Un sismómetro es un instrumento que responde a los movimientos y sacudidas del suelo, como los provocados por terremotos , erupciones volcánicas y explosiones . Por lo general, se combinan con un dispositivo de cronometraje y un dispositivo de registro para formar un sismógrafo . [1] El resultado de un dispositivo de este tipo, que antes se registraba en papel (ver imagen) o película, ahora se registra y procesa digitalmente, es un sismograma . Estos datos se utilizan para localizar y caracterizar terremotos y para estudiar la estructura interna de la Tierra .
Un sismómetro simple, sensible a los movimientos ascendentes y descendentes de la Tierra, es como un peso que cuelga de un resorte, ambos suspendidos de un marco que se mueve junto con cualquier movimiento detectado. El movimiento relativo entre el peso (llamado masa) y el marco proporciona una medición del movimiento vertical del suelo . Un tambor giratorio está unido al marco y un bolígrafo está unido al peso, registrando así cualquier movimiento del suelo en un sismograma .
Cualquier movimiento desde el suelo mueve el marco. La masa tiende a no moverse debido a su inercia y, midiendo el movimiento entre el marco y la masa, se puede determinar el movimiento del suelo.
Los primeros sismómetros utilizaban palancas ópticas o mecanismos mecánicos para amplificar los pequeños movimientos que se producían y los registraban en papel cubierto de hollín o papel fotográfico. Los instrumentos modernos utilizan componentes electrónicos. En algunos sistemas, la masa se mantiene casi inmóvil con respecto al marco mediante un circuito de retroalimentación negativa electrónico . Se mide el movimiento de la masa con respecto al marco y el circuito de retroalimentación aplica una fuerza magnética o electrostática para mantener la masa casi inmóvil. El voltaje necesario para producir esta fuerza es la salida del sismómetro, que se registra digitalmente.
En otros sistemas, se permite que el peso se mueva y su movimiento produce una carga eléctrica en una bobina unida a la masa, cuyo voltaje se mueve a través del campo magnético de un imán unido al marco. Este diseño se utiliza a menudo en un geófono , que se utiliza en la exploración de petróleo y gas.
Los observatorios sísmicos suelen tener instrumentos que miden tres ejes: norte-sur (eje y), este-oeste (eje x) y vertical (eje z). Si sólo se mide un eje, suele ser el vertical porque es menos ruidoso y proporciona mejores registros de algunas ondas sísmicas. [ cita requerida ]
La cimentación de una estación sísmica es fundamental. [2] A veces, una estación profesional se monta sobre una roca madre . Los mejores montajes pueden ser en pozos profundos, que evitan los efectos térmicos, el ruido del suelo y la inclinación por el clima y las mareas. Otros instrumentos se montan a menudo en recintos aislados sobre pequeños pilares enterrados de hormigón no reforzado. Las varillas de refuerzo y los agregados distorsionarían el pilar a medida que cambia la temperatura. Siempre se inspecciona un sitio para detectar el ruido del suelo con una instalación temporal antes de verter el pilar y colocar los conductos. Originalmente, los sismógrafos europeos se colocaban en un área particular después de un terremoto destructivo. Hoy en día, se distribuyen para proporcionar una cobertura adecuada (en el caso de la sismología de movimiento débil) o se concentran en regiones de alto riesgo (sismología de movimiento fuerte). [3]
La palabra deriva del griego σεισμός, seismós , temblor o temblor, del verbo σείω, seíō , sacudir; y μέτρον, métron , medir, y fue acuñada por David Milne-Home en 1841, para describir un instrumento diseñado por el físico escocés James David Forbes . [4]
Sismógrafo es otro término griego de seismós y γράφω, gráphō , dibujar. A menudo se utiliza para significar sismómetro , aunque es más aplicable a los instrumentos más antiguos en los que se combinaban la medición y el registro del movimiento del suelo, que a los sistemas modernos, en los que estas funciones están separadas. Ambos tipos proporcionan un registro continuo del movimiento del suelo; este registro los distingue de los sismoscopios , que simplemente indican que se ha producido movimiento, tal vez con alguna medida simple de cuán grande fue. [5]
La disciplina técnica que se ocupa de estos dispositivos se denomina sismometría , [6] una rama de la sismología .
