Seismograf

Latar Belakang

Seismograf adalah instrumen yang dirancang untuk mendeteksi dan mengukur getaran di dalam bumi, dan rekaman yang dihasilkannya dikenal sebagai seismogram. Seperti banyak istilah lain yang dimulai dengan awalan ini, kata-kata ini berasal dari bahasa Yunani seismos, yang berarti "kejutan" atau "gempa bumi". Meskipun jenis seismograf tertentu digunakan untuk survei bawah tanah, perangkat ini paling dikenal untuk mempelajari gempa bumi.

Seismograf terdiri dari pendulum yang dipasang pada alas penyangga. Pendulum pada gilirannya terhubung ke perekam, seperti pena tinta. Ketika tanah bergetar, bandul tetap diam saat perekam bergerak, sehingga menciptakan rekaman pergerakan bumi. Seismograf tipikal berisi 3 pendulum:satu untuk merekam gerakan vertikal dan dua untuk merekam gerakan horizontal.

Seismograf berevolusi dari seismoskop, yang dapat mendeteksi arah getaran atau gempa tetapi tidak dapat menentukan intensitas atau pola getarannya. Perangkat paling awal yang digunakan untuk mendeteksi gempa bumi diciptakan oleh seorang sarjana Cina, Chang Heng, sekitar tahun 132 M. Catatan terperinci mengungkapkan bahwa itu adalah perangkat yang indah dan cerdik yang terdiri dari silinder tembaga yang dihias dengan indah dengan delapan kepala naga yang ditempatkan di sekitar lingkar atasnya, menghadap ke luar. Di sekeliling lingkaran bawah, tepat di bawah kepala naga, ada delapan katak tembaga. Di mulutnya, masing-masing naga memegang bola kecil yang jatuh ke mulut katak di bawahnya ketika batang di dalam silinder, fleksibel dan berbobot di ujung atasnya, dipicu oleh gempa bumi. Katak tertentu yang menangkap bola yang jatuh menunjukkan arah umum gempa.

Selama lebih dari seribu tujuh ratus tahun studi gempa bumi bergantung pada instrumen yang tidak tepat seperti milik Chang Heng. Selama berabad-abad berbagai seismoskop dibangun, banyak mengandalkan deteksi riak di genangan air atau merkuri cair. Salah satu perangkat tersebut, mirip dengan mekanisme katak dan naga, menampilkan piringan merkuri yang dangkal yang akan tumpah ke piring kecil yang ditempatkan di sekitarnya ketika terjadi getaran. Jenis seismoskop lainnya, yang dikembangkan selama abad kedelapan belas, terdiri dari pendulum yang digantung di langit-langit dan dipasang pada penunjuk yang diseret dalam nampan pasir halus, bergerak ketika getaran mengayunkan pendulum. Selama abad kesembilan belas, seismometer pertama dibangun; itu menggunakan berbagai jenis pendulum untuk mengukur ukuran getaran bawah tanah.

Seismograf sejati pertama mungkin merupakan mekanisme kompleks yang dirancang oleh ilmuwan Italia Luigi Palmieri pada tahun 1855. Mesin ini menggunakan tabung yang diisi dengan merkuri dan dilengkapi dengan kontak listrik dan pelampung. Ketika getaran mengganggu merkuri, kontak listrik secara bersamaan menghentikan jam dan memicu perangkat yang merekam pergerakan pelampung, yang secara kasar menunjukkan waktu dan intensitas gempa. Seismograf akurat pertama dikembangkan di Jepang pada tahun 1880 oleh ahli geologi Inggris John Milne, yang sering dikenal sebagai bapak seismologi. Bersama dengan sesama ilmuwan ekspatriat James Alfred Ewing dan Thomas Gray, Milne menemukan banyak perangkat seismologi yang berbeda, salah satunya adalah seismograf pendulum horizontal. Instrumen canggih ini terdiri dari batang berbobot yang, ketika terganggu oleh getaran, menggeser pelat yang dipotong. Pergerakan lempeng memungkinkan cahaya yang dipantulkan bersinar melalui celah, serta melalui celah stasioner lain di bawahnya. Jatuh ke kertas peka cahaya, cahaya itu kemudian menuliskan catatan getaran. Saat ini sebagian besar seismograf masih mengandalkan desain dasar yang diperkenalkan oleh Milne dan rekan-rekannya, dan para ilmuwan terus mengevaluasi getaran dengan mempelajari pergerakan bumi relatif terhadap pergerakan pendulum.

