زلزله نگار یا لرزه نگار چیست و چگونه کار می‌کند؟ | به زبان ساده

«لرزه نگار» یا «زلزله نگار» (Seismograph) وسیله‌ای است که امواج لرزه‌ای ناشی از زلزله، انفجار یا پدیده‌های دیگر لرزش زمین را ثبت می‌کند. دستگاه‌های لرزه نگاری به سنسورهای الکترومغناطیسی مجهز هستند که حرکت مکانیکی زمین را به تغییرات الکتریکی تبدیل می‌کنند که توسط مدارهای دیجیتالی یا آنالوگ پردازش و ضبط می‌شوند. اصطلاح لرزه نگار و «لرزه سنج» (Seismometer) اغلب به جای هم استفاده می‌شوند. با این حال اگرچه هر دو دستگاه ممکن است امواج لرزه‌ای را شناسایی و اندازه‌گیری کنند فقط یک لرزه نگار ظرفیت ثبت پدیده‌ها را دارد. به اطلاعاتی که توسط لرزه نگار بر روی صفحه نمایش یا کاغذ تولید می‌شود «لرزه نگاشت» (Seismogram) گفته می‌شود. در این مطلب اساس کار زلزله نگار و تاریخچه آن را بررسی می‌کنیم.

توسعه اولین زلزله نگار ها

یکی از اولین ابزارهای لرزه نگاری به نام «سیسموسکوپ» (Seismoscope) هیچ‌گونه نوسان زمینی را ثبت نکرد اما به سادگی نشان داد که لرزش رخ داده است.

فیلم آموزش زلزله شناسی 1 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

یک دانشمند چینی به نام «ژانگ هنگ» (Zhang Heng) این وسیله را اوایل سال 132 میلادی اختراع کرد. این وسیله به شکل استوانه بود و هشت سر اژدها در اطراف محیط فوقانی آن قرار گرفته بود و هر کدام یک توپ در دهان خود داشتند. در اطراف دستگاه هشت قورباغه قرار داشتند که هر کدام مستقیماً زیر سر یکی از اژدها قرار گرفته بودند. هنگام وقوع زلزله توپ‌ها از دهان اژدها آزاد می‌شدند و احتمالاً توسط یک آونگ داخلی که مطابق جهت لرزش به عقب و جلو حرکت می‌کرد به دهان قورباغه انداخته می‌شدند و سر و صدا ایجاد می‌کردند.

در سال 1855 دانشمند ایتالیایی «لوئیجی پالمیری» (Luigi Palmier) لرزه نگاری طراحی کرد که از چندین لوله U شکل پر از جیوه تشکیل شده بود و جهت آن‌ها به سمت نقاط مختلف یک قطب نما بود. هنگامی که زمین می‌لرزید، حرکت جیوه یک تماس الکتریکی ایجاد کرده که سبب توقف حرکت یک ساعت می‌شد و همزمان یک درام ضبط را شروع کرده و حرکت یک شناور روی سطح جیوه را ثبت می‌کرد. بدین ترتیب این دستگاه زمان وقوع و شدت نسبی و مدت حرکت زمین را نشان می‌داد.

مشکل اساسی در اندازه‌گیری حرکات زمین دستیابی به یک نقطه ثابت است که هنگام حرکت زمین بدون حرکت باقی بماند. برای این منظور از انواع مختلف آونگ استفاده شده است.

ساده‌ترین مدل یک آونگ معولی و ساده است که در آن یک جرم سنگین توسط یک سیم یا میله از یک نقطه ثابت آویزان می‌شود (مانند پاندول ساعت‌های قدیمی).

گونه‌های دیگر آونگ شکلی معکوس دارد که در آن یک جرم سنگین به انتهای فوقانی یک میله عمودی متصل شده است. برای مثال در آونگ افقی جرمی از انتهای یک میله بین دو نقطه معلق است و به جای یک صفحه عمودی در یک صفحه تقریباً افقی نوسان انجام می‌دهد.

پس از وقوع تعدادی زمین لرزه در نزدیکی پرتشایر، اسکاتلند در سال 1839، در سال ۱۸۴۰ یک لرزه سنج با یک آونگ معکوس در نزدیکی کومری نصب شد.

به گفته زلزله شناسان ایتالیایی اولین زلزله نگار واقعی در سال 1875 توسط فیزیکدان ایتالیایی «فیلیپو سکی» (Filippo Cecchi) ساخته شد. زلزله نگار سکی نیز از آونگ استفاده می‌کرد اما برای اولین بار در زلزله نگار او بود که حرکت نسبی آونگ‌ها با توجه به حرکت زمین به عنوان تابعی از زمان ثبت می‌شد.