El concepto de medir el "sacudimiento" de algo significa que la palabra "sismógrafo" podría usarse en un sentido más general. Por ejemplo, una estación de monitoreo que rastrea los cambios en el ruido electromagnético que afecta las ondas de radioaficionados presenta un sismógrafo de radiofrecuencia . [7] Y la heliosismología estudia los "terremotos" en el Sol . [8]
El primer sismómetro se fabricó en China durante el siglo II. [9] Fue inventado por Zhang Heng , un matemático y astrónomo chino. La primera descripción occidental del dispositivo proviene del físico y sacerdote francés Jean de Hautefeuille en 1703. [10] El sismómetro moderno fue desarrollado en el siglo XIX. [3]
Los sismómetros se colocaron en la Luna a partir de 1969 como parte del Paquete de Experimentos de Superficie Lunar del Apolo . En diciembre de 2018, el módulo de aterrizaje InSight desplegó un sismómetro en el planeta Marte , la primera vez que se colocó un sismómetro en la superficie de otro planeta. [11]
En el Antiguo Egipto , Amenhotep, hijo de Hapu, inventó un precursor del sismómetro, unos postes de madera verticales conectados con canaletas de madera en el eje central que funcionaban para llenar de agua un recipiente hasta llenarlo para detectar terremotos.
En el año 132 d. C. , se dice que Zhang Heng, de la dinastía Han de China, inventó el primer sismoscopio (según la definición anterior), que se llamó Houfeng Didong Yi (traducido como "instrumento para medir los vientos estacionales y los movimientos de la Tierra"). La descripción que tenemos, de la Historia de la dinastía Han posterior , dice que era un gran recipiente de bronce, de unos 2 metros de diámetro; en ocho puntos alrededor de la parte superior había cabezas de dragón que sostenían bolas de bronce. Cuando había un terremoto, una de las bocas de los dragones se abría y dejaba caer su bola en un sapo de bronce en la base, haciendo un sonido y supuestamente mostrando la dirección del terremoto. En al menos una ocasión, probablemente en el momento de un gran terremoto en Gansu en el año 143 d. C., el sismoscopio indicó un terremoto aunque no se sintió. El texto disponible dice que dentro del recipiente había una columna central que podía moverse a lo largo de ocho pistas; Se cree que se trata de un péndulo, aunque no se sabe exactamente cómo se relacionaba con un mecanismo que abría sólo la boca de un dragón. El primer terremoto registrado por este sismoscopio se produjo supuestamente "en algún lugar del este". Días después, un jinete procedente del este informó de este terremoto. [9] [12]
En el siglo XIII, ya existían dispositivos sismográficos en el observatorio de Maragheh (fundado en 1259) en Persia, aunque no está claro si se construyeron de forma independiente o basándose en el primer sismoscopio. [13] El físico y sacerdote francés Jean de Hautefeuille describió un sismoscopio en 1703, [10] que utilizaba un cuenco lleno de mercurio que se derramaba en uno de ocho receptores igualmente espaciados alrededor del cuenco, aunque no hay evidencia de que él realmente construyera el dispositivo. [14] Un sismoscopio de mercurio fue construido en 1784 o 1785 por Atanasio Cavalli, [15] una copia del cual se puede encontrar en la Biblioteca de la Universidad de Bolonia, y otro sismoscopio de mercurio fue construido por Niccolò Cacciatore en 1818. [14] James Lind también construyó una herramienta sismológica de diseño o eficacia desconocidos (conocida como máquina de terremotos) a fines de la década de 1790. [16]
Los dispositivos de péndulo se estaban desarrollando al mismo tiempo. El naturalista napolitano Nicola Cirillo creó una red de detectores de terremotos de péndulo después del terremoto de Puglia de 1731, donde la amplitud se detectó utilizando un transportador para medir el movimiento de balanceo. El monje benedictino Andrea Bina desarrolló aún más este concepto en 1751, haciendo que el péndulo creara marcas de trazo en la arena debajo del mecanismo, proporcionando tanto la magnitud como la dirección del movimiento. El relojero napolitano Domenico Salsano produjo un péndulo similar que registraba utilizando un pincel en 1783, etiquetándolo como geo-sismómetro , posiblemente el primer uso de una palabra similar a sismómetro . El naturalista Nicolo Zupo ideó un instrumento para detectar perturbaciones eléctricas y terremotos al mismo tiempo (1784). [14]
