Sismometria

Aparelhos

Um instrumento sísmico é um instrumento capaz de medir e registar o movimento do solo num determinado local da superfície da Terra. Efetua a transdução do verdadeiro movimento do solo numa nova grandeza de que resulta um registo ou sismograma, mais facilmente compreensível. Idealmente, deve ser composto por 3 elementos, habitualmente orientados segundo a direção S→N (N), W→E (E) e vertical (Z, positivo para cima), de modo a medir o movimento do solo nas 3 direções espaciais.
Os instrumentos sísmicos devem possuir as seguintes características essenciais:
  • detetar o movimento do solo num referencial inercial (o sensor sísmico move-se solidariamente com o solo onde está assente);
  • ser sensível (isto é, deve ser capaz de detetar pequenos movimentos);
  • fazer o registo ao logo do tempo num sistema de referência Global como o Tempo Universal Coordenado;
  • ter uma resposta linear ao movimento do solo com uma resposta instrumental conhecida;

Os instrumentos sísmicos podem ser desenhados para medir o deslocamento, a velocidade ou a aceleração do solo. Os sensores que medem a velocidade (e que também são usados para medir o deslocamento do solo), são designados por sismómetros. Os sensores que medem diretamente a aceleração designam-se mais adequadamente por acelerómetros.
De um modo simples, são necessários três componentes principais: o sensor, o amplificador e o registador. O sensor (o sismómetro propriamente dito), é o elemento que deteta o movimento do solo e o converte num sinal que possa ser registado de forma conveniente. Em física chamam-se, em geral, transdutores a sistemas ou instrumentos que permitem converter uma grandeza (neste caso, o movimento do solo) numa outra grandeza (tensão elétrica ou movimento de uma caneta registadora, nos aparelhos antigos), possibilitando tratar mais facilmente os resultados.
Embora a maioria dos sensores, incluindo os sismómetros eletromagnéticos, funcionem com base no princípio de inércia, muitos dos aparelhos que equipam as modernas estações sísmicas baseiam o seu funcionamento no princípio do balanceamento de forças. De utilização menos comum, existem ainda diferentes outros tipos de aparelhos usados em sismometria, como extensómetros ou inclinómetros.

Princípio de funcionamento

A maioria dos sismómetros tem como princípio de funcionamento o movimento forçado de um pêndulo (massa), seja ele vertical ou horizontal. Uma vez que os aparelhos estão localizados sobre a superfície da Terra, movimentam-se solidariamente com ela. Assim, quando o solo se move devido à chegada das ondas sísmicas, produz um deslocamento da estrutura do sismómetro em relação à massa, devido à sua inércia. Este movimento, depois de amplificado e filtrado, é registado como função do tempo em sismogramas. A partir desse deslocamento relativo é possível deduzir o movimento do solo. Estes sensores sísmicos baseiam assim o seu funcionamento na lei de inércia (sismómetros inerciais). São exemplos deste tipo de instrumento os sismómetro eletromagnéticos.
Os sismómetros inerciais convencionais, como o sismómetro eletromagnético, são instrumentos passivos: o movimento do solo perturba a posição da massa e é este movimento (deslocamento), ou a sua velocidade que são detetados e convertidos num sinal elétrico. Atualmente, este princípio apenas se usa em sensores de curto período (período natural de 5s ou inferior). A principal limitação deste tipo de sensor encontra-se na sua resposta a baixas frequências (períodos longos). Nestes casos, em que o deslocamento do solo é caracterizado por um período muito longo, a massa do sismómetro poderá não ter tempo para acompanhar a movimentação do solo, pelo que o deslocamento não é registado. Outra limitação resulta do facto de, sendo sensores inerciais, não conseguirem registar deslocamentos que possuam velocidade constante. Estes sensores podem também originar registos saturados para eventos locais com magnitudes elevadas, afetando assim a determinação da magnitude e a localização do evento.
Um outro tipo de aparelhos são os instrumentos baseados em sensores do tipo FBA (Force Balanced Accelerometers ou Acelerómetros de Força Balanceada), que são o coração dos modernos acelerómetros e sismómetros de banda larga (frequências na faixa de 0.01 - 50 Hz). Ao contrário dos sensores de inércia, que dependem do movimento da massa em relação ao corpo do sismómetro, este tipo de sensor sísmico utiliza o princípio do balanceamento de forças (ou princípio da força restauradora): a força de inércia que seria responsável pelo movimento aparente da massa em relação ao corpo do sismómetro é compensada por uma força gerada eletronicamente no sentido oposto, de modo que a massa permaneça praticamente estacionária. Esta força é gerada por uma corrente elétrica que percorre uma bobina. Esta corrente elétrica, necessária para equilibrar a força externa, é proporcional a essa força. A medição da corrente elétrica fornece uma medida proporcional à aceleração externa (pela lei fundamental da dinâmica), pelo que este sensor mede diretamente a aceleração do movimento (acelerómetro). Este sensor contém dois transdutores: um transdutor de deslocamento (responsável pelo registo do deslocamento da massa, através da corrente elétrica que produz, em função do deslocamento), e um transdutor de força eletromagnética (que, de acordo com a corrente elétrica produzida, exerce uma força que mantém a massa na sua posição inicial).
Os instrumentos que baseiam o seu funcionamento no princípio da força restauradora, como os sensores de longo período, sensores de banda larga e acelerómetros, são instrumentos ativos: para que a força de compensação gerada pelo transdutor de força eletromagnética tenha a mesma intensidade, mas sentido contrário à força externa criada pelo movimento do solo, é necessário o uso de um sistema ativo de feedback negativo (retroalimentação). Em teoria, estes sensores deveriam funcionar desde uma frequência nula (nível contínuo) até uma frequência infinita. Na prática, o circuito de realimentação tem sempre algum atraso, deixando de funcionar a partir de uma certa frequência, normalmente bastante elevada (centenas ou milhares de Hz). Os primeiros sensores de força restauradora surgiram a partir do início de 1980. Por possuírem uma elevada sensibilidade ao longo de uma vasta gama de frequências, pode ser utilizado apenas um destes sensores em locais onde antes seriam necessários dois ou mais sensores com bandas de sensibilidades distintas.
Princípio de funcionamento do sismómetro (ou sismógrafo) inercial, vertical e horizontal. Quando o solo se move devido à chegada das ondas sísmicas, produz um deslocamento da estrutura do sismómetro em relação ao pêndulo, devido à sua inércia (sensor inercial).

