Máy đo địa chấn hoạt động như thế nào?

Máy đo địa chấn là một thiết bị nhạy cảm với các rung động. Nó hoạt động theo nguyên tắc của một con lắc: một vật nặng, khối lượng quán tính, có lực cản nhất định đối với chuyển động (tức là quán tính) do trọng lượng của nó được treo vào khung bằng lò xo cho phép chuyển động. Năng lượng từ bất kỳ hoạt động địa chấn nào cũng kích thích “khối lượng bằng chứng” này như cách gọi của các nhà địa vật lý, khiến nó rung động.

Điều gì thực sự di chuyển? Điều đó tùy thuộc vào quan điểm của bạn!

Quan điểm về một khối lượng di động này là hợp lệ nếu bạn cho rằng khung mà khối lượng được gắn vào – và được cố định chắc chắn vào mặt đất – không chuyển động. Tuy nhiên, khi một trận động đất xảy ra, hoặc một cơn chấn động được tạo ra bởi bất kỳ loại chấn động nào, thì nó thực sự là mặt đất — và do đó khung gắn với nó — chuyển động!

Nếu bạn thay đổi quan điểm và nhìn vào khối lượng, chúng ta có thể nhận thấy rằng khi một chấn động xảy ra, khối lượng — có quán tính vì trọng lượng của nó — sẽ chỉ chuyển động sau một thời gian nhất định, trong khi khung sẽ chuyển động theo chuyển động trên mặt đất .

Ngoài khối lượng, lò xo và khung, một máy đo địa chấn cần một thiết bị để liên tục ghi lại chuyển động của khối lượng so với khung. Đây là bộ phận trung tâm của cảm biến địa chấn và sự khác biệt giữa các công nghệ đo địa chấn, vì một số đo tốc độ của khối lượng và sự dịch chuyển khác của nó. Trong cả hai trường hợp, bản ghi cho thấy chuyển động của mặt đất theo thời gian được gọi là hình ảnh địa chấn.

Một kỹ thuật đơn giản hơn nữa để biểu diễn tín hiệu này bao gồm việc gắn một cây bút vào con lắc. Bút chạm vào cuộn giấy quấn quanh trống đang quay. Đây được gọi là máy đo địa chấn, một công cụ vẽ trực tiếp tín hiệu thay vì ghi lại ở dạng kỹ thuật số.

Mặt dây chuyền đơn giản và mặt dây chuyền ngược

Nguyên lý hoạt động của máy đo địa chấn

Các máy đo địa chấn đầu tiên được phát triển dựa trên một con lắc đơn giản trong đó khối lượng chuyển động được treo thẳng đứng từ một khung.

Để tăng độ nhạy, loại thiết bị này sau đó được lắp ngược, đó là lý do tại sao nó được gọi là con lắc ngược. Trong trường hợp này, khối tâm của con lắc nằm trên điểm trục.

Không giống như thiết kế đầu tiên, tổ hợp này tự nhiên không ổn định và ít xáo trộn nhất sẽ khiến khối lượng đó rời khỏi điểm cân bằng và di chuyển sang trái hoặc phải khi trọng lực hút nó xuống dưới.

Tuy nhiên, sự không ổn định cố hữu của một con lắc ngược là điều khiến thiết bị này phản ứng với những chuyển động dù là nhỏ nhất. Như bạn sẽ thấy ở phần sau, thiết bị SEIS của tàu vũ trụ InSight dựa trên nguyên tắc con lắc ngược.

Lập kế hoạch chụp quang tuyến đồ

Máy đo địa chấn cung cấp dữ liệu dưới dạng hình ảnh địa chấn, là bản ghi lại độ lớn của chuyển động trên mặt đất theo thời gian trong khi thường xuyên đo độ lệch giữa vị trí của khối lượng và khung mà nó được gắn vào, liên quan đến vị trí cân bằng tức là khi thiết bị ở trạng thái nghỉ ngơi trong trường hợp không có bất kỳ hoạt động địa chấn nào.

Trong lịch sử, những hình ảnh địa chấn đầu tiên được tạo ra bằng phương pháp cơ bản: một cây kim kim loại gắn với một khối di động để lại dấu vết chuyển động của nó trên giấy phủ đầy bồ hóng. Sau đó, kim được thay thế bằng bút mực ghi lại các chuyển động trên cuộn giấy đang quay. Ngày nay, trong thời đại kỹ thuật số, máy đo địa chấn cung cấp các tín hiệu kỹ thuật số được máy tính ghi lại. Các máy đo địa chấn bay đến Mặt trăng bởi các sứ mệnh Apollo là một trong những máy đầu tiên thuộc loại này, bởi vì ngay cả vào đầu những năm 1970, hầu hết các trạm địa chấn trên Trái đất vẫn được trang bị máy đo địa chấn.

Vai trò của các cảm biến hiện đại là theo dõi chuyển động của khối lượng và chúng có thể thực hiện ba loại phép đo: sự thay đổi vị trí của khối lượng so với vị trí cân bằng “không” của nó (độ dịch chuyển), tốc độ của khối lượng (tức là chuyển động qua thời gian), và cuối cùng là sự thay đổi tốc độ theo thời gian (tức là tăng hoặc giảm tốc).