El primer dispositivo medianamente exitoso para detectar el momento de un terremoto fue ideado por Ascanio Filomarino en 1796, quien mejoró el instrumento de péndulo de Salsano, utilizando un lápiz para marcar y usando un cabello adherido al mecanismo para inhibir el movimiento del volante de un reloj. Esto significaba que el reloj solo se pondría en marcha cuando se produjera un terremoto, lo que permitiría determinar el momento de incidencia. [14]
Después de un terremoto ocurrido el 4 de octubre de 1834, Luigi Pagani observó que el sismoscopio de mercurio que se encontraba en la Universidad de Bolonia se había desbordado por completo y no brindaba información útil. Por lo tanto, ideó un dispositivo portátil que utilizaba perdigones de plomo para detectar la dirección de un terremoto, donde el plomo caía en cuatro recipientes dispuestos en círculo, para determinar el cuadrante de incidencia del terremoto. Terminó el instrumento en 1841. [14]
En respuesta a una serie de terremotos cerca de Comrie en Escocia en 1839, se formó un comité en el Reino Unido con el fin de producir mejores dispositivos de detección de terremotos. El resultado de esto fue un sismómetro de péndulo invertido construido por James David Forbes , presentado por primera vez en un informe de David Milne-Home en 1842, que registraba las mediciones de la actividad sísmica mediante el uso de un lápiz colocado sobre papel sobre el péndulo. Los diseños proporcionados no resultaron efectivos, según los informes de Milne. [14] Fue Milne quien acuñó la palabra sismómetro en 1841, para describir este instrumento. [4] En 1843, se utilizó el primer péndulo horizontal en un sismómetro, informado por Milne (aunque no está claro si fue el inventor original). [17] Después de estas invenciones, Robert Mallet publicó un artículo en 1848 en el que sugería ideas para el diseño de un sismómetro, sugiriendo que dicho dispositivo debería registrar el tiempo, las amplitudes horizontal y verticalmente y determinar la dirección. Su propuesta de diseño fue financiada y se intentó su construcción, pero su diseño final no cumplió con sus expectativas y sufrió los mismos problemas que el diseño de Forbes, ya que era impreciso y no registraba automáticamente el tiempo. [17]
Entre 1848 y 1850, Karl Kreil construyó en Praga un sismómetro que utilizaba un péndulo cilíndrico rígido suspendido en un punto cubierto de papel, sobre el que se dibujaban los datos con un lápiz fijo. El cilindro giraba cada 24 horas, lo que proporcionaba una hora aproximada para un terremoto determinado. [14]
Luigi Palmieri , influenciado por el artículo de Mallet de 1848, [17] inventó un sismómetro en 1856 que podía registrar el tiempo de un terremoto. Este dispositivo utilizaba péndulos metálicos que cerraban un circuito eléctrico con vibración, que luego alimentaba un electroimán para detener un reloj. Los sismómetros de Palmieri se distribuyeron ampliamente y se utilizaron durante mucho tiempo. [18]
En 1872, un comité del Reino Unido dirigido por James Bryce expresó su insatisfacción con los sismómetros disponibles en la actualidad, que todavía utilizaban el gran dispositivo Forbes de 1842 ubicado en la iglesia parroquial de Comrie, y solicitaron un sismómetro que fuera compacto, fácil de instalar y fácil de leer. En 1875 se decidieron por un gran ejemplo del dispositivo Mallet, que consistía en una serie de pasadores cilíndricos de varios tamaños instalados en ángulos rectos entre sí sobre un lecho de arena, donde los terremotos más grandes derribarían los pasadores más grandes. Este dispositivo se construyó en 'Earthquake House' cerca de Comrie, que puede considerarse el primer observatorio sismológico construido especialmente para ese fin. [17] Hasta 2013, ningún terremoto ha sido lo suficientemente grande como para provocar la caída de alguno de los cilindros, ni en el dispositivo original ni en las réplicas.
