Sismometro

Instrumentação & Observação

Sismômetro?Prof. George Sand

Olli’n: Simbolo de terremoto Asteca

Escala de Intensidade Escala de Rossi-Forel:

1883. Rossi & Forel (10 escalas)

Escala Melcalli Modificada:

????. Mercalli (10 escala)

1902. Modificada por Cancani (12 escalas)

1931. Modificada por Wood & Neuman

1956. Modificada por Richter

Escala MSK: 1964. Medvedev, Sponheuer & Karnik

Escala JMA:

1884. Sekiya (4 escala)

1898. JMA (7 escala)

1936. Modificada

1949. Modificada baseada na Equação de Fukui (8 escalas)

1996. Modificada para determinação automática

Equipamentos

Detection Record

Seismoscope

Seismograph

Sismocópio do astrônomo Chang Heng, 132 AC., China

ビジュアル博物館　火山、同朋舎出版

O primeiro Sismocópio da história

Tangshan, província de Hebei Hall Memorial do terremoto

“sismógrafo” Zhang Heng

Sismoscópio de Ascanio Filomarino (1795)Ele foi morto pela máfia que considerava seu experimento uma blasfémia contra Deus.


Sismômetro usado por Luigi Palmieri (1807-1896)


Sismógrafo Moderno

O primeiro sismógrafo moderno foi idealizado por Ewing, Gray e Milne, Pesquisadores Britânicos convidados pelo governo Japonês.

Eles iniciaram a observação de terremotos em 1872.

O sismógrafo consiste num sensor que detecta e amplifica os movimentos do solo que por sua vez se chama sismômetro, e num registrador que produz um registro visível do movimento, chamado sismograma.

Na exploração – sismômetro = Geofone

Museu Nacional de Ciência - Japão

Sismometro construído em 1892 por John Milne (Foto 1894)

o controle da agulha arranhando o disco de vidro esfumaçado.Substituído por um tambor.Este método de gravação em disco do tipo 1880 foram utilizados durante os 20 anos.

Pêndulo Horizontal Tipo Ewing

http://www.kahaku.go.jp/exhibitions/vm/past_parmanent/rikou/index4.html


Sismômetro Wiechert (1904)


Aumentou a precisão com implementação do amplificador e amortecimento.

Sismômetro de Galitzin (1907) - Eletromagnético


Sismômetro de Wood – Anderson (1923)


http://neic.usgs.gov/neis/seismology/history_seis.html

Todo sismógrafo tem um sistema de tempo e registro de dados (gravação).

Sismômetro

Registrador

Relógio

Sismograma

Princípio de funcionamento do sismômetro

Os sismômetros são desenhados para reagir ao movimento do solo numa dada direção. Dependendo do formato, eles podem responder a movimentos verticais ou horizontais.

A maioria das concepções foram baseadas em aplicação das variações de pêndulos simples.

Sismômetros modernos são construídos para registra simultaneamente três componentes ortogonais.

Sismômetro movimento vertical➔ Sismômetros mecânicos de movimento vertical

Os sismômetros eletromagnéticos

respondem ao movimento relativo entre um ímã, que está alinhada com o solo, e uma bobina de fio condutor enrolada em torno de uma massa inercial suspensa por uma pequena mola.

Uma bobina fixa para massa inercial é suspensa entre os polos de um forte ímã, que por sua vez é fixada ao solo por caixa rígida.

O movimento da bobina no interior do campo magnético que induz uma ddp na bobina proporcional à taxa de variação do fluxo magnético. Durante a passagem da onda sísmica, a vibração do solo relativamente à bobina é transformada num sinal elétrico que posteriormente é amplificado e registrado.

Sismômetro de movimento horizontal

➔ Sismômetro mecânico de movimento horizontal.

A massa inercial é montada numa barra horizontal, mas o seu apoio está quase na vertical, de tal modo que a massa está confina a mover-se apenas num plano quase horizontal.

A posição de equilíbrio nestas condições encontra-se onde o centro de massa estiver no ponto mais baixo. Para qualquer movimento da porta, a força gravitacional tenta fazê-la voltar à posição de equilíbrio.