Một số loại cảm biến thích hợp hơn các loại khác tùy thuộc vào loại phép đo bạn muốn thực hiện. Cảm biến cảm ứng dùng để đo tốc độ, trong khi cảm biến điện dung lý tưởng để đo vị trí của khối lượng. Máy đo địa chấn SEIS của InSight sử dụng cảm biến điện dung cực nhạy .

Số trục

Khi chuyển động trên mặt đất xảy ra trong không gian ba chiều (dọc theo trục tung hoặc hai trục ngang), các chuyển vị cần được ghi lại bằng cách sử dụng ba con lắc riêng biệt. Đây là cách duy nhất có thể ghi lại toàn bộ hoạt động địa chấn.

Các máy đo địa chấn tinh vi thường đo cả ba trục, mỗi trục cho mỗi hướng trong không gian. Các máy đo địa chấn một trục đơn giản thường chỉ đo chuyển động thẳng đứng; chuyển động bề mặt ngang bị bỏ qua vì nó không được đo.

Thiết bị SEIS được thiết kế để bay trên tàu InSight tới sao Hỏa là một máy đo địa chấn ba trục. Một chi tiết thú vị là ba trục của máy đo địa chấn không thẳng hàng với chiều ngang và chiều dọc, điều này có lẽ sẽ là “logic”.

Mặc dù mỗi trục trong số ba trục của SEIS được đặt ở một góc 90 ° so với các trục khác, nhưng toàn bộ cụm lắp ráp sẽ nghiêng khoảng 30,5 ° so với trục ngang. Có rất nhiều, đôi khi phức tạp, lý do cho điều này nhưng để đơn giản hóa vấn đề, chúng ta hãy nói rằng cấu hình như vậy giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu .

Độ nhạy của máy đo địa chấn phụ thuộc vào mối quan hệ giữa tín hiệu địa chấn mà bạn muốn ghi lại và các nhiễu khác nhau gây nhiễu tín hiệu này. “Tiếng ồn” này, có thể đi xa đến mức ngăn cản các phép đo, tương tự như hiệu ứng tuyết mà bạn có thể thấy trên màn hình TV.

Góc 30,5 ° của mặt dây chuyền InSight’s Very BroadBand (VBB) tương ứng với góc mà thành phần thẳng đứng được đo với độ nhạy tốt nhất so với tiếng ồn của chính thiết bị. Việc nghiêng nó về phía trục ngang sẽ làm giảm biên độ của gia tốc thẳng đứng, trong khi nghiêng nó ra xa sẽ làm tăng độ ồn của thiết bị , với sự gia tăng dao động dẫn đến mất độ nhạy trong thời gian dài.

Điều kiện thiết lập lý tưởng

Một trong những vấn đề phải đối mặt khi sử dụng máy đo địa chấn là làm thế nào để đảm bảo rằng nó có thể theo dõi độ rung một cách tối ưu ngay cả khi độ rung kéo dài trong thời gian dài, từ vài phút đến hàng giờ.

Theo định nghĩa, máy đo địa chấn là cực kỳ nhạy cảm, ghi lại tất cả những gì đang diễn ra xung quanh chúng cho dù có địa chấn hay không. Tuy nhiên, độ lệch nhỏ nhất của bất kỳ loại nào cũng có thể ngăn cản máy đo địa chấn tiếp tục theo dõi và vẽ biểu đồ rung động, đặc biệt nếu sau đó là một sự kiện kéo dài (việc ghi lại các sự kiện trong thời gian ngắn dễ xử lý hơn).

Các nhà địa vật lý rất coi trọng cách thiết lập các máy đo địa chấn. Tuy nhiên, một thiết bị có độ nhạy cao, nó sẽ chỉ cho kết quả tốt nếu nó được thiết lập đúng cách.

Máy đo địa chấn thường được đặt trên các bề mặt rất cứng như đá granit hoặc tấm bê tông. Bề mặt phải càng phẳng và càng nằm ngang càng tốt.

Tốt nhất, nơi được chọn phải yên tĩnh. Không nên đặt máy đo địa chấn cạnh đường hoặc gần ga tàu điện ngầm. Nhiệt độ cũng rất quan trọng. Nó phải ổn định nhất có thể, vì bất kỳ sự thay đổi nào có thể ảnh hưởng đến cơ học của máy đo địa chấn, đặc biệt là lực do lò xo tạo ra trên khối lượng.

Trên Trái đất, các máy đo địa chấn tốt nhất nên được thiết lập trong các hố hoặc trục của các mỏ cũ, cách bề mặt hàng trăm mét. Đây là những vị trí tốt vì chúng cung cấp các điều kiện hoạt động lý tưởng.