Los primeros sismógrafos se inventaron en las décadas de 1870 y 1880. El primer sismógrafo fue fabricado por Filippo Cecchi alrededor de 1875. Un sismoscopio activaba el dispositivo para comenzar a registrar, y luego una superficie de registro producía una ilustración gráfica de los temblores automáticamente (un sismograma). Sin embargo, el instrumento no era lo suficientemente sensible, y el primer sismograma producido por el instrumento fue en 1887, cuando John Milne ya había demostrado su diseño en Japón . [19]
En 1880, el primer sismómetro de péndulo horizontal fue desarrollado por el equipo de John Milne , James Alfred Ewing y Thomas Gray , quienes trabajaron como asesores de gobiernos extranjeros en Japón, de 1880 a 1895. [3] Milne, Ewing y Gray, todos ellos contratados por el gobierno Meiji en los cinco años anteriores para ayudar a los esfuerzos de modernización de Japón , fundaron la Sociedad Sismológica de Japón en respuesta a un terremoto que tuvo lugar el 22 de febrero de 1880 en Yokohama (terremoto de Yokohama). Ewing construyó dos instrumentos durante el año siguiente, uno era un sismómetro de péndulo común y el otro era el primer sismómetro que usaba un péndulo horizontal amortiguado. El innovador sistema de registro permitió un registro continuo, el primero en hacerlo. El primer sismograma se registró el 3 de noviembre de 1880 en ambos instrumentos de Ewing. [19] Los sismómetros modernos eventualmente descenderían de estos diseños. Se ha hecho referencia a Milne como el «padre de la sismología moderna» [20] y su diseño de sismógrafo ha sido llamado el primer sismómetro moderno. [21]
Esto produjo la primera medición efectiva del movimiento horizontal. Gray produciría el primer método confiable para registrar el movimiento vertical, lo que produjo las primeras grabaciones efectivas de tres ejes. [19]
Un sismómetro de propósito especial temprano consistía en un péndulo grande y estacionario , con una aguja en la parte inferior. A medida que la tierra comenzaba a moverse, la pesada masa del péndulo tenía la inercia de permanecer quieta dentro del marco . El resultado es que la aguja rayaba un patrón correspondiente al movimiento de la Tierra. Este tipo de sismómetro de movimiento fuerte registraba sobre un vidrio ahumado (vidrio con hollín de carbón ). Si bien no era lo suficientemente sensible para detectar terremotos distantes, este instrumento podía indicar la dirección de las ondas de presión y, por lo tanto, ayudar a encontrar el epicentro de un terremoto local. Estos instrumentos fueron útiles en el análisis del terremoto de San Francisco de 1906. Se realizaron análisis adicionales en la década de 1980, utilizando estas primeras grabaciones, lo que permitió una determinación más precisa de la ubicación inicial de la ruptura de la falla en el condado de Marin y su posterior progresión, principalmente hacia el sur.
Más tarde, los equipos profesionales de instrumentos para la red sismográfica estándar mundial tenían un conjunto de instrumentos ajustados para oscilar a quince segundos y el otro a noventa segundos, cada conjunto midiendo en tres direcciones. Los aficionados o los observatorios con medios limitados ajustaron sus instrumentos más pequeños y menos sensibles a diez segundos. El sismómetro básico de péndulo horizontal amortiguado oscila como la puerta de una cerca. Un peso pesado está montado en la punta de un triángulo largo (de 10 cm a varios metros), articulado en su borde vertical. A medida que el suelo se mueve, el peso permanece inmóvil, haciendo oscilar la "puerta" en la bisagra.