Seismograf elektromagnetik pertama ditemukan pada tahun 1906 oleh seorang Pangeran Rusia, Boris Golitsyn, yang mengadaptasi prinsip induksi elektromagnetik yang dikembangkan oleh fisikawan Inggris Michael Faraday selama abad kesembilan belas. Hukum induksi Faraday mendalilkan bahwa perubahan intensitas magnet dapat digunakan untuk menghasilkan arus listrik. Memasukkan sila ini, Golitsyn membangun sebuah mesin di mana getaran menyebabkan kumparan bergerak melalui medan magnet, sehingga menghasilkan arus listrik yang dimasukkan ke dalam galvanometer, perangkat yang mengukur dan mengarahkan arus. Arus kemudian berfluktuasi seperti cermin yang mengarahkan cahaya di peralatan Milne. Keuntungan dari sistem elektronik ini adalah bahwa perekam dapat dipasang di tempat yang nyaman seperti laboratorium, sedangkan seismograf itu sendiri dapat dipasang di lokasi yang jauh.

Selama abad kedua puluh, Program Deteksi Uji Nuklir telah memungkinkan seismologi modern. Terlepas dari bahaya gempa bumi yang nyata, seismologi tidak dapat memerintahkan sejumlah besar seismograf sampai ancaman ledakan nuklir bawah tanah mendorong pembentukan Jaringan Seismograf Terstandarisasi Dunia (WWSSN) pada tahun 1960. Jaringan tersebut menyiapkan 120 seismograf di 60 negara, dan, di bawah naungannya, seismograf menjadi jauh lebih canggih. Dikembangkan setelah Perang Dunia II, seismograf Press-Ewing memungkinkan para peneliti untuk merekam apa yang disebut gelombang seismik periode panjang, getaran yang menempuh jarak jauh dengan kecepatan yang relatif lambat. Seismograf ini menggunakan pendulum seperti yang digunakan pada model Milne, tetapi menggantikan poros yang menopang batang dengan kawat elastis untuk mengurangi gesekan. Inovasi pasca perang lainnya termasuk jam atom untuk membuat pengaturan waktu lebih akurat, dan pembacaan digital yang dapat dimasukkan ke komputer. Namun, yang paling penting Diagram alir ini menunjukkan langkah-langkah yang terlibat dalam pembuatan dan pemasangan seismograf. Bahan utama yang digunakan adalah aluminium, diikuti oleh peralatan listrik biasa yang terdiri dari tembaga, baja, kaca, dan plastik. Unit dasar terdiri dari pendulum di dalam wadah kedap udara yang dipasang dengan engsel dan kawat (untuk unit horizontal) atau pegas (untuk unit vertikal) ke kerangka pendukung yang dipasang dengan kuat di tanah. Perkembangan zaman modern adalah implementasi dari seismograf array. Array ini, beberapa terdiri dari ratusan seismograf, dihubungkan ke perekam pusat tunggal. Dengan membandingkan seismogram diskrit yang dihasilkan oleh berbagai stasiun, peneliti dapat menentukan pusat gempa (titik di permukaan bumi tepat di atas asal gempa).

