DE102009032499A1

DE102009032499A1 - Interferometrischer Differentialseismograph

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Publication number: DE102009032499A1
Application number: DE102009032499A
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Lisitano
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für die direkte Erfassung der örtlichen Stärke eines Erdbebens. Die explosive Wellenausbreitung eines Erdstoßes ändert den Abstand D zweier im Boden verankerter Stützen mit entgegengesetztem Zeichen. Während der Laufzeit des Erdstoßes zwischen den Stützen Δt = D/v ändert sich somit der Abstand D ± Δs differential. Beide Stützen sind interferometrisch mit e.m. Wellen verbunden. Damit registriert der Differentialseismograph die Zeitableitung ds(t)/dt der Funktion s(t) der örtlichen Bodenbewegung eines beliebigen Erdstoßes. Mit einfacher Integration wird s(t) und damit die örtliche Stärke und die fransige Feinstruktur des Erdbebens gewonnen. Kompakte Interferometer im Frequenzbereich des Mobilfunks können Erdbebenerschütterungen ab 300 Mikrometer erfassen. Sie können rauschfrei mit Hilfe einer breitbändigen Rauschunterdrückung hergestellt werden. Alle Stufen einer Erdbebenskala können mit derselben Version des Differentialseismograph registriert werden. Ein dichtes Netz von Messpunkten ermöglicht, per Funk oder TV, die augenblickliche Ausbreitung eines Erdstoßes auf einer Videolandkarte, samt seiner Stärke, auszustrahlen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung für die direkte Erfassung der örtlichen Stärke eines Erdbebens.
Die explosive Ausbreitung eines Erdstoß ändert den Abstand D zweier im Boden verankerter Stützen mit entegegengesetztem Zeichen. Ungleiche Änderungen der Bodenverschiebungen ±Δs bei der Stütze ändern somit den Abstand D, während ihrer Laufzeit dt = D/v, differential.
Wie in 1 schematisch dargestellt, sind beide Stützen interferometrisch, mit e. m. Wellen verbunden. Damit registriert der Differentialseismograph die Zeitableitung ds(t)/dt der Funktion s(t) der örtlichen Bodenbewegung eines beliebigen Erdstoßes. Mit einfacher Integration wird s(t) und damit die örtliche Stärke und die fransige Feinstruktur des Erdbebens gewonnen.
Nach dem heutigen Stand der Technik gibt es keinerlei Seismograph, der die örtliche Stärke eines Erdbeben direkt erfaßt. Die Erdstöße werden ausschließlich aus der Bewegung von Gravitationspendeln erkundet.
Aus dem maximalen Ausschlag, den ein Beben auf einem Pendelseismograph hinterläßt, wird die Bodenbewegung und die Stärke der Erdstöße auf der Richterskala, bei bekanntem Maß, Federfestigkeit und Dämpfungsindex des Pendels, berechnet.
Das Pendelseismograph erfaßt gut nur Bodenverschiebungen mit Frequenzen nah an der Eigenfrequenzen. Es wirkt damit wie ein mechanischer Filter, deshalb werden wertvolle Merkmale der Erdstöße nicht erkannt. Es ist auch deshalb nicht möglich, mit demselben Pendelseismograph jeden Erdstoß zu registrieren.
Es ist außerdem bekannt, daß aus dem maximalen Ausschlag der Schwingungen, den ein Beben auf einem Pendelseismograph hinterläßt, sich die Stärke des Bebens mit der Richter-Skala, nicht aber die zerstörende Wirkung eines Erdbebens beschreiben läßt.
Diese Fakten unterstützen die Annahme, daß die Pendelschwingungen von der stark fransigen Struktur des zeitlichen Verlaufes des Erdstoßes erregt werden könnten. Die fransige Struktur könnte verschiedenartig, z. B. aus Reflexion von seismischen Nebenstößen stammen.
In der Tat erlaubt die Trägheit der Pendelmasse weder den langperiodischen Grundverlauf der Erdstöße noch die überlagerte feine Struktur der seismischen Erschütterungen zu erfassen.
Somit bietet das Pendelseismograph das gleiche Bild von Schwingungen, nah an der Pendeleigenfrequenz, für alle Erderschütterungen. Das ist ein Grund dafür, daß die Pendelschwingungen ungeeignet für die Zuordnung der Bebenvorläufer mit den nachfolgenden Erdbeben sind. Es sind außerdem keine anderen geeigneten Sensoren für die Erdbebenvorläufer bekannt.
Damit gehen wertvolle Merkmale der Erdstöße z. B. für die Forschung der geologischen Struktur des Bodens verloren. Dies gilt auch für die Erkundung eventueller Vorkommen von Energieressourcen oder Mineralien und insbesondere für die Forschung der o. g. Vorläufer von starken Erdbeben. Die Unmöglichkeit der Zuordnung der Bebenvorläufer mit den nachfolgenden Erdbeben läßt die Katastrophe fatalistisch ankommen, um danach die Wirkung des Bebens durch die hinterlassenen Schäden zu analysieren.
Regelmäßig verläßt man sich danach auf verbesserte Bauweise der Gebäude um in der Zukunft Schäden zu verringern.
Es sind auch Störkräfte der Pendelseismographen zu berücksichtigen, wie Temperatur, Luftdruck, Magnetfelder, Luftbewegungen im Gehäuse, jede Art von Strahlung – sie alle können auf die seismische Masse des Pendels einwirken und Störsignale erzeugen.
