نبذة تعريفية عن “جهاز السيزموجراف” وأنواعه

1998 الموسوعة الجيولوجية الجزء الثالث

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

جهاز السيزموجراف أنواع جهاز السيزموجراف علوم الأرض والجيولوجيا

جهاز لاكتشاف وتكبير وتسجيل اهتزاز الأرض، وتتباين اهتزازات الأرض بصورة كبيرة وذلك تبعاً لأسبابها، وتحدث الموجات السيزمية في الأرض من الانفجارات والزلازل في حدود التردد من حوالي 100 إلى  هرتز (الهرتز = دورة أو اهتزازة في الثانية).

ويتضمن اهتزاز الأرض ثلاث مركبات حركة في انتشار الموجة السيزمية إذ توجد حركة للأمام والخلف، وأخرى يساراً ويميناً متعامدة على اتجاه الانتشار أفقياً، وأخرى إلى أعلى وإلى أسفل رأسياً.

وهذا الاهتزاز يمكن أن يتباين بمعدل حوالي 10˚ من أقل الزلازل المسجلة إلى اقواها، ولذلك فقد تم تصميم أنواع عديدة مختلفة من السيزموجراف، وهناك نوعان أساسيان من السيزموجرافات: سيزموجرافات البندول وسيزموجرافات الشد.

 

النوع الأول: سيزموجرافات البندول

وهذا النوع يقيس الاهتزاز النسبي بين حركة الأرض وكتلة قاصرة ذاتياً (Loosely coupled intertial mass) مثبتة بحيث تتمتع بحرية نسبية في الحركة.

ولما كانت هذه الحركة متناهية في الصغر، لذا وجب تكبيرها بما يحقق ملاحظتها، وعادة ما يستخدم التكبير الضوئي، كما أن هناك أجهزة أخرى يستخدم فيها محولات الطاقة الكهرومغناطيسية والخلايا الضوئية والجلفانومترات والمضخات الالكترونية للحصول على تكبير أعلى.

وأكثر الأنواع المستخدمة انتشاراً في محطات السيزموجراف هي سيزموجرافات البندول الكهروماغناطيسي مع التسجيل الجلفانومتري. 

 

حيث يكون هناك ملف حول كتلة البندول المحاطة بقطبي مغناطيس، واهتزاز الملف في المجال المغناطيسي يولد قوة محركة كهربية تنشط حركة الجلفانومتر، الذي تثبت عليه مرآة يسقط عليها شعاع ضوئي.

وتؤدي حركة الجلفانومتر إلى انحراف شعاع الضوء المنعكس، الذي يتم تسجيله على ورقة تصوير حساسة.

وهناك نوع آخر يستخدم محولات طاقة ذات مقاومة متغيرة، حيث تؤدي حركة البندول إلى تغير المقاومة الموجودة ضمن الدائرة المغناطيسية، الأمر الذي ينتج عنه تغيرات في التدفق المغناطيسي، وهذا بالتالي يولد قوة محركة كهربائية في ملف يحيط بالدارة الغناطيسية.

 

والمعادلات الخاصة بنظام سيزموجراف البندول الجلفانومتري (طبقاً للعالم تشاكرابارتي) يمكن توضيحها كالآتي:-

 

حيث تدل الرموز في هاتين المعادلتين على ما يلي:

X = إزاحة البندول

 = انحراف الجلفانومتر

 = معامل ازدواج الجلفانومتر إلى البندول

= معامل تقارن البندول إلى الجلفانومتر

t = الزمن

والدليل الموضح أسفل الرموز يشير إلى

o = البندول             g = الجلفانومتر

 

ولإزاحة أرضية معينة Z فإن q (وبالتالي أثر الحركة على السيزموغراف) يمكن حسابها، وكذلك فإن Z يمكن إيجادها من q وكذلك مشتقاتها وتكاملاتها.

وباختيار قيم مناسبة للثوابت، E، W،  فإنه يمكن تصميم نظام سيزموجراف لحساسية معينة (Specified sunstivity)، واستجابة لتردد معين (Frequency response) وكذلك تشوه الطور (Phase distortion).

وعلى سبيل المثال فإن استجابة التردد R لنظام سيزموجراف يمكن إيجادها بالتعويض عن q في المعادلتين (1)، (2) بعد وضع C sin Wet = Z حيث C هي السعة القصوى وWe هي التردد الدائري لإزاحة افتراضية للأرض منتظمة على شكل منحنى جيبي (Steady sinusoidal) وتحسب الاستجابة للتردد R بالمعادلة الآتية:-

 

أنواع أخرى للسيزموجراف:

وحتى نتمكن من الحصول على مدى ديناميكي مناسب، وقابلية للتسجيل لمدى واسع من التردد، فإنه يلزم لذلك استخدام أنواع مختلفة من نظم السيزموجراف في وقت واحد فمثلاً.

في حالات الاهتزاز العنيفة فإن الأجهزة قوية الحركة ذات التكبير المنخفض هي التي تسجل عجلة الأرض، في حين أن الأجهزة الأكثر حساسية تصاب بالعطل في هذه الحالات، ومستوى التشويش (Background noise) الناتج من الزلازل الضعيفة جداً داخل الأرض يختلف باختلاف التردد.

لذا فإن أقصى تكبير في السيزموجراف يمكن استخدامه لترددات قريبة من  هرتز هو 2000، وللترددات القريبة من 5 هرتز فإن تكبيرات بمقدار 1 × 10⁶ يمكن استخدامها.

