه ، نگاشت نام دارد. نقش لرزه نگارها در لرزه شناسي مشابه دستگاههاي اشعه ايکس در پزشکي و تلسکوپها در نجوم است. آنها اعماق غيرقابل دسترس زميني را براي تجسسات دقيق « قابل ديد» و قابل دسترسي مي‌سازند.

تاريخچه
علي رغم اينکه زلزله‌ها از مدتها قبل به عنوان پديده‌هاي طبيعي توسط فلاسفه يونان باستان ، نظير ارسطو ( 384 تا 322 قبل از ميلاد) شناخته شده بودند. لرزه شناسي تنها بعد از اختراع و گسترش اولين لرزه‌ نگارهاي قابل اعتماد در اواخر قرن نوزدهم ، به عنوان شاخه‌اي از علوم طبيعي شکل گرفت.

طرز کار لرزه‌ نگار
بخش اصلي لرزه نگارهاي امروزي لرزه سنج است که انرژي امواج ورودي را به ولتاژ الکتريکي تبديل مي‌کند. اين دستگاه به صورت مبدل (گيرنده ، آشکار کننده) لرزه‌اي به الکتريکي عمل کرده و جابجايي ، سرعت و يا شتاب حرکت زميني را ثبت مي‌کند. هر لرزه‌ سنج معمولا در جهتي قرار داده مي‌شود که يکي از مولفه‌هاي ( شرقي - غربي - شمالي - جنوبي يا عمودي) حرکت زمين را بسنجد. پس براي اينکه شکل واقعي و کامل جنبش زمين ثبت شود، بسياري از پايگاهها از سه لرزه سنج که در سه جهت فوق قرار مي‌گيرند، استفاده مي‌کنند.

اجزاي لرزه نگار
هر لرزه نگار معمولا از سه بخش تشکيل شده که در زير به هر يک از آنها به اختصار مي‌پردازيم:
لرزه سنج
لرزه سنج‌ها قسمت اصلي يک لرزه نگار هستند که انرژي مکانيکي حاصل از امواج را به ولتاژ الکتريکي تبديل مي‌کنند و شامل انواع زير مي‌باشند.
• لرزه سنجهاي آونگي : در اين قبيل از لرزه سنجها ، از اصل آونگها استفاده شده است.

• لرزه سنجهاي غيرآونگي : اساس کار آنها آونگ نمي‌باشد مانند لرزه سنجهاي واتنشي و لرزه
• سنجهاي پيزو الکتريک.

واحد ثبت
ثبت امواج لرزه‌اي به راههاي مختلفي امکانپذير است که در زير به انواع آن اشاره مي‌کنيم.
• ثبت مکانيکي : لرزه نگارهاي قديمي ، نظير وشيرت يا مينکا، از يک روش ثبت مستقيم کاملا مکانيکي استفاده مي‌کنند که از آن يک اثر يا لرزه نگاشت از حرکت قلم جوهري روي کاغذ يا سوزن متصل به آونگ روي کاغذ دودي بوجود مي‌آيد.
• ثبت مکانيکي - نوري : بعضي از دستگاههاي قديمي ديگر ، نظير ميلند - شاو يا وود - آندرسون از روشهاي مکانيکي - نوري استفاده مي‌کند، بدين ترتيب که آينه نصب شده روي آونگ يا هر قسمت متحرک ديگر باريکه نوري را روي کاغذ عکاسي منعکس مي‌نمايد.

• ثبت الکترومگنتيک : دستگاههاي جديدتر از روشهاي ثبت الکترومگنتيک يا به مقدار کمتر ، الکترواستاتيک سود مي‌برند. در روش الکترومگنتيک ، يا در اثر جابجايي سيم پيچ در ميدان مغناطيسي ثابت ، جريان الکتريکي توليد مي‌شود يا در اثر تغييرات ميدان مغناطيسي احاطه شده توسط يک سيم پييچ. در هر دو حالت نيروي الکترومگنتيک القا شده با مشتق زماني جابجايي زميني متناسب است.
ساعت دقيق
جهت تعيين زمان ورود فازهاي ثبت شده مختلف ، وجود نشانه زماني دقيق روي لرزه نگاشت ضروري است. بسياري ازپايگاههاي لرزه نگاري مدرن ساعت خود را با تنظيم روزانه با علائم زماني راديويي که توسط سرويسهاي استاندارد جهاني اعلام زمان پخش مي‌شود در حد 1 تا 10 هزارم ثانيه حفظ مي‌کنند.

پايگاه زلزله نگاري
پايگاه يا ايستگاه زلزله نگاري محلي است که در آنجا ردگذر زمين لرزه يا به صورت نگارشي ويا به گونه ثبت مغناطيسي فراهم مي شود. پايگاه زلزله نگاري دست کم شامل يک دستگاه لرزه سنج مي باشد که در برگيرنده آونگ، ميراگر، تقويت کننده و يک دستگاه ثبات با زمان سنج دقيق است. در يک پايگاه زلزله نگاري علاوه بر دستگاههاي ياد شده ، تجهيزات کافي براي انبار کردن داده ها، ترسيم لرزه نگاشتها و پردازش داده ها نيز وجود دارد(شکل 19).

شکل (19): شمايي از تجهيزات يک پايگاه زلزله نگاري و مرکز پردازش.
لرزه سنج يک آونگ فيزيکي است که از يک جرم ( ممکن است براي ثبت زمين لرزه هاي نزديک 500 گرم باشد و براي ثبت زمين لرزه هاي دور حتي سه چهار کيلوگرم باشد) که به محوري وصل شده و با اصطکاک بسيار بسيار کم مي تواند نوسان کند، تشکيل شده است. کوچکترين تکان، اين جرم متحرک و متصل به محور را مدتها به نوسان درآورد. براي کنترل نوسان اين آونگ يک دستگاه ميراگر به آن اضافه شده است(شکل 20).

شکل (20): ساختمان ساده يک لرزه نگار شامل پايه، جرم، فنر، قلم و کاغذ.
اگر جرم اين آونگ را به صورت يک سيم پيچ بسيازيم و محور آن را بين آهنربايي قوي قرار دهيم، وقتي آونگ نوسان مي کند، با قطع ميدان مغناطيسي آهنربا جريان برق بسيار ضعيفي در سيم پيچ القا مي شود. اين جريان برق توسط دستگاه تقويت کننده بزرگ مي شود و سپس وارد يک دستگاه حساس به نام گالوانومتر مي شود و آنجا يک قلم را به لرزه درمي آورد. اگر لرزش قلم را به فيلم يا کاغذ منتقل نماييم، رد قلم بر فيلم يا کاغذ ثبت مي شود که به آن لرزه نگاشت مي گويند. اين مجموعه را که شامل لرزه سنج و دستگاه ثبت مي باشد را لرزه نگار مي نامند.