Die aktuellen komplexen Pendelseismographen eignen sich deshalb auch nicht für den Aufbau eines dichten Seismographennetzes für Gebiete unter Erdbebenrisiko. Damit bleibt auch die Aufzeichnung der seismischen Wellenfront unerforscht.
Somit sind die Pendelseismographen für die Warnung von bevorstehenden Erdbebenkatastrophen ungeeignet. Sie sind außerdem zu langsam, weil die Pendelseismogramme in der Tat nur einige Zeit nach der Erdbebenkatastrophe analysiert werden können.
Es gibt außerdem kein anderes Mittel um Menschenleben, auch mit wenigen Sekunden Vorwarnung, retten zu können.
Hochempfindliche Pendelseismographen werden zwar in der Erdbebenforschung eingesetzt. Damit kann man kleinste Verschiebungen der Pendelmasse um Atomdurchmesser, mit Laserinterferometer messen. Wegen des technischen Aufwands kommt dies für Pendelseismometer nicht in Frage.
Am bequemsten weist man die Bewegung der seismischen Pendelmasse mit einem elektrodynamischen Wandler nach. Im langperiodischen Bereich wird aber das Ausgangssignal der elektrodynamischen Wandler so schwach, daß man die gewünschte Messempfindlichkeit nicht ganz erreicht.
Will man langsame Bodenbewegungen messen, hat sich die elektrische Messung der Größe der beiden Luftspalten zwischen drei kleinen Metallplatten bewährt.
Weil die mittlere Metallplatte beweglich ist, vergleicht man dabei die Größe der beiden Luftspalten elektrisch durch differenzielle Kapazitivvermessung. Damit kann man kleinen, aber langsamen Bodenunruhen nachweisen.
Es gibt zwar die Möglichkeit, nach erfolgter Katastrophe, Erdbebenwellen über die von ihnen erzeugten Deformationen zu analysieren. Dadurch ändert sich der genügend große Abstand zwischen zwei zum Beispiel fest im Fels verankerten Bolzen, und indem man deren Abstand fortlaufend mißt, kann man ebenfalls Erdbebenwellen registrieren. Nur in ganz speziellen Meßaufgaben erreichen sie eine mit Inertialseismographen vergleichbare Empfindlichkeit.
Es fehlt offensichtlich an neuen, besser geeigneten Hilfsmitteln um Erdbeben in vollem Umfang verstehen zu können.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung bereitzustellen um örtliche Bodenbewegungen infolge Erdstoß oder sonstige Bodenerschütterungen zu erfassen. Dabei sollen die örtlichen Bodenbewegungen direkt und sehr schnell, ohne Zuhilfenahme irgendwelcher Zwischenvorrichtungen erfaßt werden.
Im Folgenden werden nach Beschreibung der Grundprinzipien die geeigneten Vorrichtungen für die Verwirklichung der Aufgabe beschrieben. Danach werden einige mögliche Maßnamen dargestellt, um mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ein dichtes Netz von Meßpunkten für Gebiete unter Erdbebenrisiko bereitzustellen.
Jedermann sollte somit, per Handy oder TV, die augenblickliche Ausbreitung eines Erdstoßes, samt seine Stärke, auf einer Videolandkarte verfolgen können.
Diese Aufgage wird gemäß der Erfindung mit dem in 1 bis 7 schematisch dargestellten Grundprinzip und geeigneten Vorrichtungen gelöst. Wie in 1 dargestellt, besteht der vorliegende Differentialeismograph aus zwei mit dem Boden verankerten Stützen.
Eingebettet in der Stationsstütze sind ein Interferometer und die dazugehörigen seismographischen Einrichtungen. Die anderen Reflektorstütze ist mit e. m. Wellen interferometrisch mit der Stationsstütze verbunden.
Infolge Erderschütterung oder sonstigen Erdbewegungen ändert sich der kurze Abstand zwischen beiden Stützen differential. Es seien Δs₁ und Δs₂ die Bodenbewegungen bei der Stütze. Bei Bewegungen von Δs₁ nach Δs₂ wird die Abstandsänderung Δs₂ – Δs₁. Bei Bewegungen Δs₂ nach Δs₁ wird die Abstandsänderung umgekehrt Δs₁ – Δs₂.
Bei Dehnung bzw. Kompression des Bodens zwischen beiden Stützen wird die Abstandsänderung beider Stützen +(Δs₁ + Δs₂) bzw. –.(Δs₁ + Δs₂).
Die differentialen Abstandsänderungen der Stütze werden mit Hilfe einer speziellen interferometrischen Meßeinrichtung erfaßt. Fest in beiden Stützen sind die Strahler für die e. m. Wellen oder für Lichtstrahlverbindungen eingebettet.
Bei der Ausbreitung eines seismischen Vorgangs von einer zur anderen Stütze lassen gleiche Bodenbewegungen Δs den Abstand D ± Δs unverändert.
Erfährt aber die Bodenverschiebung irgendwelche Änderung Δs/Δt, kann dies während der Laufzeit der Änderung zwischen der Stütze Δt = D/v erfaßt werden. Innerhalb dieser Laufzeit ist nämlich die Bodenverschiebung Δs der beiden Stützen ungleich.