Saat ini, tiga jenis seismograf digunakan dalam penelitian gempa, masing-masing dengan periode yang sesuai dengan skala getaran yang akan diukur (periode adalah lamanya waktu yang diperlukan pendulum untuk menyelesaikan satu osilasi penuh). Seismograf periode pendek digunakan untuk mempelajari getaran primer dan sekunder, gelombang seismik yang bergerak paling cepat. Karena gelombang ini bergerak begitu cepat, seismograf periode pendek membutuhkan waktu kurang dari satu detik untuk menyelesaikan satu osilasi penuh; itu juga memperbesar seismogram yang dihasilkan sehingga para ilmuwan dapat melihat pola gerakan cepat bumi. Pendulum dalam seismograf periode panjang (menengah) umumnya membutuhkan waktu hingga dua puluh detik untuk berosilasi, dan pendulum digunakan untuk mengukur gelombang yang bergerak lebih lambat seperti gelombang Love dan Rayleigh, yang mengikuti gelombang primer dan sekunder. WWSSN saat ini menggunakan jenis instrumen ini. Seismograf yang bandulnya memiliki periode terpanjang disebut ultra-panjang atau pita lebar instrumen. Seismograf pita lebar semakin sering digunakan untuk mengembangkan pemahaman yang lebih komprehensif tentang getaran global.

Bahan Baku

Komponen seismograf adalah standar. Bahan yang paling penting adalah aluminium, diikuti oleh peralatan listrik biasa yang terdiri dari tembaga, baja, kaca, dan plastik. Seismograf modern terdiri dari satu atau lebih seismometer yang mengukur getaran bumi. Seismometer terdiri dari pendulum (massa inert) di dalam wadah kedap udara yang dipasang dengan engsel dan kawat (untuk unit horizontal) atau pegas (untuk unit vertikal) ke kerangka pendukung yang dipasang dengan kuat di tanah. Satu atau lebih kumparan listrik dipasang pada bandul dan ditempatkan di dalam medan magnet. Bahkan gerakan koil yang sangat kecil akan menghasilkan sinyal listrik yang kemudian dimasukkan ke dalam amplifier dan filter dan disimpan dalam memori komputer untuk dicetak nanti. Seismograf yang kurang canggih akan memiliki cermin yang menyinari kertas peka cahaya (seperti dalam seismograf Milne), pena yang menulis dengan tinta cepat kering di atas gulungan kertas, atau pena panas yang menandai kertas termal.

Desain

Permintaan seismograf gempa tidak terlalu tinggi; itu dapat dipenuhi oleh beberapa produsen yang merancang seismograf yang dibuat khusus untuk memenuhi kebutuhan peneliti tertentu. Jadi, meskipun komponen dasar seismograf adalah standar, fitur tertentu dapat disesuaikan untuk melayani tujuan tertentu. Misalnya, seseorang mungkin memerlukan instrumen yang lebih sensitif untuk mempelajari peristiwa seismik yang jaraknya ribuan mil. Seismolog lain mungkin memilih instrumen yang pendulumnya memiliki periode singkat hanya beberapa detik untuk mengamati getaran gempa paling awal. Untuk studi bawah air, seismograf harus submersible.

Manufaktur
Proses

Memilih situs

• 1 Sebuah situs mungkin menarik bagi ahli gempa karena beberapa alasan. Yang paling kentara adalah wilayah tersebut rawan gempa, mungkin karena berdekatan dengan patahan atau rekahan di kerak bumi. Rekahan semacam itu membuat salah satu blok tanah yang berdampingan dengannya terlepas, menyebabkan blok tersebut bergeser lebih tinggi, lebih rendah, atau sejajar secara horizontal dengan patahan, dan membuat area tersebut rentan terhadap ketidakstabilan lebih lanjut. Sebuah seismograf juga dapat dipasang di wilayah yang saat ini tidak memilikinya, sehingga ahli seismograf dapat mengumpulkan data untuk gambaran yang lebih lengkap tentang wilayah tersebut.
• 2 Meskipun beberapa seismograf ditempatkan di ruang bawah tanah universitas atau museum untuk tujuan pendidikan, lokasi ideal untuk penelitian gempa akan lebih terpencil. Untuk merekam gerakan seismik bumi dengan lebih akurat, seismograf harus ditempatkan di tempat yang minim lalu lintas dan getaran lainnya. Dalam beberapa kasus, terowongan yang tidak digunakan dapat disesuaikan. Di lain waktu, gua bawah tanah alami juga tersedia. Peneliti seismologi bahkan dapat memilih untuk menggali sumur dan menempatkan instrumen di dalamnya jika tidak ada lubang bawah tanah lain di mana seismograf dianggap diinginkan. Seismograf di atas tanah juga dimungkinkan, tetapi harus diletakkan di atas fondasi batu yang kokoh.