در این زلزله نگار حرکات تولید شده توسط امواج لرزه‌ای باعث فعال شدن یک ساعت می‌شد و ضبط لرزه‌ها (که ناشی از حرکت زمین بود) 1 سانتی‌متر ($$0.04$$ اینچ) در ثانیه پیشرفت می‌کرد و این امکان را برای خواننده فراهم می‌کرد تا زمان شروع زمین لرزه و همچنین مدت زمان آن را تعیین کند.

تحولات دستگاه زلزله نگار در سال 1880 توسط «سر جیمز آلفرد اوینگ» (Sir James Alfred Ewing) فیزیکدان اسکاتلندی، «توماس گری» (Thomas Gray) مهندس اسکاتلندی و «جان میلن» (John Milne) زمین شناس انگلیسی، که در آن زمان در ژاپن کار می کردند، با سرعت زیادی اتفاق افتاد. این سه نفر به دنبال زلزله شدیدی که در آن سال در یوكوهاما در نزدیكی توكیو رخ داد شروع به مطالعه زمین لرزه کرده و انجمن لرزه نگاری ژاپن را تاسیس کردند.

تحت حمایت این سازمان دستگاه‌های مختلف لرزه نگاری حمایت و اختراع شدند. از جمله ابزارهای زلزله نگار ساخته شده در آن دوره می‌توان از لرزه نگار آونگ افقی معروف «میلن» (Miln) نام برد.

میلن با موفقیت از این زلزله نگار برای ثبت چندین زمین لرزه در ژاپن استفاده کرد و سپس پس از بازگشت به انگلستان یک سازمان کوچک لرزه نگاری برای ثبت زلزله در سراسر جهان با استفاده از این وسیله تاسیس کرد.لرزه نگار آونگ افقی میلن پس از جنگ جهانی دوم تغییرات زیادی کرد و کارکرد آن بسیار بهبود یافت.

لرزه نگار Press-Ewing که برای ثبت امواج طولانی مدت در ایالات متحده ساخته شده بود نیز با اقبال جهانی رو به رو شد و به طور گسترده‌ای در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه از یک آونگ نوع میلن استفاده می‌کرد اما برای جلوگیری از اصطکاک به جای محوری که در زلزله نگار میلن از آونگ پشتیبانی می‌کند یک سیم الاستیک جایگزین شد.

اصول اساسی لرزه نگار مدرن

اگر یک آونگ معمولی بتواند در یک جهت چرخش داشته باشد و اگر 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 زمین به عقب و جلو حرکت کند یعنی نوسان انجام دهد و اگر دوره حرکت زمین (زمان لازم برای یک نوسان کامل) به اندازه کافی کوتاه‌تر از دوره نوسان آزاد آونگ باشد آونگ عقب می‌ماند و حرکت زمین نسبت به آونگ می‌تواند ضبط شود.

فیلم آموزش مهندسی زلزله – یادبود ریحانه و زهرا (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

دامنه حرکت معمولاً از نظر الکتریکی تقویت می‌شود. زمانی که مقدار دوره آونگ با زمان حرکت زمین به یکدیگر نزدیک باشند زلزله نگار تنها حرکت زمین را ثبت نمی‌کند. با این حال به راحتی می‌توان بر روی مقدار اندازه‌گیری شده از لحاظ ریاضی تصحیحات انجام داد.

زمین می‌تواند در هر سه جهت یعنی دو جهت افقی و یک جهت عمودی حرکت کند. از آنجا که 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.

به طور کلی لرزه نگار ابزاری است که در آن حرکت نسبی آونگ و زمین نسبت به هم ثبت می‌شود. همچنین می‌توان نسبت بین انحراف آونگ و سرعت (یا شتاب) زمین را اندازه‌گیری کرد. به این نسبت حساسیت سرعت (یا شتاب) لرزه نگار گفته می‌شود.

اگر مقدار امواج لرزه‌ای کمتر از حداقل مقدار نوسان آونگ باشد نگاشت امواج لرزه‌ای به طور صحیح رخ نمی‌دهد. ساده‌ترین راه برای کاهش دوره نوسان آزاد آونگ معلق کردن آن در مایع چسبناک (غلیظ) است که نیروی مقاومت در آن متناسب با سرعت آونگ است.

در حقیقت نیروی مقاومت مورد نیاز توسط دستگاه خاصی به نام «میراگر» (Damper) اعمال می‌شود. در یک میراگر الکترومغناطیسی، نیروی مقاومت توسط جریان‌های الکتریکی القا شده در یک صفحه مسی که در یک میدان مغناطیسی قوی حرکت می‌کنند ایجاد می شود. برای درک بیشتر موضوع نوسانگر‌های میرا، مطلب نوسانات میرا — به زبان ساده را مطالعه کنید.