Somit kann die Messung der Bodenverschiebung einer Stütze in Bezug auf die andere erfaßt werden. Dadurch registriert das interferometrische Differentialseismograph die Zeitableitung ds(t)/dt der Funktion s(t) eines beliebigen Erdstoßes.
Mit einfacher Integration wird der zeitliche Verlauf s(t) der Bodenbewegung gewonnen. Im Vergleich zu der seismischen Wellenlänge λ_s = v_s/f_s von einigen tausend Meter stellt der Abstand D von einigen Meter der Stützen einen gut begrenzten örtlichen Meßpunkt für die Bodenbewegung der Erdstöße dar.
Bei D ≈ 5 m und v ≈ 5 km/s ist die Laufzeit der Erdstöße zwischen den Stützen Δt ≈ 1 ms. Gegenüber der Sekundenzeitdauer der Erdstoßereignisse entspricht ein Millisekunden-Laufzeitintervall der Voraussetzung des kleinsten Zeitintervalls Δt für die Zeitableitung ds(t)/dt der Funktion s(t) nach dem vorliegenden Differentialseismograph.
Für die Verwirklichung des zugrundeliegenden Konzeptes der vorliegenden Erfindung wird die Bedingung einer hohen Empfindlichkeit vorausgesetzt.
Es sollen in der Tat die schwachen Erdbebenvorläufer oder sonstige entfernte Erderschütterungen benutzt werden, um mit Hilfe von zugänglichen Geräten nach dieser Erfindung die geologische Struktur des Bodens besser zu erkunden.
Dies wird dadurch erreicht, daß eine beliebig höhere Frequenz (sogar bis in den Lichtwellenbereich) in eine beliebig niedrigere Frequenz ohne Zuhilfenahme eines Untersetzungsoszillators untersetzt wird.
Wie in 4a) dargestellt, wird die Trägerhochfrequenz in der Frequenz leicht sägezahnförmig gewobbelt. Mit Hilfe des Richtkopplers 3 wird ein Teil der zum Strahler 13 laufenden Welle ausgeblendet, und vom Kurzschlußschieber 9 zum Kristall 5 reflektiert. Dort überlagert sie sich mit der reflektierten Welle aus dem Reflektorstrahler 17 die ebenfalls von Richtkoppler 3 ausgeblendet wird.
In 2a) ist die zur Mischstufe 5 laufenden Trägerfrequenzwelle schematisch dargestellt. In 2b) ist die reflektierte Trägerfrequenzwelle mit der abweichende Laufweg L = 2D dargestellt. Sie erreicht die Mischstufe 5 mit der Zeitverzögerung Δt = L/c.
In 2c) sind beide Trägerfrequenzteile dargestellt. Aus ihrer Überlagerung entsteht in der Mischstufe eine Interferenzsignal, das sich leicht durch Regulierung des Frequenzhubes Δf als sinusförmiges Signal mit derselben Frequenz wie die der Grundfrequenz des modulierenden Sägezahnes einstellen läßt. Dabei ist Δf.L = c
Wird der Abstand D zwischen beiden Stützen infolge Bodenerschütterungen um Δs geändert, so wird die Phase der Trägerfrequenz im Meßkanal um Δϕ = 2π2Δs/λ_T geändert, wobei λ_T die Wellenlänge der Trägerfrequenz ist.
Dabei wird auch die Phase des sinusförmigen Interferenzsignals maßstab-Getreu geändert. Die Phasendemodulation eines solchen System ist auch sehr leicht, weil die Phasenänderung immer in Bezug auf die modulierende Spannung erfolgt.
Dies ist aus 2c) sofort zu erkennen: wird die Trägerfrequenz um eine Periode T_T verschoben, so verschiebt sich auch das Interferenzsignal um eine Periode T_I.
Dieses Merkmal des vorliegenden Differential Seismograph ist von größter Bedeutung weil die Empfindlichkeit des Seismographen sich einmal beim Wählen der Trägerfrequenz und andermal beim Wählen der Modulatorfrequenz einstellen läßt.
Die Phasendemodulation vermag in der Tat Phasenverschiebungen ab 1 Grad der Periode der niedrigen Untergesetzefrequenz offenzulegen. Bei einer Trägerfrequenz in dem 10 mm Band bedeutet dies Bodenverschiebungen ab ca. 30 μm ermitteln zu können. Bei den üblichen Mobilfunkfrequenzen der λ ≈ 10 cm Band kann man somit Bodenbewegungen ab ca. 300 μm messen.
Damit ist es möglich, kompakte Differential-Seismographen herzustellen und mit derselbe Leistung von einigen Watt wie bei einem Handy zu betreiben. Somit kann man zwei Stützen mit integriertem Strahler im Abstand D von einigen Meter aufstellen und mit einem eingebauten Regler den Frequenzhub Δf = c/D von einigen 10 MHz fein einstellen.
Für große Empfindlichkeit kann man Frequenzen im Millimeterwellenbereich bis im Lichtwellenbereich wählen.
Mit einer und derselben Trägerfrequenz kann man mehreren Trägerfrequenzkanäle bei mehren Werten von f_m, Δf und L erstellen. 3 zeigt ein Beispiel der interferometrischen Frequenzumwandelung bei verschiedenen Δf Werten.
In 4a) und 4b) sind zwei Aufbaubeispiele des Differential-Seismograph, eine als e. m. Wellenreflektor und der andere als e. m. Wellendurchlaß abgebildet. Beide Aufbaubeispiele enthalten eine Meßschaltung und eine breitbindige Ausgleichschaltung, um Erschütterungseffekte des Senders zu kompensieren.
