XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Землетрясения и высокочувствительный лазерный детектор колебаний почвы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. ВВЕДЕНИЕ
Землетрясения – одно из проявлений геологической жизни Земли. Это – «пульс» нашей планеты, а для людей – одна из страшных природных катастроф. Автор работы проживает в сейсмически опасном районе и знает, что данная тема всегда будет очень актуальна. Её практическая значимость обусловлена тем, что проблемы, связанные с землетрясениями далеки от своего разрешения. Сейсмографы улавливают более 100 000 землетрясений в год.
Цель данной работы – включиться в сложный и важный процесс по конструированию приборов, позволяющих регистрировать землетрясения и их возможные предвестники. Задачи работы – рассмотреть причины этого грозного природного явления, а также изучить способы его регистрации и перспективы прогнозирования, с целью создания аппаратуры, предназначенной для фиксирования землетрясений и его возможных предвестников для того, чтобы можно было вовремя оповещать людей о возможной опасности.
Объект исследования – геофизические процессы, предшествующие и сопровождающие землетрясения. Предмет исследования – возможность регистрации таких процессов с помощью специальной аппаратуры.
Проблема исследования – разработка моделей приборов, способных регистрировать колебания поверхностей, а также фиксировать проявления возможных электромагнитных предвестников землетрясений, используя разнообразные физические принципы, включая компьютерную обработку данных, с целью выявления наиболее удачных конструкций.
Новизна работы: изготовление приборов для регистрации колебаний поверхностей, в основе действия которых лежит использование явления электромагнитной индукции.
Использованная литература: учебники соответствующего профиля [1, 2] и журналы «Вестник Владикавказского научного центра» и «Геология и геофизика Юга России».
2. СВЕДЕНИЯ ИЗ СЕЙСМОЛОГИИ.
2.1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ УСЛОВИЙ ДЛЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Землетрясение (рис. 1) это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения (рис. 2). То есть происходят подземные толчки и колебания земной поверхности. Эти катаклизмы отражают процесс геологического преобразования нашей планеты. Первопричиной землетрясений являются глобальные геологические и тектонические силы, но их причина полностью не установлена. Есть мнение, что данные силы возникают из-за перепада температур в недрах планеты. В основном землетрясения возникают на окраинах тектонических плит. Так за последние два века сильные землетрясения возникли в результате вспарывания крупныхразломов, выходящих на поверхность.
Тектонические плиты представляют собой огромные куски литосферы неправильной формы, которые состоят из коры и самого верхнего слоя мантии. Геологи классифицировали плиты как крупные, мелкие и микроплиты. Основныхтектоническихплит восемь: Тихоокеанская, Североамериканская, Южноамериканская, Евразийская, Африканская, Антарктическая, Австралийская и Индийская плиты.
Магнитуда(отлатинского magnitudo «важность, значительность») — величина, характеризующая энергию, выделившуюся при землетрясении в виде сейсмических волн. В 1935 году шкалу предложил американский сейсмолог Чарльз Рихтер. Шкала названа в его честь. Она содержит условные единицы (от 1 до 9,5) — магнитуды, которые вычисляются по колебаниям, регистрируемым сейсмографами. Данную шкалу часто путают со шкалой интенсивности землетрясения в баллах (по 7 или 12-балльной системе), которая основана на внешних проявлениях подземного толчка (воздействие на людей, предметы, строения, природные объекты). Когда происходит землетрясение, то сначала становится известной именно его магнитуда, которая определяется по сейсмограммам, а не интенсивность, которая становится известной только после получения информации о последствиях [3].
За год на нашей планете происходит примерно:
1 землетрясение с магнитудой 8,0 и выше.
Известны три типа упругих волн (рис. 3): объемные продольные (Р- волны – «primery» – первоначальная) и поперечные (S-волны – «secondary»–вторичная), а также поверхностные волны. Продольные волны – это чередование зон сжатия и растяжения. Часть энергии Р- волн, выходя из земли, передается в атмосферу в виде звуковых волн (частота колебаний ν=15 Гц). Другой тип − поверхностные сейсмические волны. Они подобно ряби на глади озера. Различают поверхностные волны Лява и волны Рэлея [4].
Для объяснения механизма землетрясений, обусловленных движением литосферных плит, существуют различные модели, объясняющие снятие механических напряжений [6]. Более 85% землетрясений происходит в условиях сжатия, а 15% — растяжения. Поддвигание мобильной Малоазиатской микроплиты под более стабильную Скифскую (скорость υ≈3,5 см/год) приводит к вздыманию горных систем Кавказа. Рачинское землетрясение 1991 года и космические нивелировки показывают интенсивное поднятие Грузинской глыбы и её поддвигание под складчатые структуры Южного склона и Главного водораздела [4]. В зависимости от свойств грунта во Владикавказе возможны землетрясения до 9-10 баллов с ориентировочной повторяемостью 1 раз в 1000 лет на площади 1000 кв. км [5-9]. Для территории нашей страны карта возможных землетрясений и их предполагаемая максимальная магнитуда – рис. 4.
2.2. РЕГИСТРАЦИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения, регистрируются сейсмографами. Seismós – греч. колебание, землетрясение. Часть прибора, которая записывает сейсмограмму, называется сейсмометром и состоит из маятника, на пружине. Запись осуществляется на вращающемся барабане пером или на магнитной ленте с помощью электромагнитной системы, преобразующей колебания в ток, или световым лучом на фотобумаге. Сейсмограммы фиксируют время прихода различных волн Р, S, L и R. По характеру записи судят о местонахождении гипоцентра, о плотности пород и т. д. Нужны 3 сейсмометра, чтобы фиксировать перемещение грунта в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Рис. 5. В электродинамических сейсмографах колебания воспринимает корпус прибора: В силу явления инерции катушка в приборе двигается с отставанием от корпуса и в ней индуцируется ток. Для объёмных волн сжатия (продольные волны) в жидкой среде (на море и др.) применяются пьезоэлектрические сейсмографы [2]. В них напряжение на выходе устройства зависит от давления, оказываемого средой на чувствительный кристалл пьезокварца.
2.3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Ученые учитывают движение литосферных плит. Существуют также и антропогенные факторы, влияющие на возникновение условий для землетрясений.
Прогнозирование включает в себя как выявление предвестников землетрясений, так и сейсмическое районирование (Владикавказ, 1969 г.), т.е. выделение областей, в которых можно ожидать землетрясение определённой магнитуды [11]. При этом следует сказать, что на карте из атласа сейсмического районирования (рис. 4), в условных цветах для Владикавказа ожидаемая интенсивность может достигать 9 баллов. Сведения о сейсмических станциях можно рассмотреть по интернету [22]. В 2020 г. в Северной Осетии зарегистрировано 186 землетрясений с Кр=3.9—11.2, что в два раза больше, чем в предыдущем году.
Предвестников землетрясений достаточно много [12]:
1). Сейсмические. По мере накопления напряжений уменьшается период затухания колебаний после прохождения волн [13].
2). Геофизические. Точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью деформографов указывают, что перед землетрясением скорость деформаций резко возрастает [14]. Радиолокационные спутники InSAR, работая в паре, получают карты подвижек земной поверхности [15].
Любое изменение напряженно-деформированного состояния земной коры сказывается на электрическом сопротивлении горных пород, а также на изменениях магнитного поля, обусловленного магнитными минералами. Отсюда следует существование электромагнитных предвестников. А.А. Воробьёв высказал идею о том, что под Землёй должны быть электромагнитные поля, связанные с процессами в недрах Земли. Рис. 6 [14].
Наблюдения ведутся за изменениями атмосферного электрического потенциала, электротеллурического(поле слабых естественных токов верхних слоев земной коры) и геомагнитного полей, естественного импульсного электромагнитного поля [13].
3) Ионосферные. В результате исследований установлено, что перед сильным землетрясением ширина волновода «земля – ионосфера» изменяется: его верхняя стенка (ионосфера) опускается. Также образуется область с повышенной или пониженной концентрацией заряженных частиц.
Другие примеры: шум в телефонах, запах озона во время землетрясения и случаи воздействия электричества на людей и животных.
Выводы: 1. Область дополнительной ионизации может создать вторичное широкополосное радиоизлучение и световые эффекты, а также исказить распространение радиоволн. 2. Пульсирующий на земле источник может вызвать резонанс колебательного контура «Земля – ионосфера». 3. Область ионосферных возмущений может смещаться на 500-1000 км, то есть среда выбирает слабое место. 4.Для повышения достоверности прогноза надо учитывать энергонасыщенность горной среды и др. [10,12].
4). Гидродинамические. Сжатие пород повышает уровень подземных вод и, следовательно, уровень воды в скважинах и колодцах.
5). Геохимические: а). Уровень радона меняется; б). Диффузия лёгких газов из недр Земли и состояние образующихся при этом структур позволяют прогнозировать возможность сильного землетрясения с точностью до одних суток, но по обширной территории [10].
