При возникновении колебаний маятник приходил в движение и тяга, соединенная с обращенной в сторону, откуда пришли колебания головой, открывала её пасть. Шар из головы дракона падал в рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор Чжан Хэна не записывал сейсмические колебания, а позволял лишь обнаруживать факт землетрясения и определять примерное направление на него.
Модель сейсмоскопа Чжан Хэна на выставке в Окленде (Wikipedia, Kowloonese, GNU FDR).
Благодаря прибору в столице Китая того времени Луяне о разрушительном землетрясении 134 года, произошедшего в уезде Лунси (600 километров к северу от города), узнали на два-три дня раньше прибытия оттуда гонцов. С этих пор за показаниями прибора наблюдал специальный служащий в течение последующих почти четырёх столетий.
В Европе приборы для регистрации землетрясений появляются лишь в начале XVIII века. В 1703 году во Франции Отфёй изобретает сейсмоскоп. Он представлял собой наполненный ртутью сосуд с восемью радиально расположенными отверстиями. Сейсмический толчок выплескивал из одного из отверстий ртуть, и по ее количеству можно было оценить силу колебаний. Схожее устройство в 1787 году построил итальянец Атанасио Ковалли.
Прибор для обнаружения землетрясений Атанасия Ковалли, 1787 год (из архива автора).
В конце XIX века изобретаются первые приборы для записи сейсмических колебаний в виде временной диаграммы. Их главной частью был вертикальный или горизонтальный маятник. Поскольку из-за инерции тело маятника стремится сохранить состояние покоя то, прикрепив к маятнику иглу или перо, можно записать траекторию его движений относительно закрепленного на грунте основания.
Для большей чувствительности маятники первых сейсмографов делались очень тяжелыми весом в сотни килограмм. Так, на сейсмической станции в Геттингене использовался вертикальный сейсмограф Вихерта с маятником более одной тонны. Он позволял увеличивать, т.е. во сколько раз мог усиливать сейсмические колебания, в две тысячи раз. Отметим, современные приборы обладают увеличением в миллионы, и способны записывать очень слабые колебания почвы.
В Страсбурге механик Роберт Бош приступил к постройке сейсмографов, идея которых была предложена японским сейсмологом и вулканологом Фусакити Омори. Созданные Бошем приборы устанавливались почти на всех сейсмических станциях Европы. На другой стороне Ла-Манша – в Англии, на станциях устанавливались приборы системы Джона Мильна.
Прибор для фиксации землетрясений Николы Кассиоторы, 1818 год (из архива автора).
Многие приборы прошлого стали музейными экспонатами. Это сейсмографы систем Вихерта, Майника, Цельнера и Шлютера. Сейсмометры системы Голицына, Кирноса, УАР, УСФ, ВЭГИК, СМ-3 и С5С. Сейсмоскопы с механической записью (МТР), сейсмоскоп Медведева (СБМ) с записью на закопченную стеклянную пластину и многие другие. Они носили имена своих создателей, которые были не только изобретателями инструментов, но и первопроходцами в изучении землетрясений.
Самой лучшей системой начала XX века для записи сейсмических колебаний стала гальванометрическая с фотографической регистрацией. Она была изобретена одним из основоположников сейсмологии академиком Борис Борисовичем Голицыным. Это был выдающийся ученый и экспериментатор. Автор многих теоретических и экспериментальных работ по физике, геофизике, сейсмологии и метеорологии Голицын не только организовал первую сейсмическую сеть России, но стоял и у истоков создания ее метеорологической службы.
Сейсмограф Вихерта для записи сейсмических колебаний (из архива автора).
Создано много типов приборов для регистрации колебаний почвы и все они используют принцип инерции – свойства физического тела сохранять первоначальное состояние покоя или равномерного движения. Различаются только способы преобразования механических колебаний в удобную для анализа форму. Это механическая запись на закопченную бумагу или стекло. Гальванометрическая запись на фотобумагу или фотопленку. Электронная запись на магнитные носители информации. Значительный прогресс в изучение землетрясений внесли цифровые технологии позволившие обрабатывать сейсмические данные почти в реальном масштабе времени.