Die Laufwegdifferenz zwischen beiden Überlagerungswellen der Mischstufe 5 wird bei dem Reflektorseismograph durch den doppelter Abstand 2D von beiden Strahlern bzw. durch den Abstand D und die Länge der Rückkabel bei dem Durchlaßseismograph vermittelt.
In 4b) wird ein Teil der zum Strahler 13 hinlaufenden Trägerfrequenz von dem Widerstand der Einwegsleitung 8 reflektiert und mit Hilfe des Richtkopplers 3 zur Mischstufe 5 ausgeblendet. Dort überlagert sie sich mit der Durchlaßwelle aus dem Empfangsstrahler 17.
Diese Meßschaltung ist gleich wie die in beiden 4a), 4b) schematisch dargestellte Ausgleichschaltung zur Kompensation des Trägerfrequenzrauschens infolge Sendererschtitterungen.
Auch hier wird ein Teil der hinlaufenden Welle von dem Richtkoppler 2 ausgeblendet und von dem Kurzschlußschieber durch die Verzögerungsleitung 6 zur Mischstufe 4 hingeleitet, dabei gleicht die Länge der Verzögerungsleitung die Länge des Meßlaufweges.
Die Phasenänderungen des Interferenzsignals Δϕ = 2π2Δs/λ = 2π2f/Δf sind sowohl von den Laufwegänderungen Δs wie auch von den Änderungen der Trägerfrequenz f abhängig. Änderungen der Trägerfrequenz können bei der Laufzeitröhre mit mechanisch abstimmbarem Schwingkreis infolge Boden- und Apparaturerschlitterungen sehr leicht auftreten.
Die Interferenzsignale der Mischer 5 und 4 enthalten dieselben Störeffekte. Sie werden damit aufgehoben, daß Impulse aus der Mischstufe 4 für die Wiedererstellung einer Hilfsägezahnspannung benutzt werden. Dagegen werden die Impulse aus der Mischstufe 5 für die Punktbelichtung der Phasenlage auf dem Sägezahn benutzt.
Weil Sägezahn und Phasenpunkt dieselben Störeffekte enthalten, heben sie sich auf. Im Integrator wird bei Abschneiden der Sägezähne ab dem Phasenpunkt, die Funktion ds(t)/dt hergestellt. Durch Digitale- oder Analogschaltungsintegrale wird die Funktion s(t) gewonnen.
In der Tat werden die Störeffekte der Trägerfrequenz vollständig beseitigt. Das Integratorausgangssignal hängt nur von der durch die Erdbebenerschütterungen zugeführten Abstandsänderung beider Strahler ab.
Die Beseitigung der Störeffekte trägt maßgeblich zur der hohen Empfindlichkeit des Differential-Seismographen bis auf ca. –80 dBm bei. Unabhängig von der Wellenamplitude gibt die Phase der Trägerfrequenz die seismische Erschütterungen der Sensoren verzerrungsfrei wieder.
Außer der Registrierung aller Stufen einer Erdbebenskala erfaßt der vorliegende Differentialseismograph sehr gut die fransige Feinstruktur der seismischen Bodenbewegungen
Aus der Feinstruktur der Erdstöße kann man wertvolle Kenntnisse über die geologische Struktur des Bodens erlangen. Dies sowohl für Studien der Erdbebenvorläufer wie auch für die Erkundung eventuelle Vorkommen von Energieressourcen oder Mineralien.
Wie die genannten Merkmale hervorheben, ist der vorliegende Differntialseismograph, trotz den verlangten strengen Bedingungen von Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit, leicht für den Aufbau eines dichten Seismographennetzes geeignet.
Ausgedehnt auf das gesamte Gebiet unter seismischem Risiko, ist das hier vorgeschlagene Seismographennetz in der Lage, eine seismische Wellenfront aufzuzeichnen. Damit kann man die Wellenfront augenblicklich, während seiner Ausbreitung, aus dem Epizentrum verfolgen.
In der Tat besteht das vorgeschlagene Seismographennetz aus einfachen Teilen. Die Stützen mit eingebetteten Strahlern können überall, z. B. auf bestehenden Mauerwerken oder auf bergigen Felsen aufgebracht werden.
Auch die gesamte Interferometer Einrichtung kann man auf wenigen Kubikdezimetern Raum befestigen und innerhalb einer Stütze integrieren. Der geringe Energieverbrauch kann mit Fotozellen besorgt werden.
Einmal als Urtyp hergestellt, kann die gesamte Einrichtung preiswert serienmäßig produziert werden. Dies eröffnet Jedermann die Möglichkeit, über seinen eigenen Seismographen zu verfügen.
Nach dem Grundprinzip der vorliegenden Erfindung können unzählige Varianten des Differentialseismographen, je nach Lage und Ziel aufgebracht werden.
5 zeigt ein mögliches Beispiel für eine seismische Station sowohl für einen senkrechten wie auch für sechs waagerecht Differentialseismographen. Dabei wird der Senkrechtenreflekor vorzugsweise tief im Boden mit Hilfe einer zylindrischen Bohrung angebracht.
