لرزه نگار

لرزه نگار یا به انگلیسی Seismograph ، دستگاهی است که به ارتعاشات حساس بوده و ارتعاشات  ناشی از زلزله ، انفجار یا هر پدیده دیگری در زمین را ثبت می کند. لرزه نگار در واقع دستگاهی برای اندازه گیری حرکت زمین بوده و از یک سنسور تشخیص ارتعاش به نام لرزه سنج ، همراه با یک سیستم ضبط برای نمایش ارتعاشات تشکیل شده است.

اگرچه دستگاههای لرزه سنج در ابتدا برای مکان یابی زلزله های طبیعی ساخته شده اند اما لرزه سنج کاربردهای دیگری مانند اکتشاف نفت ، بررسی حرکات پوسته زمین و لایه های زیرین زمین و نظارت بر فعالیت آتشفشانی نیز دارند. علم زلزله شناسی مبتنی بر ایده استفاده از حسگر برای تشخیص زمین لرزه و اندازه گیری بزرگی آن است. لرزه سنج همچنین بر اثرات یک زمین لرزه ، به عنوان مثال ، یک سونامی تمرکز دارد.

تاریخچه ساخت لرزه نگار

اگر بخواهیم در مورد اولین لرزه نگار تاریخ صحبت کنیم، باید گفت که سیموسکوپ، اولین ابزار لرزه نگاری بود. این ابزار توانایی ثبت نوسانات رخ داده زمین را نداشت اما نشان می داد که لرزشی رخ داده است. اما اولین لرزه سنج که قابلیت نشان دادن لرزش را داشت را یک دانشمند چینی در سال ۱۳۲ میلادی بنام ژانگ هنگ اختراع کرد.

لرزه نگار ژانگ هنگ به شکل یک استوانه بود که هشت عدد سر اژدها در اطراف محیط فوقانی آن قرار داشت که هر کدام در دهان خود یک توپ داشتند. از طرفی در اطراف دستگاه نیز هشت قورباغه قرار داشت که هر کدام از آنها مستقیماً در زیر سر هر یک از اژدها قرار گرفته بود. هنگام زمین لرزه این توپ‌ ها از دهان اژدها آزاد شده و توسط یک آونگ داخلی که مطابق جهت لرزش به عقب و جلو حرکت می‌کرد به درون دهان قورباغه انداخته میشد که باعث بوجود آمدن سر و صدا میشد.

بعد از لرزه نگار ژانگ هنگ، یک دانشمند ایتالیایی بنام لوئیجی پالمیری در سال ۱۸۵۵ لرزه نگار کاملتری را اختراع کرد. لرزه نگار پالمیری بدین شکل بود که از چندین لوله Uبصورت U  شکل که پر از جیوه بود، ساخته شده که جهت آن به سمت نقاط مختلف قطب نما بود. هنگام وقوع زمین لرزه ، حرکت جیوه موجب ایجاد یک تماس الکتریکی شده و حرکت ساعت را متوقف کرده و همزمان یک درام شروع به ثبت آن می کرد. بدین صورت با این دستگاه زمان وقوع زلزله ، شدت نسبی و طول مدت زمین لرزه مشخص می شد.

اما اولین و کاملترین لرزه نگار واقعی توسط یک فیزیکدان ایتالیایی بنام فیلیپوسکی در سال ۱۸۷۵ اختراع شد. لرزه نگار فیلیپوسکی نیز از آونگ استفاده کرده اما با این تفاوت که برای اولین بار یک دستگاه توانایی ثبت حرکت نسبی آونگ ها را با توجه به حرکات زمین به عنوان تابعی از زمان داشت. بعد از لرزه سنج فیلیپوسکی، لرزه نگارهای دیگری توسط تیم جان میلن ، جیمز آلفرد اوینگ و توماس گری در طی سالهای سال ۱۸۸۰ تا ۱۸۹۵ ساخته شد. از جمله معروفترین لرزه نگارهای ساخته شده در این دوره میتوان به لرزه نگار آونگ افقی معروف میلن (Miln) و لرزه نگار  Press-Ewing نام برد.

تفاوت لرزه سنج، لرزه نگار و لرزه نگاشت

ممکن است اسامی با عناوین لرزه سنج، لرزه نگار و یا لرزه نگاشت رو شنیده باشید و فکر کرده باشید که هر سه این موارد یکی هست اما، در حقیقت به قسمت داخلی لرزه‌نگار لرزه سنج گفته می شود که به شکل یک آونگ جرمی، روی یک فنر نصب شده است. بدین صورت که لرزه سنج یکی از بخش‌های داخلی لرزه نگار بوده که می‌تواند آونگ یا جرمی باشد که روی یک فنر قرار گرفته است. لازم بذکر است که دستگاه لرزه‌ نگار و لرزه سنج را در راستای یکدیگر استفاده می‌کنند اما لرزه نگاشت عهده دار ثبت اطلاعات مکانی است که در آن زمین لرزه اتفاق افتاده است.

نحوه عملکرد

با در نظر گرفتن اینکه یک آونگ معمولی بتواند در یک جهت چرخش داشته و نیز زمین در حالی که آونگ بدون حرکت است به سرعت در جهت آزادی آونگ حرکت کند آونگ تمایل دارد که به دلیل قانون اینرسی در جای خود باقی بماند. اگر نوسان زمین انجام داده و به عقب و جلو حرکت کند و اگر دوره حرکت زمین به اندازه کافی کوتاه‌ تر از دوره نوسان آزاد آونگ باشد آونگ عقب می‌ماند و حرکت زمین نسبت به آونگ می‌تواند ثبت شود و زمانی که مقدار دوره آونگ با زمان حرکت زمین به یکدیگر نزدیک باشند زلزله نگار تنها حرکت زمین را ثبت نمی‌کند.