Повышение точности приборов позволило изучить тонкую структуру колебаний вызванных землетрясениями – сейсмограмм. Оказалось, что в них присутствуют колебания различного типа – фаз волн, которые отличаются по частоте и амплитуде. Основные фазы колебаний получили название P, S и L – это первые вступления объёмных продольных, поперечных и поверхностных волн.
Продольные волны (Р-волны) или волны сжатия заставляют частицы среды колебаться подобно спиральной пружине. Они вызывают колебания вдоль направления распространения волны, путем чередования участков сжатия и разрежения. Благодаря этому свойству P-волны способны распространятся почти в любых средах. У дневной поверхности в среднем скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на большой глубине около 13 км/с.
Поперечные сейсмические волны (S-волны) или волны сдвига заставляют частицы среды колебаться перпендикулярно направлению распространения волны (подобно вибрирующей гитарной струне). S-волны распространяются только через обладающий упругостью материал, поэтому они не в состоянии проходить через «жидкое» внешнее ядро Земли, жидкие и газообразные среды. Их скорость зависит от сопротивления материала среды сдвигу, и составляет примерно 7/12 от скорости Р-волн.
Из-за неоднородности недр на сейсмограмме отражается широкий спектр сейсмических волн разного типа. Помимо P и S волн к основным относятся т.н. поверхностные волны Рэлея и Лява (R и L). Они названы по именам ученых разработавших математическую теорию их распространения.
При прохождении волн Рэлея частицы среды описывают вертикальные эллипсы вдоль направления распространения. В поверхностных волнах Лява частицы среды колеблются перпендикулярно направлению своего распространения. Эти типы волн распространяются по земной поверхности подобно волнам в водоемах со скоростью 3,2 – 4,4 км/с.
Из-за того, что Р-волны вблизи от очага землетрясения имеют большую скорость, чем S-волны они регистрируются первыми, отсюда их наименование «Primary». Поперечные S-волны распространяются с меньшей скоростью и приходят следом за P-волнами. Соответственно их назвали вторичными волнами «Secondary». Чем дальше от очага землетрясения расположена сейсмическая станция, тем больший интервал времени между моментами вступления на сейсмограмме P и S волн. Это свойство используется для определения дистанции от станции до очага землетрясения.
На больших удалениях от источника волновая картина значительно меняется из-за неоднородности земных недр. Для её расшифровки в этом случае используются специальные годографы времён пробега типов волн. Один из первых широко использовавшихся годографов получил название по имени его создателей англичанина Сэра Гарольда Джеффриса и австралийца Кита Эдварда Буллена. Буллен также построил одну из первых сейсмических моделей внутреннего строения Земли.
Сейсмические волны проходят внутри земного шара в местах недоступных для прямых измерений. Все, что они встречают на пути, формирует их структуру, и отражается на сейсмограммах. Их анализ позволяет получить представление о том, как распространялись сейсмические волны и изучать строение земных недр.
Интересен сам по себе факт открытия сейсмических волн. Теоретически существование в твердых телах объёмных Р и S волн предсказано в 1829 году Пуассоном, но до 1900 года сейсмологам не удавалось их однозначно распознавать на сейсмограммах. Многие исследователи принимали поверхностные волны Релея за вступления S-волн и приходили к ошибочным результатам.
Проблема была решена в 1899 году Ричардом Диксоном Олдхэмом сумевшего в записях Ассамского землетрясения 1897 года выделить истинные вступления S-волн. Это позволило уже к 1914 году составить общую картину строения планеты и её скоростного разреза. Выдающийся вклад в решение этой задачи внесли такие ученые как Олгрем, Цепринтц, Мохорович, Гуттенберг, Вихерт, Джеффрис, Буллен, Лапвуд и другие.
Джеффрис одним из первых рассчитал кривую времен пробега сейсмических волн (годограф) в зависимости от строения Земли. Это позволило по записям колебаний на сейсмограмме точно определять место и время возникновения землетрясений. Для этого было достаточно измерить моменты вступления Р и S волн на станции и по интервалу времени между ними с использованием годографа рассчитать дистанцию (эпицентральное расстояние) между станцией, где получена запись и эпицентром землетрясения. Сопоставляя полученные расстояния по нескольким станциями можно точно определить место и время возникновения землетрясения или, как его называют сейсмологи время в очаге (t0).