Mit einem einzigen Trägerfrequenzkanal und bei gleichem Abstand der sechs seismischen Sensorstützen kann man sechs frequenzuntersetzte Kanäle bei freier Wahl der Modulationsfrequenz f_m, oder des Frequenzhubs Δf ausführen. Selbstverständlich kann man dabei die seismische Station mit nur zwei oder drei Waagerechtearmen ausstatten.
Die seismischen Stationen können in einen Raum von wenigen Meter Durchmesser und in einer Höhe von einigen Meter gestellt werden. Mit einer Zeitkonstante von weniger als einer Mikrosekunde der Gesamtevorrichtung kann der Differentialseismograph auch mit Sensoren von kürzerem Abstand, unter einem Meter, arbeiten.
Ausgedehnt auf Gebiete unter Erdbebenrisiko können die Stationen ein Netz von Daten liefern, mit welchem jedermann per Handy oder TV jederzeit in der Lage wäre, den augenblicklichen seismischen Zustand eines Gebiets auf einer Videolandkarte zu verfolgen.
Jede Station könnte z. B. den detaillierten Zeitverlauf der senkrechten Bodenbewegung und der stärksten waagrechter Bodenbewegung einer der sechs Kanäle liefern. Die seismischen Daten könnten damit eine Videobild der Erdbebenausbreitung über dem gewählten Landgebiet darstellen.
Einzelne Differentialseismographen sind sehr geeignet für ihrer Aufbau zwischen gegenüberstehenden Außenwänden oder in Bodenbohrungen in dicht besiedelten Gebieten.
Ein weiterer Einsatz der vorliegende Erfindung ist aus der direkten Erfassung des zeitlichen Verlauf s(t) von starken Erdbeben gegeben.
Es werden dafür weit entfernte Meßpunkte in Abständen bis mehrere zehn km von der seismischen Station eingesetzt. Bei einer mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. v ≈ 5 km/s ergibt sich eine Laufzeit ca. 1 s für jeden Erdbebenlaufweg von ca. 5 km.
Bei einem ankommenden Erdstoß auf dem Reflektor eines Differentialseismographen mit z. B. 30 km langem Arm, kann somit der gesamte Verlauf s(t) eines Erdstoßes von ca. 12 Sekundendauer direkt erfaßt werden, d. h. ohne irgendwelche Integrations- oder sonstigen Hilfsmaßnahmen.
Dies liegt daran, daß für die ersten und für die letzen 6 Sekunden eines an dem Reflektor oder an der Station ankommenden Erdbebens, einer der beiden, die Station bzw. der Reflektor, als Bezugsmeßpunkte wirken.
Bei Erdstößen, die langer als zweimal den Stützenabstand L > 2D sind, kann man trotzdem die Funktion s(t) der Bodenbewegung für jede beliebige Länge des Erdbebens ermitteln.
Dies kommt daher, daß ein Erdbebenzug der Länge L = D zweimal erfaßt wird. Einmal von der ersten getroffenen Sensorstütze
und ein zweitesmal von der zweiten getroffenen Sensorstütze D_n. Obwohl die Erdbebenzüge
und D_n sich in derselben Richtung ausbreiten, werden sie interferometrisch in Bezug auf den Abstand der Sensoren mit Gegenzeichen erfaßt.
Der erste Erdbebenzug D₁, wird von der ersten getroffenen Sensorstütze in Bezug auf die zweite Sensorstütze direkt, als Funktion s(t) der Erdbeben erfaßt.
Der nachkommende Erdbebenzug D₂ wird von dem ersten getroffenen Sensor nicht mehr im freien Bezug zum zweiten Sensor erfaßt. Weil dieser vom ersten Erdbebenzug D₁ besetzt ist, werden D₂ und D₁ mit Gegenzeichen zusammen erfaßt.
Und so weiter, der nachkommende Erdbebenzug D₃ und D₂ werden mit Gegenzeichen zusammen erfaßt. Somit ist:
In (1) sind die vom Differntialseismographen nacheinander erfaßten Erdbebenzüge dargestellt. In (2) werden die doppeltvorkommenden Erdbebenzüge nacheinander von (1) subtrahiert. Damit wird in (3) der gesamte Erdbebenzug hergestellt.
Ein Problem bei der Erfassung von einzelnen, entfernten Meßpunkten ist, die Ausbreitungsrichtung des Erdstoßes wahrzunehmen. Dies kann, wie in 6 schematisch dargestellt, mit Hilfe von zwei Reflektorstützen am Ende der langen Strecke gelöst werden.
Mit der ersten Stütze in e. m. Strahlrichtung wird der e. m. Strahl um 90° abgelenkt. Im kurzen Abstand danach wird der e. m. Strahl zurückreflektiert. Damit bilden sich die zwei zuvor dargestellten e. m. Strahlstrecken.
Mit der langen Strecke wird der zeitliche Verlauf s(t) der Erdbeben in Richtung der langen Strecke erfaßt. Dagegen wird mit der kurzen Strecke der zeitliche Verlauf F[ds(t)/dt] der Ableitung der Funktion s(t) der Bodenverschiebung, senkrecht zur ersten Strecke, erfaßt.
Wegen ihrer stark unterschiedlichen Merkmale sind beide Signale sofort erkennbar und damit ist auch die Richtung des Erdbeben aus ihrer Stärke zu errechnen.