La ventaja de un péndulo horizontal es que logra frecuencias de oscilación muy bajas en un instrumento compacto. La "puerta" está ligeramente inclinada, por lo que el peso tiende a volver lentamente a una posición central. El péndulo se ajusta (antes de instalar la amortiguación) para que oscile una vez cada tres segundos, o una vez cada treinta segundos. Los instrumentos de uso general de pequeñas estaciones o aficionados suelen oscilar una vez cada diez segundos. Se coloca una bandeja de aceite debajo del brazo y una pequeña lámina de metal montada en la parte inferior del brazo arrastra el aceite para amortiguar las oscilaciones. El nivel de aceite, la posición en el brazo y el ángulo y el tamaño de la lámina se ajustan hasta que la amortiguación sea "crítica", es decir, casi tenga oscilación. La bisagra es de muy baja fricción, a menudo cables de torsión, por lo que la única fricción es la fricción interna del cable. Los sismógrafos pequeños con masas de prueba bajas se colocan en el vacío para reducir las perturbaciones de las corrientes de aire.
Zollner describió péndulos horizontales suspendidos torsionalmente ya en 1869, pero los desarrolló para gravimetría en lugar de sismometría.
Los primeros sismómetros tenían una disposición de palancas sobre cojinetes con joyas, para rayar el vidrio ahumado o el papel. Más tarde, los espejos reflejaban un haz de luz hacia una placa de registro directo o un rollo de papel fotográfico. Brevemente, algunos diseños volvieron a los movimientos mecánicos para ahorrar dinero. En los sistemas de mediados del siglo XX, la luz se reflejaba hacia un par de fotosensores electrónicos diferenciales llamados fotomultiplicadores. El voltaje generado en el fotomultiplicador se utilizaba para accionar galvanómetros que tenían un pequeño espejo montado en el eje. El haz de luz reflejado en movimiento incidía en la superficie del tambor giratorio, que estaba cubierto con papel fotosensible. El costo de revelar papel fotosensible hizo que muchos observatorios sísmicos cambiaran a tinta o papel termosensible.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los sismómetros desarrollados por Milne, Ewing y Gray fueron adaptados al sismómetro Press-Ewing, ampliamente utilizado.
Los instrumentos modernos utilizan sensores electrónicos, amplificadores y dispositivos de grabación. La mayoría son de banda ancha y cubren un amplio rango de frecuencias. Algunos sismómetros pueden medir movimientos con frecuencias de 500 Hz a 0,00118 Hz (1/500 = 0,002 segundos por ciclo, a 1/0,00118 = 850 segundos por ciclo). La suspensión mecánica para instrumentos horizontales sigue siendo la puerta de jardín descrita anteriormente. Los instrumentos verticales utilizan algún tipo de suspensión de fuerza constante, como la suspensión LaCoste . La suspensión LaCoste utiliza un resorte de longitud cero para proporcionar un período largo (alta sensibilidad). [22] [23] Algunos instrumentos modernos utilizan un diseño "triaxial" o "Galperin" , en el que tres sensores de movimiento idénticos se colocan en el mismo ángulo con la vertical pero a 120 grados de distancia en la horizontal. Los movimientos verticales y horizontales se pueden calcular a partir de las salidas de los tres sensores.
Los sismómetros inevitablemente introducen cierta distorsión en las señales que miden, pero los sistemas diseñados profesionalmente tienen transformaciones de frecuencia cuidadosamente caracterizadas.
Las sensibilidades modernas se presentan en tres amplios rangos: geófonos , de 50 a 750 V /m; sismógrafos geológicos locales, alrededor de 1.500 V/m; y telesismógrafos, utilizados para estudios mundiales, alrededor de 20.000 V/m. Los instrumentos se presentan en tres variedades principales: de período corto, de período largo y de banda ancha. Los de período corto y largo miden la velocidad y son muy sensibles, sin embargo, "recortan" la señal o se salen de escala para el movimiento del suelo que es lo suficientemente fuerte como para ser sentido por las personas. Un canal de conversión analógico-digital de 24 bits es común. Los dispositivos prácticos son lineales a aproximadamente una parte por millón.