Các nguồn gây nhiễu, lan truyền rất dễ dàng gần bề mặt (chẳng hạn như tiếng ồn ào liên tục của các hoạt động của con người, tiếng gầm rú liên tục của đại dương và nhiễu động khí quyển), càng giảm càng tốt. Đối với nhiệt độ, nó ổn định vô cùng và tự nhiên. Địa điểm yên tĩnh nhất ở châu Âu là trong Rừng Đen, trong hoạt động của một khu mỏ cũ. Nhiệt độ ở đó chỉ chênh lệch vài phần nghìn độ mỗi năm!

Khi ở một vị trí lý tưởng, máy đo địa chấn có thể cảm nhận và theo dõi bất kỳ sóng địa chấn nào, dù là rất ngắn hay ngược lại, kéo dài vài phút hoặc thậm chí vài giờ.

Nguồn sóng địa chấn

Một máy đo địa chấn được thiết kế để ghi lại các sóng địa chấn. Trên Trái đất, những làn sóng này chủ yếu gây ra bởi các trận động đất thường xuyên và đôi khi rung chuyển mạnh một số khu vực nhất định trên thế giới, gây ra thiệt hại lớn tùy thuộc vào lượng năng lượng mà chúng mang theo.

Ngoài những trận động đất lớn khiến báo chí đưa tin, bề mặt Trái đất thường xuyên chịu những chuyển động rất nhỏ mà chúng ta không phát hiện ra nhưng lại được tiết lộ trên các hình ảnh địa chấn.
Hành tinh của chúng ta thực sự có thể hoạt động giống như một cái chuông, và khi một số sự kiện xảy ra, thậm chí có thể cộng hưởng theo nhịp điệu. Trái đất sau đó tạo ra âm nhạc của riêng mình, một giai điệu tuyệt vời mà tai chúng ta không thể nghe thấy nhưng có thể được thu nhận bởi các máy đo địa chấn nhạy cảm nhất.

Cho dù các sóng địa chấn được phát ra trong các hoạt động địa chấn lớn làm rung chuyển các khu vực nhất định trên thế giới hay chỉ là do dao động không thể nhận thấy của hành tinh chúng ta, các nhà địa vật lý sử dụng mọi cơ hội để mở rộng kiến ​​thức của chúng ta về bên trong Trái đất.

Máy đo địa chấn giống như một ống nghe của bác sĩ. Bằng cách xác định cách sóng địa chấn lan truyền trong hành tinh của chúng ta, tùy thuộc vào cách chúng bị phản xạ hoặc khúc xạ bởi các vật liệu tạo nên cấu trúc bên trong hành tinh, cho dù là đá hay kim loại, có thể xây dựng một hình ảnh.

Âm thanh thụ động và chủ động

Ví dụ, khi cần nghiên cứu một khu vực dưới bề mặt cụ thể khi tìm kiếm dầu, bạn không thể luôn luôn tin tưởng vào một trận động đất vào đúng thời điểm. Hoạt động địa chấn không xảy ra theo yêu cầu.
Có hai giải pháp trong trường hợp này: hoặc bạn lắng nghe trong thời gian dài với hy vọng rằng hoạt động địa chấn sẽ tạo ra sóng địa chấn làm đầu vào cho các máy đo địa chấn (đây là giải pháp được chọn cho sứ mệnh InSight, kéo dài hai năm Trái đất), hoặc bạn tạo ra rung động của riêng bạn. Đầu tiên được gọi là âm thụ động, thứ hai là âm chủ động.

Trên Trái đất, các nhà thăm dò dầu mỏ thường xuyên tạo ra các sóng địa chấn nhân tạo bằng nhiều cách khác nhau, từ nổ thuốc nổ để kích hoạt súng hơi hoặc sử dụng xe tải có gắn các tấm rung nặng. Kỹ thuật này cũng đã được sử dụng trên Mặt trăng . Các vụ nổ đã được kích hoạt để tạo ra các sóng địa chấn sau đó được ghi lại bằng các thiết bị địa lý do các phi hành gia của các sứ mệnh Apollo 14, 16 và 17 thiết lập trên bề mặt.

Trong lĩnh vực vũ trụ, các nhà địa vật lý có nhiều cách tạo tiếng ồn rất thú vị: họ có thể cố tình đưa phần trên của tên lửa vào một đường va chạm khi nó đã hết thời gian sử dụng hoặc, cùng đường thẳng, đâm một tàu vũ trụ lỗi thời vào bề mặt của một hành tinh.

Trên sao Hỏa, những kỹ thuật có phần tàn bạo này không thể được áp dụng vì các nhà khoa học muốn tránh làm ô nhiễm bề mặt với các vật thể chưa được khử trùng trước đó. Khi đó InSight và thiết bị SEIS sẽ không còn lựa chọn nào khác ngoài việc trông chờ vào may mắn rút thăm của họ, mặc dù thiết bị xuyên thấu của Gói đặc tính vật lý và dòng nhiệt ( HP 3 ) sẽ được sử dụng cho một thí nghiệm địa chấn hoạt động nhỏ, không đủ mạnh âm thanh hơn vài chục mét dưới bề mặt sao Hỏa.