Verlauf der Erdstoß in Richtung der kurzen Strecke, so wird die Funktion s(t), wie zuvor dargestellt, aus der Ableitung F[ds(t)/dt] erhalten. Für den Verlauf des Erdstoßes in Richtung der langen Strecke wird die Funktion s(t) mit der zuvor dargestellten Prozedur für lange Strecken gewonnen.
Für Zwischenrichtungen ist die Ableitung F[ds(t)/dt] auf die Funktion s(t) überlagert. Die überlagerte Ableitung kann aus zweierlei Merkmalen der Ableitung ausgesondert werden.
Einmal kann die Ableitung wegen der starken unterschiedlichen Frequenzen von dem Niederfrequenzgrundsignal gefiltert werden. Zweitens kann Sie im Vergleich zu dem zweimal auftretenden s(t) Signal ausgesondert werden. Alle drei Fälle werden mit einem gemeinsamen Algorithmus behandelt.
Somit kann man in einer seismischen Station nach der vorliegenden Erfindung die Funktion der Bodenbewegung s(t) für jede Art von Erdstößen und jede Länge der Arme des Differentialseismographen erfassen.
Wegen atmosphärischer Einflüsse auf die lange Funkstrecke ist es aber verständlich, daß die Seismographen sich besser für die Erfassung stärkerer Erdbeben ab Stufe 1 der Richter-Skala eignen.
Als Beispiel für den Einsatz von Differentialseismographen bietet sich die unter höchstem seismischen Risiko stehende Meerenge von Messina an.
Wie aus dem weißen Kästchen vom 7 zu ersehen ist, sind in dieser Zone sehr wenige seismische Pendelstationen installiert. Dies hat zur Folge, daß die Trägheit der Pendelstationen nicht ermöglicht, eine ankommende seismische Wellenfront in der realen Zeit wahrzunehmen.
Die Pendelstationen brauchen in der Tat einen relativ langen Zeitraum, um das registrierte Erdbeben zusammen mit anderen Stationen zu bearbeiten, um Ort, Magnitude, Herdzeit und Herdtiefe zu berechnen. Somit hat die Bevölkerung keine Chance, nach Erd- oder Meerbeben-Katastrophen in benachbarten Gebieten, auch nur eine Sekunde Vorwarnung zu bekommen.
Anders als die Pendelseismographen, erlauben die vorliegenden Differential-Seismographen eine große Vielfalt von Ausführungen, um jede gewünschten Anwendung zu erfüllen.
Es können somit geeignete Seismographen für den individuellen preiswerten Gebrauch wie auch für die Erstellung eines dichten Netzes von Meßpunkten in großräumigen Gebieten ausgeführt werden.
Es wird damit das Ziel verfolgt, jedem Bürger die Möglichkeit bereitzustellen in ständigem Kontakt mit seinem Territorium zu leben. Alle Merkmale betreffs Häufigkeit, Lage, Stärke, Ausbreitung und Struktur der schwachen Beben erlauben ihm Indizien der geologischen Beschaffenheit seines Gebietes zu erkennen.
Damit wird der Bürger darauf vorbereitet, genauso wie bei Blitzen in Gewittern, die für sein Leben unschätzbaren Sekunden der Vorwarnung für ein bevorstehendes Beben, während des Einschlages einer Erd- oder Meerbeben-Katastrophe in benachbarten Gebieten, zu nutzen.
7 zeigt ein Beispiel für einen möglichen Einsatz eines dichten Netzes von seismischen Meßpunkten an beiden Seiten der Meerenge. Die Meßpunkte sind im Abstand von 5 bis 10 km voneinander aufgestellt. Per Funk werden die Meßdaten einiger Meßpunkte gesammelt, um ein Netz von seismischen Gebiete ähnlich wie die Mobilfunkzellen zu bilden.
Damit wäre es möglich, augenblicklich die Wellenfront eines Erdstoßes zu erfassen und über ein Breitgebiet auszustrahlen. Damit könnte jeder Bürger oder Haushalt, per Handy oder TV, den augenblicklichen Zustand jedes erfaßten Erdstoßes verfolgen.
In 7 ist auch die Möglichkeit angedeutet, weit entfernte Meßpunkte auf den gegenüber liegenden Bergketten mit einigen Stationen an der Küste zu verbinden.
Insgesamt bedeutet das angedeutet Projekt von 7 ein erstmaliges Erprobungslaboratorium für eine neuartige großräumige Erfassung der Erdbeben.
Das Ziel, einen besseren Kontakt mit dem Boden herzustellen, wird am ehesten von der notleidenden Bevölkerung der Gebiete unter Erdbebenrisiko geschätzt werden.
Es ist daher anzunehmen, daß die Bereitschaft für die Erstellung der einzelnen Meßpunkte bei der dortigen Bevölkerung und den einzelnen Gemeinden hoch sein wird.