Memasang unit seismometer

• 3 Di pabrik khusus, bagian komponen seismograf dirakit dan disiapkan untuk pengiriman. Pertama, bandul dipasang ke pegas lunak (jika unit vertikal) atau kabel (jika unit horizontal) dan digantung di dalam silinder. Sementara seismometer horizontal berisi pendulum yang dipasang pada kawat, unit vertikal menggunakan pegas sebagai gantinya. Ketika tanah bergetar selama gempa bumi, bandul tetap diam saat perekam bergerak, sehingga menciptakan rekaman pergerakan bumi.
  Beberapa perekam terdiri dari kumparan yang menghasilkan sinyal listrik, yang pada gilirannya disimpan dalam memori komputer untuk dicetak nanti. Seismograf yang kurang canggih akan memiliki cermin yang menyinari kertas peka cahaya, pena yang menulis dengan tinta cepat kering di atas gulungan kertas, atau pena panas yang menandai kertas termal. antara kumparan listrik. Selanjutnya, kumparan dihubungkan ke papan sirkuit tercetak dan ditempatkan di dalam badan seismograf. Seluruh unit pada gilirannya dapat dihubungkan ke tape recorder audio digital, yang menerima arus yang dihasilkan oleh kumparan dan ditransfer ke papan sirkuit. Jika peralatan perekam data terdiri dari peralatan yang lebih tradisional, seperti gulungan kertas dan pulpen, sekarang peralatan tersebut sudah terpasang pada unit. Tergantung pada tujuan akhir, seismograf dikirim dengan truk atau pesawat dalam peti yang empuk oleh pengangkut yang berpengalaman dalam memindahkan peralatan elektronik yang rumit.

Memasang unit seismometer

• 4 Seismograf yang dimaksudkan untuk tujuan pendidikan dapat dibaut ke beton lantai ruang bawah tanah, tetapi seismograf penelitian paling baik terletak jauh dari getaran bangunan yang tak terhindarkan. Mereka baik dipasang langsung ke batuan dasar dalam kasus di mana presisi tinggi diperlukan, atau di tempat tidur beton. Dalam kedua kasus, tanah dihilangkan dan tanah diratakan. Pada contoh kedua, tempat tidur beton dituangkan dan dibiarkan mengeras.
• 5 Setelah alas disiapkan, unit seismometer dibaut ke tempatnya. Dalam beberapa kasus di mana sensitivitas yang besar diperlukan, itu akan ditempatkan di lemari besi di mana suhu dan kelembaban dikendalikan. Unit seismometer biasanya dipasang di lapangan, gua, atau kubah yang dipilih, sedangkan amplifier, filter, dan peralatan perekaman ditempatkan secara terpisah.
• 6 Dalam seismologi modern, biasanya beberapa unit seismometer disusun pada jarak satu sama lain. Setiap unit seismometer mengirimkan sinyal ke lokasi pusat, di mana data dapat dicetak dan dipelajari. Sinyal dapat disiarkan dari antena yang terpasang di dalam unit, atau, dalam unit yang lebih canggih, dipancarkan ke satelit.