Sismômetro de deformação (strain) Milne também fez experiências para sismômetros que

media a distância entre dois pontos durante a passagem da onda Sísmica. Sem muito ganho.

Em 1935, H. Benioff inventou um sensível sismômetro que virou base para todas visões modernas.

Dois hastes colineares horizontais feitas de quartzo são anexados a bases de cerca de 20m de distância, fixo ao solo, perto de suas extremidades são separados por uma pequena diferença. As variações na separação das duas bases fixas resulta em mudanças na largura do espaço, que são detectadas.

Nos instrumentos modernos, a variação na largura de abertura pode ser observado visualmente, utilizando-se a interferência entre os feixes de laser, refletida por espelhos presos aos lados opostos da abertura. O instrumento de deformação é capaz de identificar deformações da da ordem de 10-8-10-10.

Matsushiro strain seismometer Foto:George Sand (2005)

Equação do Sismômetro Seja um deslocamento vertical ou horizontal, dependente do tipo do

sismômetro, deve ser u e a força igual -Ku, e o deslocamento correspondendo do solo q. O deslocamento da massa inercial M é então (u+q), e a equação de movimento é

Seja k/M = ² - equação do movimento harmônico simples.

Equação do Sismômetro 0 é a frequência natural do instrumento. Para um movimento do solo com essa frequência,

o sismômetro iria executar vibrações descontrolada e o sinal sísmico não poderia ser registradas com precisão.

Para contornar esse problema, o movimento é amortecido, fornece uma força dependente da velocidade que se opõe ao movimento. Um termo de amortecimento entra na equação do movimento:

é o fator de amortecimento do instrumento e tem um papel importante para resposta do sismômetro à passagem da onda sísmica.

O sinal sísmico é normalmente composto de várias vibrações harmônicas com diferentes frequências. Podemos determinar como o sismômetro com frequência natural 0 responde ao sinal sísmico com uma frequência para solução da equação do slide anterior com q=Acost.

Aqui, A é amplitude “aumentada” do movimento do solo, igual ao movimento do solo multiplicado por fator amplificador que depende da sensibilidade do instrumento. Seja o deslocamento u registrado pelo sismômetro

u = Ucos(t-)

onde U é a amplitude do sinal registrado e é a diferença de fase entre o registro e a movimento do solo.

Equação do Sismômetro é é dada por

A solução da equação de movimento do deslocamento de u em registro sísmico é

Efeito do amortecimento

O movimento do solo causada por uma onda sísmica contém um amplo espectro de frequências (faixa).

A equação da resposta do sismômetro para sinalizar diferentes frequências é fortemente dependente do valor do fator de amortecimento .

Não amortecimento =0, e para pequenos valores de do resposta do sismômetro é dito ser subamortecido.

O sismômetro amplifica os sinais perto da frequência natural – não há condição de registro.


O valor = 1 corresponde ao amortecimento crítico, assim chamado porque mostra dois tipos diferentes de resposta sismômetro na ausência de uma força de vibração.

Se < 1, o amortecimento, sismômetro livre responde a uma perturbação balançando periodicamente com a diminuição da amplitude sobre a sua posição de repouso.

Se , a pertubação do sismômetro comporta aperiodicamente, movendo-se suavemente para à sua posição de repouso.

Se , o instrumento é superamortecidos e todas as frequências da movimentação do solo são suprimidos.


O comportamento ideal de um sismômetro exige que o instrumento deve responder a uma ampla faixa de frequências no movimento do solo, sem amplificação preferencial ou supressão excessiva de frequências.

Isto requer que o fator de amortecimento deve ser próxima ao valor crítico. Geralmente é escolhido para estar no intervalo 70% a 100% do amortecimento crítico (ou seja, 1/√2 < 1).