Bezugszeichenliste

1: Einwegleitung
2: Richtkoppler
3: Richtkoppler
4: Mischstufe
5: Mischstufe
6: Verzögerungsleitung
7: Dämpfungsglied
8: Einwegleitung
9: Kurzschlußschieber
12: e. m. Laufweg
13: e. m. Strahler
14: Impulserzeuger
15: Integrator
16: Leitimpulsen
17: e. m. Strahler

Claims

Interferometrischer Differentialseismograph zum Einsatz in einem seismischen Erkundungssystem für die direkte Erfassung der örtlichen Struktur und Stärke jedes Erdbebens, umfassend: zwei mit dem Boden verankerte Stützen, wobei in der Stationsstütze ein Interferometer und die dazugehörigen seismographischen Einrichtungen eingebettet sind und die andere Reflektorstütze mit e. m. Wellen interferometrisch mit der Stationsstütze verbunden ist.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß Anspruch 1 wobei: jedes Paar von seismischen Sensoren jede passende Form der im Boden verankerten Stütze vorweist; mehrere seismische Sensorenpaare können radialgerichtet sein, die dazugehörigen Interferometereinrichtungen sind vorzugsweise in eine einzige Zentralstütze eingebettet; die interferometrische Verbindung mit e. m. Wellen aller Sensorenpaare im Bereich der Kurz- bis Lichtwellen stattfindet und die Sensoren einen Abstand von einigen Dezimetermetern bis zu mehreren Zehnkilometern haben können.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei die Ableitungsfunktion F[ds(t)/dt] der örtlichen Bodenerschütterung s(t) durch die interferometrische Einrichtung erfaßt wird. Dabei wird die Funktion s(t) der Bodenbewegung durch fortlaufende Integration der Ableitung ds(t)/dt der Bodenbewegung gewonnen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: die Funktion s(t) der Bodenbewegung interferometrisch durch die Erfassung der Änderungen Δs des Abstandes D der zwei gegenüberliegenden seismischen Sensoren gewonnen wird; die Änderungen Δs während ihrer Laufzeit Δt zwischen beiden Sensoren erfaßt werden, wobei Δt sehr klein gegenüber einer Periode der Erdstoßwelle ist. Innerhalb dieser Laufzeit ist nämlich die Bodenverschiebung Δs der beiden Stützen ungleich. Somit kann die Messung der Bodenverschiebung einer Stütze in Bezug zur anderen erfaßt werden. Dadurch registriert der interferometrischer Differentialseismograph die Zeitableitung ds(t)/dt der Funktion s(t) eines beliebigen Erdstosses. Mit einfacher Integration wird der zeitliche Verlauf s(t) der Bodenbewegung gewonnen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: der Abstand D beider Sensoren kurz, von einigen Dezimetern bis einigen Meter gehalten wird; im Vergleich zu der seismischen Wellenlänge λ_s = v_s/f_s von einigen tausend Meter, der Abstand D der Stütze einen gut begrenzten örtlichen Meßpunkt für die Bodenbewegung der Erdstösse darstellt.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: der Abständ D beiden Sensoren lang, von einigen Meter bis einigen Zehnkilometern gehalten wird, um schwer zu erreichende Meßpunkte an einem Meßnetz einzugliedern. Dabei muß man zwischen relativ kurzer und relativ langer Zeitdauer ΔT der Erdstöße unterscheiden. Bei Zeitdauer ΔT kleiner als die Laufzeit Δt = D/v der Erdstösse zwischen den Sensoren ΔT < Δt, gibt der Differentialseismograph direkt die Zeitfunktion s(t) des Erdbebens wieder. Der Differentialseismograph gibt aber die Zeitfunktion s(t) des Erdbebens zweimal wieder. Einmal wird, wenn der Erdstoß an einer der beiden Sensoren ankommt, s(t) im Bezug auf den anderen Sensor wiedergegeben. Ein andermal wird s(t), wenn der Erdstoß den zweiten Sensor erreicht, wiederum im Bezug auf den ersten Sensor wiedergegeben. Dies ist die Arbeitsweise des Differentialseismograph. Einer der beiden Sensoren muß immer die ankommende Zeitfunktion von dem anderen Sensor aufnehmen, um Änderungen derselben aufzuzeichnen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: der Abstand D beider Sensoren lang, von einigen Meter bis einigen Zehnkilometern gehalten wird, um schwer zu erreichende Meßpunkte in einem Meßnetz einzugliedern. Dabei muß man zwischen relativ kurzer und relativ langer Zeitdauer ΔT der Erdstöße unterscheiden. Bei Zeitdauer ΔT länger als die Laufzeit Δt = D/v der Erdstösse zwischen den Sensoren ΔT > Δt, gibt der Differentialseismograph direkt die Zeitfunktion s(t) des Erdbebens wieder für den ersten und den letzen Abschnitt Δt der Zeitdauer ΔT der Erdstösse. Für die Zeitspannen Δt am Anfang und vor Ende der Erdstösse wirkt einer der beiden Sensoren als interferometrischer Bezugpunk des anderen. Deswegen liefert der Differentialseismograph direkt die volle Funktion s(t) innerhalb beider Zeitspannen Wir nennen jetzt Anfang- und Endsensor die von der hinlaufenden Erdbebenwelle zuerst und zuletzt angetroffenen Sensoren. Wenn das Erdbeben über den Anfangssensor hinaus den Endsensor erreicht hat, ist der erste Zeitabschnitt 1Δt der Erdbebenfunktion s(t) bereits aufgezeichnet. Von diesem Zeitpunkt an zeichnet die Station gleichzeitig wiederum den ersten und den zweiten Zeitabschnitt 2Δt auf. Am Ende des zweiten Zeitabschnittes sind bereits die zugehörigen Abschnitte s(1Δt) und s(1Δt + 2Δt) aufgezeichnet. Es sollte zu diesem Zeitpunkt leicht sein, aus dem Abschnitt s(1Δt + 2Δt) die Abschnitte s(1Δt) mit Gegenzeichen –s(1Δt) zu beseitigen. Fortschreitend bleibt somit die Folge s(1Δt + 2Δt + 3Δt ... u. s. w.) = s(t) übrig.