والأشكال الآتية توضح ما يلي؛ الشكل رقم (1) يوضح منحنيات الاستجابة لعديد من نظم السيزموجراف المتداولة.

 

والشكل رقم (2) يظهر سيزمومتر بنياوف الرأسي (فترة البندول ثانية واحدة).

 

وفي الشكل رقم (3) يظهر سيزمومتر برس – أونج الرأسي (فترة البندول 30 ثانية).

 

النوع الثاني:

سيزموجرافات الشد (Strain Seismographs) إن مبدأ سيزموجراف بنياوف الشدي الخطي المبين في الشكل (4) يتكون من ركيزتين P₁، P₂ مثبتتين في صخر الأساس بينهما مسافة حوالي 100 قدم، L عبارة عن أنبوب صلب من الكوارتز المصهور ملتصق إلى P₁ ومعلق بحيث يتمتع بدرجة واحدة من الحربية في الاتجاه الطولي.

إن الشد في الأرض ينتج تغيرات متناسبة بين P₁، P₂ يمكن اكتشافها بواسطة محول حساس للطاقة في الفجوة بين الطرف الحر للأنبوب الصلب المصهور وP.

إن سيزموجراف الشد يكتشف الشد المتواتر الذي يرتبط بالعمليات التكتونية والتداعي الناتج من المد والجزر للكرة الأرضية الصلبة، وتسجل أيضاً الشد المصاحب للموجات السيزمية المنتشرة، إن الاستجابة (Y) لسيزموجراف الشد للاهتزازات الطولية مبين بالمعادلة (4)

 

يمثل الرمز (V) استجابة محول الطاقة، L هو طول العمود، C هي السرعة السطحية الظاهرية للموجات السيزمية،  هي الزاوية بين اتجاه العمود واتجاه الانتشار وهو إزاحة جزئية الأرض.

وتحت الظروف المواتية للأماكن الثابتة، يتم تسجيل قيم شد صغيرة تتراوح بين 10^-9 إلى 10^-10، لقد ثبت أنه يمكن الحصول على دقة أفضل وخطوط قاعدة أطول في التجهيزات الأكثر حداثة، وذلك باستخدام طرق مقياس التداخل الضوئي مع الإضاءة بالليزر.

ولمثل هذه التجهيزات (انظر شكل 4) فإن الأنبوب L يستبدل به ممر ضوئي، P₁، P₂ يدعمان عناصر مقياس التداخل الضوئي بالليزر.

 

جهاز التنقيب السيزمي: في عمليات الاكتشاف السيزمي عن النفط فإن الإثارة الاصطناعية الميكانيكية مثل التفجيرات، أو إسقاط الأوزان تمثل مصدر الموجات السيزمية.

ويكون مدى التردد هو 2 – 20 هرتز وذلك للإطلاق الانكساري و20 – 300 هرتز للإطلاق الانعكاسي، اعتماداً على الظروف المحلية. 

والمشكلة الحقلية الأساسية هي الحصول على أعلى نسبة تمثل الإشارة إلى الجلبة وكذلك مسح مساحات كبيرة بسرعة، وهذا يتطلب أن تكون محمولة أو مركبة على عربات واستخدام توزيعات من المستكشفات (الجيوفونات)، وتقنيات الترشيح وطرق تسجيل مصممة خصيصاً لذلك.

 

إن المكتشفات (الجيوفونات) تزن عادة أقل من 450 جرام. وتحتوي على كتلة مدعمة بزنبرك بحيث تتحرك في الاتجاه الرأسي، إن محول الطاقة الكهرومغناطيسي يحول الحركة الميكانيكية إلى فولت (Voltages).

لقد تم تصميم مضخات خاصة لحجم صغير، واكتساب كبير وحرية من الجلبة، وهذه تتضمن مرشحات مرور الحزم بصمام قطع منخفض وعالي التردد يمكن ضبطه، إن ضبط الاكتساب الأوتوماني يعطي إشارات يمكن استخدامها منذ وصول الموجات الابتدائية كبيرة السعة حتى تنخفض شدة الإشارة تحت مستوى الجلبة العامة.

إن التسجيل الجلفانومتري الضوئي كان يستخدم تقريباً في أنحاء العالم خلال القرنين الأولين من الاستكشاف السيزمي، وبحلول عام 1955 فإن هذه التقنية تم استبدالها بالتسجيل بواسطة الأشرطة الممغنطة، والذي بدوره يتم استبداله كثيراً بالتسجيل الرقمي المباشر.

 

إن أنظمة التسجيل بالأشرطة المغناطيسية والتسجيل الرقمي المباشر تتمتع بمميزات أساسية تتمثل في تسجيل المعلومات في شكل مناسب، يسمح بعد ذلك باستخدام تقنيات معالجة الإشارات المتقدمة في الأماكن المركزية لمعالجة البيانات.

وفي التنقيب نادراً ما تستخدم السيزمومترات وحدها، بل تستخدم تجميعات مختلفة من التوزيعات الثابتة والطورية وذلك لزيادة استرداد الإشارة من البيانات الخام.

 

تطويرات: هناك عدد من الأجهزة الحديثة لسيزمولوجية الزلازل والتفجير في مراحل مختلفة من التطور. 

وتضم هذه سيزموجرافات دورانية، محدارات (tiltmeters) وسيزموجرافات عالية الاكتساب (بتكبير 10˚ عند مواقع منتقاه بعناية) وساعة حزم التردد طويلة المدى، وسيزموجرافات قمرية وكوكبية وسيزموجرافات قاع المحيط وسيزموجرافات تسجيل رقمي مباشر.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]