(Fonte: moodle.fct.unl.pt/)


Esquema de funcionamento dos aparelhos baseados no princípio da força restauradora (FBA, Force Balanced Accelerometers). Estes aparelhos têm dois transdutores: um transdutor de deslocamento (responsável pelo registo do deslocamento da massa), e um transdutor de força eletromagnética (que mede a força, logo a aceleração, necessária para manter a massa na sua posição inicial).

(Fonte: Arruda, R. S (2018), Tese de Mestrado)

Características dos aparelhos

Bandas de frequência usadas em diversas aplicações. A escolha do sensor mais adequado deve relacionar-se com a aplicação desejada. Os sensores de banda larga (BB), por terem uma ampla banda de frequências (de 0.01 Hz a 50 Hz) podem ser usados num grande número de aplicações.

(Fonte: Curso Formadores IPMA. Cap. 8)


Gráfico com bandas de frequência de interesse sismológico, associadas a diferentes eventos e tipos de ondas. A sismologia de banda larga permite o estudo destas bandas de frequências.

(Fonte: gfz-potsdam.de)


Resposta em frequência de sensores de movimentos fracos. Os sensores de banda larga (BB e VBB) respondem a uma ampla banda de frequências (de 0.001 Hz a 50 Hz).

(Fonte: Tsunami Warning Systems)


Registo saturado de um sismo ocorrido no centro do Alasca, a 3 de novembro de 2002, feito por um sismómetro de banda larga. Os sensores de movimentos fracos podem ter o seu registo saturado ("clipping") em sismos moderados a fortes. Os sensores de movimentos fortes, acelerómetros, permitem registar o movimento do solo para além do ponto em que o sinal de outros sensores satura.

(Fonte: Tsunami Warning Systems)