Kontrol Kualitas

Seismograf dirancang untuk menahan elemen. Mereka tahan air dan tahan debu, dan banyak yang dirancang untuk berfungsi meskipun suhu ekstrim dan kelembaban tinggi, tergantung di mana mereka akan dipasang. Terlepas dari sensitivitas dan persyaratan perlindungannya, banyak seismograf telah diketahui bertahan selama 30 tahun. Pekerja kontrol kualitas di pabrik memeriksa desain dan produk akhir untuk melihat apakah mereka memenuhi permintaan pelanggan. Semua bagian diperiksa untuk toleransi dan kesesuaian, dan seismograf diuji untuk melihat apakah berfungsi dengan baik. Selain itu, sebagian besar seismograf memiliki perangkat pengujian bawaan sehingga dapat diuji setelahnya Seismograf tipikal berisi 3 pendulum:satu untuk merekam gerakan vertikal dan dua untuk merekam gerakan horizontal. Unit seismometer biasanya dipasang di lapangan, gua, atau kubah, sedangkan amplifier dan peralatan perekam ditempatkan secara terpisah. dipasang dan sebelum mulai bekerja. Pemrogram komputer yang memenuhi syarat juga menguji perangkat lunak untuk bug sebelum pengiriman. Sementara sensitivitas dan akurasi penting, waktu juga penting, terutama dalam prediksi gempa. Sebagian besar seismograf modern terhubung ke jam atom yang dikalibrasi ke Waktu Universal (sebelumnya disebut Waktu Greenwich), sehingga memastikan informasi yang sangat akurat yang dapat dipahami oleh semua peneliti.

Aspek penting lain dari kontrol kualitas dengan seismograf modern adalah meminimalkan kesalahan manusia. Sementara seismograf sebelumnya sederhana, dan hampir semua orang dapat mempelajari cara menggunakannya, seismograf kontemporer adalah perangkat sensitif dan presisi yang kompleks dan sulit digunakan. Saat ini, peneliti dan pekerja seismograf harus dilatih oleh para insinyur dan ilmuwan dari fasilitas manufaktur jika mereka sendiri belum memiliki kualifikasi sebagai insinyur dan ilmuwan. Mereka harus belajar bagaimana menjalankan dan memelihara seismograf serta semua peralatan bantu seperti komputer.

Masa Depan

Seismologi paling dikenal untuk studi gempa bumi. Penekanannya bukan pada studi teoretis tentang struktur bumi, melainkan pada prediksi dan pengurangan dampak gempa bumi di daerah yang rentan. Studi interior bumi telah diarahkan untuk mencari deposit minyak, pengujian ketidakstabilan tanah sebelum konstruksi, dan melacak ledakan nuklir bawah tanah. Prediksi gempa, bagaimanapun, adalah yang terpenting. Jika peneliti dapat menentukan sebelumnya bahwa gempa akan terjadi, tindakan pencegahan seperti peningkatan personel rumah sakit dan keselamatan dapat dijadwalkan. Prediksi gempa resmi pertama yang dikeluarkan oleh pemerintah Amerika Serikat terjadi hanya pada tahun 1985. Oleh karena itu, prediksi gempa masih dalam tahap awal. Gempa bumi besar baru-baru ini seperti yang terjadi di San Francisco pada tahun 1989 telah mengintensifkan studi tentang patahan San Andreas. Saat ini, tim seismolog sedang mempelajari segmen Parkfield dari patahan itu untuk menentukan apakah mereka dapat memprediksi gempa kecil. Data dari upaya ini dapat berguna untuk memprediksi gempa bumi besar di daerah yang lebih padat penduduknya. Perkembangan lainnya termasuk seismograf yang lebih sensitif dan lebih tahan lama yang dapat merekam gelombang periode panjang dan pendek. Seorang ilmuwan bumi percaya bahwa sistem peringatan gempa dapat dibuat. Sistem seperti itu akan membutuhkan seismograf untuk menangkap getaran, komputer untuk menafsirkannya sebagai gempa yang akan segera terjadi, dan sistem komunikasi untuk memperingatkan personel darurat pada waktunya. Beberapa ahli membayangkan array besar seismograf di daerah rawan gempa, di mana pemilik seismograf individu dapat mengumpulkan dan mengirimkan data ke seismolog.