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ: В спорах о принципиальной возможности предсказания землетрясений пока никто из сторонников или противников по этому поводу не получил аргументированной и однозначной победы. Сценарии нарастающих в глубине Земли катастроф зависят от столь большого числа факторов, что полный анализ всегда затруднён. Поэтому хуже всего дело обстоит с краткосрочными (дни, часы) прогнозами, а среднесрочный (годы, месяцы) и долгосрочный (десятки лет) прогнозы имеют вероятность 0,7 - 0,8. При этом регистрировались не только колебания земной поверхности, но также измерялись уровень, температура и химический состав воды в скважинах, скорости движения земной поверхности, аномалии гравитационного и геомагнитного полей, проводился мониторинг атмосферных, ионосферных и геоэлектрических явлений. Но пока не удалось получить эффективный и экономически оправданный прогноз землетрясений, при котором предотвращённые потери обязательно превосходили бы ущерб от ложных тревог.
Важную роль играет также изостатическая тектоника, когда при разрушении гор для восстановления равновесия идёт «засасывание» размягчённого вещества астеносферы. Пример изостатики: хребты Кавказа поднимаются, а Индоло-Кубанская зона прогибается [18].
В земной коре существуют направления (каналы) распространения сейсмических волн (волноводы). И бывают искусственные (наведенные) землетрясения, спровоцированные крупномасштабными земляными работами и далекими землетрясениями, а также взрывами [15, с.98].
Новые спутниковые технологии позволяют отслеживать деформации земной поверхности, изменения температуры почв при выбросах глубинных флюидов, изменения в свойствах ионосферы, связанные с подготовкой и реализацией сильных землетрясений.
3.АВТОРСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРОВ
ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
3.1. Явление электромагнитной индукции
В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.
Явление было открыто Майклом Фарадеем 29 августа 1831 г.
Первоначально была открыта индукция в неподвижных проводниках при замыкании и размыкании цепи. Далее Фарадей увидел, что ток возникает и при перемещении катушек относительно друг друга. Индукционный ток можно получить также при использовании постоянного магнита, перемещая его так, чтобы число линий магнитной индукции через катушку менялось.
Зависимость возникающей электродвижущей силы ε ί от числа витков n в катушке и скорости изменения магнитного потока ΔФ∕Δt через неё (то есть изменения числа линий магнитной индукции) выражается законом электромагнитной индукции:
ε ί = - n Δ Ф∕ Δt [1].
3.2. Приборы для регистрации колебаний, работающие на основе явления электромагнитной индукции
Предварительная модель
Устройство: дроссельная катушка и миллиамперметр; на подвесе маятник-магнит. При колебаниях магнита в катушке появляется ток. Рис. 7.
Результаты исследований: нужна катушка с большим числом витков, больше площадь витков, магнит сильнее, подвес - тонкая прочная нить или пружинка.
Модель №1
Устройство: дроссельные катушки и гальванометр М 10 32 (со световым «зайчиком»). Регистрируется индукционный ток. На подвесе маятник-магнит. При колебаниях магнита в катушке появляется ток. Рис. 8.
Результаты исследований: а) таблица 1; б) чувствительность выше; в) световой индикатор слабый.
Модель №2
Гальванометр модифицирован. Поставлена лампа увеличенной мощности (55 Вт). Рис. 9.
Результат модификации: а) так как расстояние от лампы до шкалы увеличено, то чувствительность прибора возросла в 5 раз; б) уже нет необходимости в сильном затемнении.
Модель №3
В качестве регистрирующей части использовался не гальванометр, а мультиметр ДТ9207А, где использовалась шкала вольтметра для переменного тока. Рис. 10.
Результаты: 1.Зарегистрированные значения с периодом в 0,5 с представлены в таблице № 2. 2. Инерционность выше.
Модель №4
Гальванометр модифицирован. Вместо лампы поставлена лазерная указка. Питание от сети через трансформатор. Рис. 11. Катушки могут применяться разные, в зависимости от решаемой задачи. Для демонстрации принципа работы прибора достаточно малой катушки.
Результат модификации: 1. Т.к. применяется лазер, чувствительность прибора возросла. Рис. 12. При расстоянии до шкалы 1,5 м отклонение луча до 1,5 м в каждую сторону от положения равновесия с малой катушкой. Затемнение не нужно. 2. При расстоянии 7 м чувствительность возрастает, но необходимо небольшое затемнение.