No amortecimento crítico a resposta do sismômetro é um pertubação periódica com frequência e dada por

Sismômetro de Período Longo O sismômetro de período longo é um instrumento em

que a frequência de ressonância (natural) 0 é muito baixa. (0 <<

A fase entre o sismômetro e o movimento do solo torna-se zero, e a amplitude de deslocamento do sismômetro torna-se igual à amplificação do deslocamento solo q:

u = Acost = q

O sismômetro de longo período às vezes é chamado um medidor de deslocamento. É normalmente concebido para registrar sinais sísmicos com freqüências de 0,01-0,1 Hz (ou seja, períodos na faixa de 1-10 s).

Sismômetro de Período Longo

Sismômetro de Período Curto

O sismômetro de Período curto é construído para ter um período de natural baixo e uma frequência natural 0 que é maior do que a maioria das frequências da onda sísmica. Sob estas condições, temos 0 << e a diferença de fase ∆ é novamente pequenas e Eq. Torna-se

Essa equação mostra que o deslocamento do sismômetro de período de curto é proporcional à aceleração da terra.

Responder às frequências de 1-10 Hz (períodos na faixa de 0,1 - 1 s). Um acelerômetro é particularmente adequada para registro de grandes terremotos.

Sismômetro de Período Curto

Sismômetro de Banda Larga (Broadband) O ruído decorre de uma sucessão quase

contínua de pequenos movimentos no solo denominados de microsismos

Microsismos - é de origem local, relacionados a efeitos tais como tráfego de veículos, chuva, ação do vento nas árvores, etc,

Uma fonte importante de ruído é as ondas do mar em tempestades oceânicas, que é detectável nos registros sísmicos. Os ruídos sísmicos tem uma baixa amplitude em um sismograma, mas pode ser tão forte como um sinal fraco de um terremoto distante, que não pode ser seletivamente amplificados também sem o aumento do ruído.

O problema é agravado pela faixa dinâmica limitada dos sismômetros de longo e curto período.

Sismômetro de Banda Larga (Broadband)

A faixa entre os sinais fortes e fracos que podem ser registrado sem distorção por um determinado instrumento,e é chamada de faixa dinâmica.

A faixa dinâmica é medida pelo potência (ou densidade de energia) de um sinal, e é expressa em unidades de decibéis (dB). Um decibel é definido como 10 log10(potência do sinal). Porque o potência é proporcional ao quadrado da amplitude, um decibel é equivalente a 20 log10(amplitude).

Uma faixa 20 dB em potência corresponde a um fator de variação fator na aceleração, e uma faixa dinâmica de 100 dB corresponde a uma variação de 105 em amplitude.

Sismômetro de período curto e longo têm estreitas faixas dinâmicas porque eles são projetados para dar um ótimo desempenho em faixas de frequência limitada, acima ou abaixo da faixa de ruído de fundo. Esta deficiência foi superada pela concepção de sismômetro de banda larga que possuem alta sensibilidade em uma faixa dinâmica muito ampla.

Sismômetro de Banda Larga (Broadband)

O sismômetro de banda larga tem basicamente um projeto de pêndulo inercial, com capacidade melhorada devido a um sistema de “regeneração” de força. Isto funciona através da aplicação de uma força proporcional ao deslocamento da massa inercial para impedir que se deslocam de forma significativa.

A quantidade de força aplicada é determinada usando um transdutor elétrico para converter o movimento da massa em um sinal elétrico. A força necessária para manter a massa estacionária corresponde à aceleração do solo. O sinal é digitalizado com 16 e 24 bits de resolução, de forma sincronizada com os sinais do tempo exato, e gravados em fita magnética, disco rígido ou memória. A eletrônica de feedback são fundamentais para o sucesso deste instrumento.

O desenvolvimentos de Banda Larga resultou em sismômetros com grande faixa de frequência e resposta linear. Não é mais necessário para evitar a registros na banda 1-10 sde ruído de fundo evitado por sismômetros de período curto e longo. O registro de um terremoto por um sismômetro de banda larga contém informações mais utilizável que pode ser obtido a partir do período curto ou longo período de gravações, individualmente ou em combinação.