از آنجاییکه زمین می‌تواند در سه جهت یعنی دو جهت افقی و یک جهت عمودی حرکت کند و نیز هر نوع حرکت باید جداگانه ثبت شود برای یک زلزله نگار کامل به سه آونگ که هر یک برای یک راستا استفاده می‌شود نیاز است و بدین شکل لرزه نگار حرکت نسبی آونگ و زمین را نسبت به هم ثبت می‌کند.

راههای متفاوتی برای ضبط حرکت یک آونگ وجود دارد. در روش مکانیکی که در گذشته استفاده میشده، یک ورق کاغذ دودی را دور یک طبل چرخان می پیچیدند و آن را طوری نصب میکردند که با زمین حرکت کند.

در نهایت قلم متحرک متصل به آونگ به آرامی روی کاغذ فشار آورده و درام چرخشی با هر دور کمی جابجا شده تا خطوط ثبت شده روی یکدیگر قرار نگیرند. درام بدون وقفه می‌چرخد و یک ورق کاغذ معمولاً برای ۲۴ ساعت کافی است. با وجود اینکه این روش ساده و اقتصادی بوده اما این لرزه نگار برای غلبه بر اصطکاک بین قلم و کاغذ لازم بوده و جرمی سنگین داشته باشد. در نتیجه برخی از لرزه نگارهای مکانیکی در حدود یک تن یا بیشتر وزن دارند.

در زلزله نگاری پیشرفته از روش نوری استفاده می‌شود که در آن حرکت آونگ باعث حرکت آینه شده و نور توسط آینه روی کاغذ حساس به نور که روی یک طبل پیچیده شده، منعکس شده که در نتیجه اصطکاک خاصی برای تأثیر بر آونگ وجود ندارد.

در روش الکترومغناطیسی که امروزه به طور فراوان مورد استفاده قرار می‌گیرد یک سیم پیچ به یک آونگ که در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند متصل بوده و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند. وقتی جریان به صورت الکترونیکی تقویت می‌شود می‌توان لرزش‌ های بسیار کوچک را نیز به صورت بزرگنمایی شده، مشاهده کرد، این حالت مانند این است که یک ذره‌بین در دست گرفته‌اید و می‌خواهید موجود بسیار کوچک را مشاهده کنید. در این حالت شما آن موجود را بزرگتر می‌بینید این موضوع دقیقاً در افزایش میدان الکتریکی و ثبت لرزه‌ها نیز رخ می‌دهد.

موارد کاربرد دستگاه های لرزه نگار

لرزه نگار نوسانات زمین را که ناشی از امواج لرزه‌ای هستند ثبت می‌کند. این امواج از نقطه مبدا خود در لایه‌های زیرین زمین یا در امتداد سطح آن گسترده می‌شوند.

لرزه نگاری در نزدیکی یک زلزله کوچک الگوی ساده‌ای دارد و امواج ورودی به دستگاه زلزله نگار را می‌توان با توجه به این الگو به سه دسته تقسیم کرد:

امواج P یا همان امواج طولی که در جهت انتشار ارتعاش می کنند، امواج S یا امواج عرضی یعنی امواجی که در سمت راست جهت انتشار ارتعاش می‌کنند و امواج سطحی یا امواج متراکم که بدون مولفه عمودی یا طولی هستند. در مورد زمین لرزه‌های دور یا زمین لرزه‌های بسیار بزرگ و نزدیک الگوی لرزه نگار بسیار پیچیده‌تر بوده زیرا در این حالت لرزه نگار انواع مختلفی از امواج لرزه‌ای را نشان می‌دهد که از یک یا چند نقطه سرچشمه می‌گیرند اما ممکن است قبل از رسیدن به لرزه‌ نگار در داخل پوسته زمین منعکس یا شکسته شوند.

اگر زمان رسیدن امواج مختلف لرزه‌ای بر روی یک لرزه نگار در یک ایستگاه خوانده شده و با منحنی‌های استاندارد فاصله زمانی مقایسه شود می‌توان فاصله کانونی زلزله از ایستگاه ضبط امواج را تعیین کرد. همچنین اگر فاصله کانونی حداقل از سه ایستگاه ضبط امواج مشخص باشد می‌توان منشاء زمین لرزه را با روش‌های مثلثاتی ساده محاسبه کرد.

عمق لایه‌های زیر زمینی، زاویه شیب آن‌ها و سرعت امواج لرزه ای در هر لایه را نیز می‌توان با استفاده از ابزار لرزه نگاری تعیین کرد. همچنین برای اکتشاف نفت و گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حرکات زمینی ناشی از تزریق مایعات به چاه‌های زیر زمینی، انفجار دینامیت در معادن و اهداف عمومی دیگر نیز توسط لرزه نگار قابل اندازه‌گیری است.

از طرف دیگر اندازه‌ گیری‌های لرزه نگاری امکان تخمین شدت ضربه‌ و در نتیجه ارزیابی میزان خسارت ناشی از انفجار مقدار مشخص دینامیت در منطقه‌ای خاص را فراهم می‌کند.

تشخیص ارتعاشات روی سطح ماه توسط دستگاه‌های لرزه نگاری در تعیین ساختار داخلی، حالت فیزیکی و فعالیت تکنوتیکی ماه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.