روش‌های مختلفی برای ضبط حرکت آونگ به کار رفته و توسعه یافته است. در روش مکانیکی (که اکنون تنها از لحاظ تاریخی مورد توجه است) یک ورق کاغذ دودی را دور یک طبل چرخان پیچیدند و آن را طوری نصب کردند که با زمین حرکت کند.

قلم متحرک متصل به آونگ به آرامی روی کاغذ فشار می‌آورد و درام چرخشی با هر دور کمی جابجا می‌شود تا خطوط ثبت شده روی یکدیگر قرار نگیرند. درام بدون وقفه می‌چرخد و یک ورق کاغذ معمولاً برای 24 ساعت کافی است. گرچه این روش ساده و اقتصادی بود اما این لرزه نگار برای غلبه بر اصطکاک بین قلم و کاغذ لازم بود جرمی سنگین داشته باشد. در نتیجه برخی از لرزه نگارهای مکانیکی در حدود یک تن یا بیشتر وزن دارند.

در زلزله نگاری مدرن‌تر روش نوری به کار گرفته می‌شود که در آن حرکت آونگ باعث حرکت آینه می‌شود.نور توسط آینه روی کاغذ حساس به نور که روی یک طبل پیچیده شده است منعکس می‌شود در نتیجه اصطکاک خاصی برای تأثیر بر آونگ وجود ندارد.

در روش الکترومغناطیسی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد یک سیم پیچ به یک آونگ که در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند متصل است و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند (برای درک بیشتر فیزیک این موضوع مطلب میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی | به زبان ساده را مطالعه کنید). وقتی جریان به صورت الکترونیکی تقویت می‌شود می‌توان لرزش‌های بسیار کوچک را 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.

برخی از لرزه نگارهای با دوره کوتاه حرکت آونگ، از این روش برای مشاهده زمین لرزه‌های با قدرت میکرو استفاده می‌کنند و با استفاده از این روش می‌توانند به بزرگ‌نمایی از مرتبه ۱,000,000 یا بیشتر دست یابند.

در مشاهدات لرزه نگاری معمولی زمان شروع نوسانات زمینی ثبت می شود. علائم بر روی لرزه نگار هر دقیقه یک بار ثبت می‌شوند.

تمام دستگاه‌های لرزه نگاری که تا اینجا توصیف شدند حرکات نوسانی زمین را در یک نقطه مشخص اندازه‌گیری می‌کنند. در مقابل «لرزه نگار کششی» (Strain Seismograph) از آونگ استفاده نمی‌کند و عملکرد آن به تغییر فاصله بین دو نقطه روی زمین بستگی دارد. این نوع لرزه نگار در سال 1935 توسط زلزله شناس آمریکایی «هوگو بنیوف» (Hugo Benioff) ابداع شد.

دستگاه‌های زلزله نگار برای حرکت‌های قوی زمین که «شتاب‌نگار» (accelerographs) نیز نامیده می‌شوند بیشتر برای ثبت حرکات شدید زمین و عمدتاً برای اهداف مهندسی مانند ساخت و سازهای ضد لرزه در مناطق زلزله‌خیزی مانند ژاپن طراحی شده‌اند.

دستگاه‌های زلزله نگار برای حرکت‌های قوی از شتاب‌نگارها به عنوان سنسور استفاده می‌کنند و بدین ترتیب لرزه‌ها را مستقیماً روی نوار مغناطیسی یا تراشه‌های حافظه ثبت می‌کنند و می‌توانند شتاب زمین را تا دو برابر مقدار گرانش اندازه‌گیری کنند. شبکه‌های شتاب‌نگار هم اکنون در چندین منطقه زلزله خیز به عنوان مثال کالیفرنیا، ژاپن، تایوان، مکزیک فعال هستند و ضبط مستقیم و مداوم لرزش‌های زمین را انجام می‌دهند. داده‌های مربوط به لرزش زمین در عرض چند ثانیه پس از یک زمین لرزه که صدمات بر جا گذاشته است قابل دسترسی است.

کاربردهای دستگاه لرزه نگاری

اگرچه لرزه نگاری در ابتدا برای مکان‌یابی زمین لرزه‌های طبیعی طراحی شدند اما کاربردهای دیگری مانند اکتشاف نفت، بررسی پوسته و لایه‌های زیرین زمین و نظارت بر فعالیت آتشفشانی نیز دارند.

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.