Sismômetro de Banda Larga (Broadband) Sismômetros de banda larga

pode ser usado para registrar uma grande faixa de de sinais.

A faixa dinâmica de ruído de fundo se estende até a grande aceleração que resultaria de um terremoto com magnitude 9,5, e os períodos que podem ser registrados variam de ondas de corpo de alta freqüência para as oscilações de período muito longo do solo associado com o efeito maré.

O instrumento é empregado em todo o mundo em redes de sísmica moderna e padronizada, substituindo a de curto prazo e de longo período sismógrafos.

O sismograma O sismograma representa a conversão do sinal do sismômetro para um

registro temporal do evento sísmico.

Nos primeiros tempos da sismologia moderna, o modo mais comum de obter diretamente um registro visível usava um tambor que rodava a velocidade constante de modo a providenciar uma escala temporal no registro. A invenção dos sismômetros electromagnéticos permitiu a conversão do sinal sísmico em sinal eléctrico que é então registrado.

Os sismômetros modernos porém, convertem o sinal elétrico para uma forma digital, através de circuitos eletrônicos de conversão analógico para digital, que são depois registados em suporte magnético.

O sismograma de um sismo distante contêm chegadas de numerosas ondas sísmicas que viajaram por vários percursos diferentes através da Terra desde a fonte até ao receptor. Devido a este fato o aspecto do sismograma costuma ser bastante complexo e a sua interpretação requer uma considerável experiência.

Fases em um sismograma A análise das ondas que sofreram reflexões e refrações múltiplas será tratada mais adiante.

Cada evento que é registrado no sismograma é designado pelo termo de fase.

Ondas P – primeira fase corresponde à chegada deste tipo de ondas.

Ondas S – chega em seguida, que normalmente têm amplitude superior à das onda P.

De seguida chegam as perturbações associadas com as ondas superficiais (ondas com comprimento de onda muito superior), que se caracterizam também por possuírem uma amplitude mais elevada que a das ondas de corpo. As ondas de Love deslocam-se com quase a mesma velocidade das onda S à superfície ( VLQ ≈ β ) e por isso chegam mais rapidamente que as ondas Rayleigh (VLR ≈ 0.92 β).

As fases detectadas nos sismogramas dependem do tipo de sensor utilizado e da orientação relativa deste com respeito à direção de chegada das ondas sísmicas.

Por exemplo,

um sismômetro de componente vertical pode detectar ondas P, SV e Rayleigh mas não as ondas SH e de Love,

um sismômetro de componente horizontal se podem detectar as fases P, SH Rayleigh e Love.

Fases em um sismograma

Dois termos técnicos importante para os Sismográfos

Faixa dinâmicaFrequências características

Faixa Dinâmica (Dynamica Range)

Nível máximo de recuperação do sinal

Nível máximo de recuperação do sinal

Tempo

Nível mínimo do sinal

Nível mínimo do Sinal

Clipping

Sistema de ruídoambiente de ruídoResolução do conversor A/D

Limite superior doSismômetroAmplificado Conversor A/D

Dentro dessa faixa o sinal registrado pode sergravado (recuperado)

DefiniçãoNível máximo de recuperação do sinal

Nível mínimo do Sinal

Geralmente descrito por [db]

20log ( razão ) [db]10

+6 db ～ 2 vezes120 db ～ 1,000,000 vezes

Faixa Dinâmica (Dynamica Range)

.

Sismógrafo (alta amplificação ou sensibilidade)

Instrumento que registram pequenos movimentos do solo tais como um telessismo ou microtremor.

Sismógrafo “Strong Motion” - Acelerômetro

Instrumentos que pode registrar grandes movimentos do solo que são destrutivo sem passar o limite do clipping.

Extensa Faixa Dinâmica

Sistema de observação ou observatórios que podem registra pequenas vibrações do movimento do solo simultaneamente.

Frequência Características

Qual é o “verdadeiro movimento do solo”?

Sismômetro é o núcleo do Sismógrafo

Maioria dos sismômetros é composta de um pêndulo com pequenas diferênças

Sismômetro de bobina “móvel” conectado a amplificador elétrico tem sido usado em sua maioria devido a simplicidade na operação.