Los sismómetros que se entregan vienen con dos estilos de salida: analógica y digital. Los sismógrafos analógicos requieren un equipo de registro analógico, que posiblemente incluya un convertidor analógico a digital. La salida de un sismógrafo digital se puede ingresar simplemente a una computadora. Presenta los datos en un formato digital estándar (a menudo "SE2" a través de Ethernet ).
El sismógrafo de banda ancha moderno puede registrar una amplia gama de frecuencias . Consiste en una pequeña "masa de prueba", confinada por fuerzas eléctricas, accionada por una electrónica sofisticada . A medida que la Tierra se mueve, la electrónica intenta mantener la masa estable a través de un circuito de retroalimentación . Luego se registra la cantidad de fuerza necesaria para lograrlo.
En la mayoría de los diseños, la electrónica mantiene una masa inmóvil con respecto al marco. Este dispositivo se llama "acelerómetro de equilibrio de fuerzas". Mide la aceleración en lugar de la velocidad del movimiento del suelo. Básicamente, la distancia entre la masa y alguna parte del marco se mide con mucha precisión mediante un transformador diferencial variable lineal . Algunos instrumentos utilizan un condensador diferencial variable lineal .
Esa medida se amplifica luego mediante amplificadores electrónicos conectados a partes de un circuito de retroalimentación negativa electrónica . Una de las corrientes amplificadas del circuito de retroalimentación negativa acciona una bobina como si fuera un altavoz . El resultado es que la masa permanece casi inmóvil.
La mayoría de los instrumentos miden directamente el movimiento del suelo mediante el sensor de distancia. El voltaje generado en una bobina sensora sobre la masa por el imán mide directamente la velocidad instantánea del suelo. La corriente que llega a la bobina de accionamiento proporciona una medición sensible y precisa de la fuerza entre la masa y el marco, midiendo así directamente la aceleración del suelo (utilizando f=ma donde f=fuerza, m=masa, a=aceleración).
Uno de los problemas que siguen presentando los sensibles sismógrafos verticales es la flotabilidad de sus masas. Los cambios desiguales de presión provocados por el viento que sopla sobre una ventana abierta pueden modificar fácilmente la densidad del aire de una habitación lo suficiente como para que un sismógrafo vertical muestre señales falsas. Por ello, la mayoría de los sismógrafos profesionales están sellados en cajas rígidas herméticas al gas. Por ejemplo, por eso un modelo Streckeisen común tiene una base de vidrio grueso que debe pegarse a su pilar sin que queden burbujas en el pegamento.
Puede parecer lógico que el imán pesado sirva como masa, pero eso somete al sismógrafo a errores cuando el campo magnético de la Tierra se mueve. Por eso también las partes móviles del sismógrafo están construidas con un material que interactúa mínimamente con los campos magnéticos. Un sismógrafo también es sensible a los cambios de temperatura, por lo que muchos instrumentos se construyen con materiales de baja expansión, como el invar no magnético .
Las bisagras de un sismógrafo suelen estar patentadas y, cuando la patente expira, el diseño ya ha sido mejorado. Los diseños de dominio público más exitosos utilizan bisagras de láminas delgadas en una abrazadera.
Otra cuestión es que la función de transferencia de un sismógrafo debe caracterizarse con precisión, de modo que se conozca su respuesta de frecuencia. Esta suele ser la diferencia crucial entre los instrumentos profesionales y los de aficionados. La mayoría se caracterizan en una mesa vibratoria de frecuencia variable.
Otro tipo de sismómetro es el sismómetro digital de movimiento fuerte o acelerógrafo . Los datos de este tipo de instrumento son esenciales para comprender cómo afecta un terremoto a las estructuras artificiales, a través de la ingeniería sísmica . Los registros de estos instrumentos son cruciales para la evaluación del riesgo sísmico , a través de la sismología de ingeniería .
