Sejsmogram: definicja, budowa i interpretacja zapisu sejsmicznego

Sejsmogram jest zapisem ruchu wywołanego trzęsieniem ziemi w stacji pomiarowej w funkcji czasu. Sejsmogramy są zwykle wykonywane przez sejsmometry. Sejsmometry rejestrują ruchy w trzech osiach kartezjańskich (x, y, i z), przy czym oś z jest prostopadła do powierzchni Ziemi, a osie x i y są równoległe do powierzchni.

Historycznie, sejsmogramy były rejestrowane na papierze przymocowanym do obracających się bębnów. Niektórzy używali długopisów na zwykłym papierze. Inni używali wiązek światła do naświetlania papieru światłoczułego. Obecnie prawie wszystkie sejsmogramy są zapisywane cyfrowo, aby ułatwić ich analizę komputerową. Sejsmogramy są bardzo ważne przy pomiarach trzęsień ziemi za pomocą skali Richtera.

Co pokazuje sejsmogram — skład zapisu

Sejsmogram to wykres przedstawiający zmiany ruchu gruntu w czasie. W praktyce zapis może przedstawiać:

• przemieszczenie (metry),
• prędkość (metry na sekundę),
• przyspieszenie (metry na sekundę kwadrat),

W zależności od zastosowanego sejsmometru i sposobu przetwarzania sygnału dane mogą być podawane bezpośrednio w tych jednostkach lub jako napięcie/ilość cyfrowych jednostek counts. Aby uzyskać rzeczywiste wartości ruchu gruntu, trzeba usunąć odpowiedź instrumentu (kalibracja).

Typy fal sejsmicznych i ich oznaki na sejsmogramie

Na sejsmogramie rozróżniamy podstawowe rodzaje fal:

• Fale P (pierwotne) — najszybsze, przychodzą pierwsze; są falami podłużnymi i zazwyczaj powodują mniejsze amplitudy.
• Fale S (wtórne) — wolniejsze od P, przychodzą jako drugie; są falami poprzecznymi i zwykle mają większe amplitudy.
• Fale powierzchniowe (Love, Rayleigh) — pojawiają się później, mają największe okresy i często odpowiadają za największe zniszczenia przy bliższych i średnich odległościach.

Rozpoznanie pierwszych przybyłych faz P i S na sejsmogramie jest podstawą do określenia odległości stacji od ogniska trzęsienia (epicentralnej) oraz do lokalizacji samego epicentrum przez triangulację.

Jak odczytać sejsmogram — podstawowe kroki

• Wybór komponentu: analizuje się trzy składowe (N-S, E-W, pionową), co pomaga rozróżnić typ fal i kierunek ich przyjścia.
• Wyznaczenie czasów przybycia faz: zaznacza się pierwsze obserwowane przemieszczenie odpowiadające fazie P, a następnie S.
• Obliczenie odległości: różnica czasów S–P daje przybliżoną odległość do ogniska. Reguła przybliżona: D ≈ 8 × (S–P) [km], ale dokładniejsze obliczenia używają modeli prędkościowych.
• Pomiary amplitudy i okresu: potrzebne do oszacowania magnitudy (np. skala Richtera lub magnituda momentu Mw) oraz do analizy widma częstotliwościowego.
• Badanie trwania i zawartości częstotliwości: długi zapis o niskich częstotliwościach wskazuje na silne fale powierzchniowe; krótki, bogaty w wysokie częstotliwości – na bliskie, gwałtowne drgania.

Budowa i rodzaje sejsmometrów

Istnieją różne typy instrumentów do rejestracji sejsmogramów:

• Sejsmometry szerokopasmowe (broadband) — rejestrują szerokie spektrum częstotliwości; używane do badań regionalnych i globalnych.
• Sejsmometry krótkookresowe — czułe na krótsze okresy, używane w sieciach lokalnych.
• Akcelerografy — mierzą przyspieszenie, zaprojektowane do rejestracji silnych ruchów (zastosowania inżynierskie, monitorowanie budynków).

Współczesne sejsmometry są cyfrowe, mają wewnętrzną elektronikę, przetwornik A/C i zapisują dane w standardowych formatach (np. miniSEED, SAC). Ważne są także parametry takie jak czułość, pasmo przenoszenia i współczynnik tłumienia.

Interpretacja zaawansowana i zastosowania sejsmogramu

• Lokalizacja epicentrum: triangulacja czasów przybycia P z co najmniej trzech stacji.
• Określenie magnitudy: pomiar amplitudy i okresu fali (skala Richtera) lub obliczenie momentu sejsmicznego i magnitudy momentowej (Mw).
• Rozwiązania mechanizmu źródłowego: analiza porównawcza amplitud i faz pozwala odtworzyć orientację uskoków i mechanizm ogniskowy (moment tensor).
• Tomografia sejsmiczna: wykorzystanie wielu sejsmogramów do badania struktury wnętrza Ziemi (prędkości fal, granice warstw).
• Systemy wczesnego ostrzegania: automatyczna analiza pierwszych przybyć P pozwala wysyłać ostrzeżenia przed silniejszymi falami S i powierzchniowymi.
• Monitorowanie działalności indukowanej: analiza sygnałów z kopalń, odwiertów geotermalnych, budów zapór czy wydobycia węglowodorów.

Praktyczne uwagi: kalibracja, szum i formaty danych

• Odpowiedź instrumentu: surowe zapisy należy skorygować o charakterystykę sejsmometru, by uzyskać rzeczywiste wartości przemieszczeń/prędkości/przyspieszeń.
• Szum tła: sejsmogramy zawierają szum (kulturalny, meteorologiczny, oceaniczny). Analiza widmowa i filtracja pomagają wyodrębnić sygnał sejsmiczny.
• Próbkowanie i filtrowanie: ważne jest dobranie odpowiedniej częstotliwości próbkowania (np. 100 Hz dla dynamiki inżynierskiej, 20–50 Hz dla wielu zastosowań sejsmologicznych) i stosowanie filtrów antyaliasing.
• Formaty danych: powszechnie używane to SEED/miniSEED, SAC, QuakeML (metadane). Standaryzacja ułatwia wymianę i analizę danych w międzynarodowych sieciach.

Przykładowe wskazówki dla czytelnika

• Przy nauce odczytu sejsmogramów zacznij od rozpoznawania faz P i S na prostych zapisach lokalnych trzęsień.
• Ćwicz obliczanie przybliżonych odległości przy użyciu różnicy S–P (reguła ~8 km/s × (S–P) s) — pamiętaj, że to przybliżenie.
• Ucz się korzystać z darmowych narzędzi (np. ObsPy w Pythonie, SAC) do wczytywania, filtrowania i usuwania odpowiedzi instrumentu.

Sejsmogramy są więc nie tylko „linią na papierze” czy w pliku — to podstawowe źródło informacji o procesach sejsmicznych i budowie wnętrza Ziemi. Dzięki nim można lokalizować trzęsienia, określać ich siłę, badać mechanizm źródła oraz monitorować zmiany sejsmiczne w czasie.

Szukaj według litery