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: für langandauernde Erdstöße, bei fehlendem interferometrischen wie auch telemetrischen Bezugspunkt, trotzdem die Funktion s(t) mit einfachen Algorithmen aus den gelieferten Signalen des Differentialseismographen, gewonnen werden kann.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: man, aus dem Vergleich beider Signale (mit und ohne Freibezug) die Algorithmen für jede Länge eines Erdstoßes gewinnt. Somit kann man aus einer seismischen Station nach der vorliegenden Erfindung die Bodenbewegungsfunktion s(t) für jede Art der Erdstöße und jede Armlänge des vorliegenden Differentialseismograph gewinnen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: durch sägezahnförmige Frequenzmodulation die Trägerfrequenz in derselben Grundfrequenz des Sägezahns ohne Zuhilfenahme eines Untersetzungsoszillators umgewandelt wird. Damit werden die Phasenänderungen der Trägerfrequenz infolge Bodenerschütterungen maßstabsgetreu in dem Niederfrequenz Interferenzsignal wiedergegeben. Damit wird auch die Empfindlichkeit des Differentialseismographen um ca. drei Größenordnungen steigen, weil die Phasendemodulation in Bezug auf das Sägezahnmodulationsignal erfolgt, und Änderungen der Phasenverschiebung ab einem Grad der Niederfrequenzperiode leicht zu ermitteln sind.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: eine geschlossener Interferenzzweig für die Rauschunterdrückung des Meßsenders benutzt wird, wobei: der Interferenzzweig einer Verzögerungsleitung dieselbe Länge wie der Laufweg des Differentialseismographen vorweist. Aus dem Interferenzzweig wird eine Hilfssägezahnspannung für die Phasendemodulation des Meßinterferometers hergeleitet, wobei: weil Sägezahn und Meßsignal dieselben Störeffekte enthalten, sie sich aufheben. Die Beseitigung der Störeffekte trägt maßgebend zur hohen Empfindlichkeit und langzeitigen Stabilität des Differentialseismographen bei.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: wie die genannten Merkmale hervorheben, der vorliegende Differntialseismograph, trotz verlangten strengen Anforderungen an Empfindlichkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit, leicht für den Aufbau eines dichten Seismographennetzes geeignet ist. Ausgedehnt auf das gesamte Gebiet unter seismischem Risiko, ist das hier vorgeschlagene Seismographennetz in der Lage, eine seismische Wellenfront aufzuzeichnen. Damit kann man die Wellenfront augenblicklich, während ihrer Ausbreitung aus dem Epizentrum, verfolgen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: eine seismische Station, sowohl für senkrechte wie auch für mehrere waagerechten Differentialseismographen errichtet werden kann. Dabei wird der Senkrechtenreflektor vorzugsweise tief im Boden mit Hilfe einer Bohrung mit beliebigem Querschnitt angebracht.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: die seismischen Stationen in einen Raum von wenigen Metern Durchmesser und in einer Höhe von einigen Meter aufgestellt werden können. Mit einer Zeitkonstante von weniger als einer Mikrosekunde der Gesamtvorrichtung kann der Differentialseismograph auch mit Sensoren von kurzem Abstand, unter einem Meter, ausgestattet werden.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: ein mögliches Netz von seismischen Stationen als Beispiel für eines der am meisten betroffenen Erd- und Meerbeben Katastrophengebiete an der Meerenge von Messina aufgestellt wird. An einigen Stationen an der Küste könnte man hier einen Arm des Interferometers der Stationen für die Erfassung entfernter Punkte auf den gegenüber liegenden Bergketten benutzen. Damit könnte man schwer zu erreichende Meßpunkte, einfach mit Hilfe von im Felsen eingebetteten Reflektoren, an die Netze der seismischen Stationen anschließen. Seismische Stationen an der Küste bieten auch die kürzeste Entfernung, um Meerbeben zu erfassen. Eine ausgedehntes Netz von Differentialseismographen erlaubt jedem Bürger im ständigen Kontakt mit seinem Territorium zu leben. Alle Merkmale betreffs Häufigkeit, Lage, Stärke, Ausbreitung und Struktur der schwachen Beben erlauben dem Bürger, Indizien der geologischen Beschaffenheit seines Gebietes zu erkennen. Damit wird der Bürger vorbereitet, genauso wie bei Blitzen in Gewittern, die für sein Leben unschätzbare Vorwarnungsekunde eines bevorstehenden Starkbebens zu nutzen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: die gelieferte Bodenbewegung in μm, mm oder in höheren Maßen aus dem vorliegende Differentialseismograph eine klare Aussage für eine zuverlässige Korrelation der Bodenbewegung mit einer seismischen Skala ist. Sie vermag augenblicklich ein zuverlässiges Maß der bevor stehenden Stärke des Bebens zu erkennen.
Interferometrischer Differentialseismograph gemäß der vorangehenden Ansprüche wobei: einzelne Differentialseismographen zwischen den Wänden oder zwischen Boden und Dachbalken von Gebäude installiert werden können. Aus den aufzeichneten Wandbewegungen infolge seismischer Vorkommnisse kann man schwache Stellen der seismischen Gebäudefestigkeit erkennen.