O principal objetivo é entender esse tipo de sismômetro em 4 passos * Dinâmica do Pêndulo * A mecânica de Sismógrafo * Bobina móvel tipo de sismômetro Electromagnético * Desempenho do Sismômetro (Feed Back)

Dinâmica de Pêndulo

Pêndulo Simples - Sistema massa-mola

Equação de equiíbrio Mg=k(LM-L0)

ponto de equilíbrio

Exerted force

Gravity

Situação estável

A constate da Mola é dada por

k= Mg/(LM-L0)

Pêndulo Simples - Sistema massa-mola


Força Exercida

Gravidade

Pequeno deslocamento de massa.

Força Exercida

{k L M−L0 +kx }Equação de Movimento

Md 2 xdt2

=Mg− {k LM−L0 +kx } ,

Usando a relação para k

Md 2 xdt2

=-kx --> d 2 xdt2

=-kM

x .Eq. (1)

d 2 xdt2

=-kM

x

Para resolve a ED de segunda ordem

supor que a dependência do tempo de x é sinusoidal com uma x0 constante efrequência angular ω0,.

x=x0 eiw0 t

Então,

−w02 x =-

kM

x

Necessário

w0=± kM

E

T 0=2pw0

=2p Mk

Período Natural do Pêndulo

Frequência Angular Natural de Pêndulo


Pêndulo simples: Massa-Fio

mg

mgsinθmgcosθ

Quando o pêndulo é deslocado para um pequeno ângulo θ ,a força da gravidade mgsinθ com fio de comprimento L exer exerce a moment about O equal to-( mg Lsinθ). As the inertial moment of the mass ismL2 , the equation of motion is

For values of θ small enough that θ is negligible compared to, then

The equation of motion

The natural period of this pendulum is

mL2 d 2 qdt2

=- mgL sin q .

sin q=q−q3

6

q5

120L»q .

mL2 d 2 qdt2

=- mgLq ord 2 qdt 2

=-gL

q .

T 0=2p L/ g

Espectro do ruído

Frequency

2-3Hz0.1-0.5Hz

city

Country side

Typhoon

Microtremor: Ruído de fundo do movimento do solo

Peterson’s Noise Model

U.S. DEPARTMENT OF INTERIOR GEOLOGICAL SURVEY

OBSERVATIONS AND MODELING OF SEISMIC BACKGROUND NOISEJon Peterson

Open-File Report 93-322

NLNM & NHNM

/

Sismômetros listados no IASPEI NMSOP Volume II

CMG-3T (Guralp System Ltd.) http://www.guralp.net/products/weak/#3T

Episensor ES-T (Kinemetrics/OYO)

http://www.kinemetrics.com/product_Content.asp?newsid=111

Le-3d (Lennartz Electronic)http://www.lennartz-electronic.de/Pages/Seismology/Seismometers/Seismometers.html

PMD http://www.eentec.com

S-13 (Geotech Instruments LLC) http://www.geoinstr.com/s-13.htm

Trillium (Nanometrics Inc.) http://www.nanometrics.ca/products/trillium/trillium_1_new.htm

L4-3D (Mark Products) http://www.geoinstruments.com.au/main.htm

STS-1 VBB & STS-2 (Streckeisen AG)

http://www.eentec.com/

CMG-3T (Guralp System Ltd.)

CMG-3T (Guralp System Ltd.)

Episensor ES-T(Kinemetrics/OYO)



Le-3d (Lennartz Electronic)

Le-3d (Lennartz Electronic)

S-13 (Geotech Instruments LLC)

S-13 (Geotech Instruments LLC)

Trillium (Nanometrics Inc.)



L4-3D (Mark Products)


Rs


1/To

MRo

Ghm

he

hmhe

G

Ro

STS-1 VBB (Streckeisen AG)


Vertical Component(Leaf Spring)

Horizontal Component




STS-2 (Streckeisen AG)




Documents

Sismometro