Выводы: 1. Колебания в верхней части здания несколько больше, чем в нижней части. 2. Так как приборы использовались в зданиях, находящихся в непосредственной близости от дороги, то на показаниях сказывалось также время суток (движение транспорта). 3. При использовании приборов вдали от транспортных потоков, показания уменьшались как по частоте, так и по амплитуде колебаний, вплоть до почти полного исчезновения показаний.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выбранная тема очень актуальна для сейсмически активной местности, каковой является Северная Осетия. Здесь следует учитывать антропогенный фактор влияния на сейсмические процессы при ведении хозяйственной деятельности. Иначе можно создать экологические проблемы. Автор изучает литературу по выбранному вопросу, в частности «Вестник Владикавказского научного центра РАН» и «Геология и геофизика Юга России», а также старается творчески подойти к своему исследованию, то есть разрабатывает конструкции приборов, необходимых для регистрации землетрясений и их возможных предвестников. В основе действия приборов лежит явление электромагнитной индукции.
5. Список использованных источников и литературы
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10–11. М.: Просвещение, 2020.
2. Ишлинский А. Ю. Политехнический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1989.
3. Землетрясения – URL: http://www ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 14.11.2019).
4. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Землетрясения: причины, последствия, прогноз. // Cоросовский образовательный журнал. 1998. № 12.
5. Бондырев И.В., Заалишвили В.Б. Опасность активации геодинамических процессов на Северном Кавказе // Вестник Владикавказского научного центра РАН. 2003. №3. С. 39-46.
6. Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Габараев А.Ф. Оценка сейсмической опасности территории и построение вероятностных карт // Геология и геофизика Юга России. 2011. No 1. С. 48‑58.
7. Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Макиев В.Д. Макросейсмическое проявление сейсмических событий, обусловленное влиянием грунтовых условий и формирование карт сейсмического микрорайонирования // Геология и Геофизика Юга России. 2018.Том 8. № 1. С. 48-55.
8. Заалишвили В.Б. Сейсмическое микрорайонирование территорий городов, населенных пунктов и строительных площадок. М.:Наука. 2009. 350 с.
9. Заалишвили В.Б. Введение в инженерную сейсмологию // ЦГИ ВНЦ РАН и РСО-А. Владикавказ. 2009. 240с.
10. Пущаровский Д.Ю. Состав и строение мантии Земли // СОЖ. 1998. №11.
11. Заалишвили В.Б. Современные принципы сейсмического микрорайонирования // Вестник Владикавказского научного центра РАН. 2002. №4. С. 19-35
12. Хаин В.Е. Силы, создавшие неповторимый облик нашей планеты // СОЖ. 1998. № 11.
13. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л. Электромагнитные предвестники землетрясений // Земля и Вселенная. 1987. №1. С. 16.
14. Новости: исследование природы землетрясений // Физ. в школе. 2003.№3.
15.Родкин М. Прогноз непредсказуемых катастроф // Вокруг света. 2008. №6.
16. Хегай В.В. Возможные ионосферные предвестники // Земля и Вселенная. 1990. №4. С.17.
17. Маркин В.А. Картография природных катастроф // Земля и Вселенная. 2006. №4. С.3-11.
18. Пономарев В.С. Излучение Солнца и тектоника Земли // Земля и Вселенная. 1990. №4.
19. Виноградов Ю. Регистратор колебаний поверхности // Радио. 2004. №12.
20. Чикурова М.В. и др. Интегрированный урок-конференция «Магнитное поле Земли и других планет» // Физика в школе. 2003. №7. С. 34.
21. Птичий компас // Популярная механика. 2008. №7. С.22.
22. USGS https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards/earthquakes.
6. ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Последствия землетрясения Рис. 2. Очаг землетрясения
Рис. 3. Волны: продольная , поперечная, Лява и Релея
Рис. 4. Прогнозирование землетрясений
Рис. 5. Сейсмографы
Рис. 6.Механоэлектрические процессы:
Рис. 7. Предварительная модель
Рис. 8. Модель №1
Таблица 1. Регистрация колебаний
-
школа
д ом
День 15:00
Ночь 21:00 День 16:00
4 этаж
1 этаж
3 этаж
право
лево
право
лево
право
лево
право
лево
0,2
0,5
0,1
0,2
0,4
0,4
0,2
0,1
0,1
0,1
0,3
0,3
0,2
0,3
0,6
0,2
0,1
0,1
0,05
0,1
0,05
0,1
0,2
0,1
0,2
0,1
0,2
0,3
0,1
0,5
0,2
0,05
0,1
0,1
0,3
0,05
0,1
0,05
0,4
Рис. 9. Модель № 2 Рис. 10. Модель № 3
Таблица 2. Регистрация колебаний
|
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
ЭДС, мВ |
10,7 |
9,5 |
9,8 |
11,6 |
19,6 |
14,3 |
17,3 |
10 |
14,1 |
31 |
20 |
12.5 |
16,8 |
16,6 |
Рис. 11. Модель № 4
Рис. 12. Регистрация колебаний