Un sismómetro de movimiento fuerte mide la aceleración. Esta puede integrarse matemáticamente más tarde para obtener la velocidad y la posición. Los sismómetros de movimiento fuerte no son tan sensibles a los movimientos del suelo como los instrumentos telesísmicos, pero se mantienen en escala durante el temblor sísmico más fuerte.
Para aplicaciones de medición de intensidad se utilizan sensores de movimiento potentes.
Los acelerógrafos y geófonos suelen ser imanes cilíndricos pesados con una bobina montada sobre un resorte en su interior. A medida que la carcasa se mueve, la bobina tiende a permanecer estacionaria, por lo que el campo magnético corta los cables, induciendo corriente en los cables de salida. Reciben frecuencias desde varios cientos de hercios hasta 1 Hz. Algunos tienen amortiguación electrónica, una forma económica de obtener algo del rendimiento de los sismógrafos geológicos de banda ancha de circuito cerrado.
Los acelerómetros de haz de deformación construidos como circuitos integrados son demasiado insensibles para los sismógrafos geológicos (2002), pero se utilizan ampliamente en los geófonos.
Otros diseños sensibles miden la corriente generada por el flujo de un fluido iónico no corrosivo a través de una esponja electret o un fluido conductor a través de un campo magnético .
Los sismómetros espaciados en un conjunto sísmico también se pueden utilizar para localizar con precisión, en tres dimensiones, la fuente de un terremoto, utilizando el tiempo que tardan las ondas sísmicas en propagarse desde el hipocentro , el punto de inicio de la ruptura de la falla (véase también Ubicación del terremoto ). Los sismómetros interconectados también se utilizan, como parte del Sistema Internacional de Vigilancia para detectar explosiones de pruebas nucleares subterráneas , así como para sistemas de alerta temprana de terremotos . Estos sismómetros se utilizan a menudo como parte de un proyecto gubernamental o científico a gran escala, pero algunas organizaciones como la red Quake-Catcher , también pueden utilizar detectores de tamaño residencial integrados en computadoras para detectar terremotos.
En la sismología de reflexión , un conjunto de sismómetros toman imágenes de las características del subsuelo. Los datos se reducen a imágenes utilizando algoritmos similares a los de la tomografía . Los métodos de reducción de datos se parecen a los de las máquinas de rayos X para imágenes médicas tomográficas asistidas por computadora (CAT-scans) o los sonares de imágenes .
En realidad, una serie de sismómetros de alcance mundial puede obtener imágenes del interior de la Tierra en términos de velocidad y transmisividad de las ondas. Este tipo de sistema utiliza fenómenos como terremotos, impactos o explosiones nucleares como fuentes de ondas. Los primeros intentos de aplicar este método se basaban en la reducción manual de datos a partir de gráficos sismográficos en papel. Los registros sismográficos digitales modernos se adaptan mejor al uso directo en ordenadores. Gracias a los diseños de sismómetros baratos y al acceso a Internet, los aficionados y las pequeñas instituciones han llegado a formar una "red pública de sismógrafos". [24]
Los sistemas sismográficos utilizados para la exploración de petróleo u otros minerales utilizaban históricamente un explosivo y un cable de geófonos desenrollado detrás de un camión. Ahora, la mayoría de los sistemas de corto alcance utilizan "golpeadores" que golpean el suelo, y algunos sistemas comerciales pequeños tienen un procesamiento de señal digital tan bueno que unos pocos golpes de maza proporcionan suficiente señal para estudios refractivos de corta distancia. A veces se utilizan conjuntos exóticos de geófonos cruzados o bidimensionales para realizar imágenes reflexivas tridimensionales de las características del subsuelo. El software básico de geomapeo refractivo lineal (que en su día era un arte oscuro) está disponible en el mercado y se ejecuta en computadoras portátiles, utilizando cadenas tan pequeñas como tres geófonos. Algunos sistemas ahora vienen en un estuche de campo de plástico de 18" (0,5 m) con una computadora, una pantalla y una impresora en la cubierta.
En la actualidad, los pequeños sistemas de obtención de imágenes sísmicas son lo suficientemente económicos como para que los ingenieros civiles los utilicen para inspeccionar los sitios de cimentación, localizar lechos de roca y encontrar agua subterránea.
Se ha descubierto una nueva técnica para detectar terremotos, utilizando cables de fibra óptica . [25] En 2016, un equipo de metrólogos que realizaba experimentos de metrología de frecuencia en Inglaterra observó ruido con una forma de onda similar a las ondas sísmicas generadas por terremotos. Se descubrió que esto coincidía con las observaciones sismológicas de un terremoto de Mw 6.0 en Italia, a ~1400 km de distancia. Experimentos posteriores en Inglaterra, Italia y con un cable submarino de fibra óptica a Malta detectaron terremotos adicionales, incluido uno a 4100 km de distancia y un terremoto de M L 3.4 a 89 km del cable.
Las ondas sísmicas son detectables porque provocan cambios a escala micrométrica en la longitud del cable. A medida que cambia la longitud, también lo hace el tiempo que tarda un paquete de luz en atravesar el cable hasta el otro extremo y regresar (utilizando una segunda fibra). Si se utilizan láseres de grado metrológico ultraestables, estos cambios de tiempo extremadamente minúsculos (del orden de femtosegundos ) aparecen como cambios de fase.
El punto del cable que primero se ve afectado por la onda p de un terremoto (esencialmente una onda de sonido en una roca) se puede determinar enviando paquetes en ambas direcciones en el par de fibras ópticas en bucle; la diferencia en los tiempos de llegada del primer par de paquetes perturbados indica la distancia a lo largo del cable. Este punto es también el punto más cercano al epicentro del terremoto, que debería estar en un plano perpendicular al cable. La diferencia entre los tiempos de llegada de las ondas p y s proporciona una distancia (en condiciones ideales), que limita el epicentro a un círculo. Se necesita una segunda detección en un cable no paralelo para resolver la ambigüedad de la solución resultante. Observaciones adicionales limitan la ubicación del epicentro del terremoto y pueden resolver la profundidad.
Se espera que esta técnica sea de gran ayuda para observar terremotos, especialmente los más pequeños, en vastas porciones del océano global donde no hay sismómetros, y a un costo mucho más barato que los sismómetros de fondo oceánico.
Los investigadores de la Universidad de Stanford crearon un algoritmo de aprendizaje profundo llamado UrbanDenoiser que puede detectar terremotos, particularmente en ciudades urbanas. [26] El algoritmo filtra el ruido de fondo del ruido sísmico recogido en las áreas urbanas de las ciudades concurridas para detectar terremotos. [26] [27]
Hoy en día, el grabador más común es una computadora con un convertidor analógico a digital, una unidad de disco y una conexión a Internet; para los aficionados, una PC con una tarjeta de sonido y el software asociado es suficiente. La mayoría de los sistemas graban de forma continua, pero algunos graban solo cuando se detecta una señal, como lo demuestra un aumento a corto plazo en la variación de la señal, en comparación con su promedio a largo plazo (que puede variar lentamente debido a los cambios en el ruido sísmico) [ cita requerida ] , también conocido como disparador STA/LTA.
Antes de que se pudiese procesar digitalmente los datos sísmicos a finales de los años 70, los registros se hacían en diferentes formas y en distintos tipos de medios. Un tambor "Helicorder" era un dispositivo que se utilizaba para registrar datos en papel fotográfico o en forma de papel y tinta. Un "Develocorder" era una máquina que registraba datos de hasta 20 canales en una película de 16 mm. La película grabada se podía ver con una máquina. La lectura y la medición de estos tipos de medios se podían realizar a mano. Una vez que se había utilizado el procesamiento digital, los archivos de los datos sísmicos se registraban en cintas magnéticas. Debido al deterioro de los medios de cinta magnética más antiguos, no se puede recuperar una gran cantidad de formas de onda de los archivos. [28] [29]
En la dinastía Sung del Sur, el dinero que la corte imperial ofrecía a los funcionarios se envolvía en sobres de papel (chih pao).