A escolha entre sismómetros (sensores de movimentos fracos) ou acelerómetros (sensores de movimentos fortes), o número de componentes por sensor, a sensibilidade dos sensores, a sua dinâmica, a banda de frequências que é registada ou a precisão exigida na sua operação, devem ser tidos em conta na escolha das características do equipamento mais adequado para o fim em vista.
Banda de frequência. Não existem instrumentos que cubram toda a faixa de frequências possíveis de ocorrer, que vai de cerca de 0.00001 Hz (100000 s), podendo alcançar frequências de até 1000 Hz (0.001 s), por isso os instrumentos são geralmente referidos pela sua faixa de frequência. Embora existam equipamentos com faixas de frequência relativamente grandes, chamados de instrumentos de banda larga ou banda muito larga (Broad Band, BB, ou Very Broad Band VBB), os custos crescem geralmente com o aumento da faixa de frequência do equipamento.
Resposta em frequência. Os sensores dão uma resposta plana em velocidade (sensores de velocidade) ou em aceleração (sensores de aceleração) numa dada gama de frequência. A faixa dinâmica ou a sensibilidade do sensor podem depender da frequência pelo que, embora um sensor possa ter uma faixa de frequência de atuação grande, pode ser otimizado apenas para um pequeno intervalo.
Sensibilidade. É a expressão do menor sinal que pode ser resolvido pelo instrumento, sendo atualmente limitada pelo ruído gerado pelas partes eletrónicas do sensor e do sistema de aquisição. Idealmente, um sensor deve ser capaz de resolver o ruído do solo na sua principal banda de frequência; por outras palavras, o ruído deve estar abaixo do New Low Noise Model (NLNM). No entanto, isto só ocorre com os melhores sensores, apesar de mesmo alguns sensores passivos ficam abaixo do NLNM em parte da sua faixa de frequência.
Faixa dinâmica. É a proporção entre o maior e o menor sinal que um sensor pode identificar; é expressa em unidades de decibéis (dB). Idealmente esta deveria ser superior a 200 dB, mas os sistemas de digitalização não suportam mais do que 155 dB. Os melhores sensores ativos têm uma faixa dinâmica acima de 150 dB, mas a maioria destes sensores têm faixas dinâmicas situadas entre 120 e 140 dB.
Linearidade. No sensor ideal existe linearidade entre o sinal de entrada e o sinal de saída. Idealmente o sensor deve-se comportar como um sistema linear (por ex., quando se duplica o sinal de entrada, o sinal de saída também deverá duplicar). Neste aspeto, os sensores passivos são mais fracos, uma vez que não é fácil produzir sistemas oscilantes que se comportam de forma linear. Os sensores ativos com sistema de feedback têm melhor linearidade do que os sensores passivos, uma vez que a massa praticamente não se move. Um sensor considerado bom possui linearidade acima de 1%.
Ganho. O ganho é expresso pela constante de transdução. É dado em V/(m/s) para sensores de velocidade e em V/g para acelerómetros; quanto maior for o ganho melhor. No entanto, atualmente este parâmetro é facilmente compensado pelo sistema de aquisição.
Quanto à banda de frequência do registo sísmico, os sensores de movimentos fracos agrupam-se em 3 grandes categorias: curto período (SP); banda larga (BB) e banda muito larga (VBB). Os sensores de longo período (LP), com um período natural entre 20 e 30 s, que eram um componente habitual dos observatórios sismológicos até à década de 1980, deixaram de ser usados em novas instalações, mas é frequente simular os seus registos para facilitar a análise de sismos distantes.
  • sensores de curto período (SP - Short Period); registam sinais com frequências que vão dos 0.1 Hz (período de 10 s) aos 100 Hz (período de 0.01 s); têm tipicamente uma frequência natural de 1 Hz e uma resposta plana à velocidade do solo para frequências superiores à sua frequência natural; os sensores eletromagnéticos são sensores deste tipo;
  • sensores de banda larga (BB - Broadband); têm uma resposta plana à velocidade do solo para frequências entre 0.01 Hz (período de 100 s) e 50 Hz (período de 0.02 s); os aparelhos STS-2 (0.008 a 40 Hz) e Guralp CMG40T são exemplos deste tipo de sensores;
  • sensores de banda muito larga (VBB - Very Broadband); medem desde frequências inferiores a 0.001 Hz (período de 1000 s) até 10 Hz (período de 0.1 s); um exemplo típico é o aparelho STS-1, já descontinuado, que é mesmo sensível às marés terrestres;

Atualmente os sismómetros têm uma elevada dinâmica, que leva a que o registo sature apenas com os movimentos mais fortes. Os sensores de banda larga disponíveis no mercado são de tal modo sensíveis que permitem assegurar o registo sísmico fiável, mesmo para níveis inferiores ao ruído sísmico ambiental mais baixo. Isso exige condições adequadas de instalação no que respeita às várias fontes possíveis de ruído. Se essas condições não forem possíveis, será mais adequado um instrumento mais económico, um geofone ou um acelerómetro.
Os sensores de movimentos fortes, os acelerómetros, têm uma banda passante plana em aceleração que vai desde o nível contínuo (DC) até tipicamente 200 Hz (período de 0.005 s). Comparativamente aos sensores de velocidade, os acelerómetros são mais sensíveis nas altas frequências e menos sensíveis nas baixas frequências. Caso não tenham um filtro que limite a resposta DC, os acelerómetros (por dupla integração), podem ser usados para medir deslocamentos cosísmos. Atualmente, os acelerómetros possuem uma elevada sensibilidade e dinâmica (superior a 100 dB) o que lhes permite registar não só os movimentos fortes, mas também os pequenos sismos, com fiabilidade. No entanto, o seu ganho não deve ser exagerado, para que não deixem de cumprir a sua função primária: registar sem saturação os movimentos mais fortes expectáveis no local de instalação.
Embora os sensores de longo período ou de banda larga usem o mesmo princípio de funcionamento dos acelerómetros (princípio da força restauradora), um acelerómetro não faz um bom sensor de banda larga, isto é, um aparelho com uma banda passante desde um período de 100 s (0.01 Hz) ou superior até uma frequência de 50 Hz ou superior. Nas altas frequências o acelerómetro é de tal forma sensível que saturaria rapidamente apenas com o ruído ambiental. Nas baixas frequências, pequenas perturbações ambientais (temperatura ou pressão) ou alterações na instalação (pequena inclinação) provocariam um desequilíbrio na massa que introduziria um sinal contínuo que rapidamente saturaria o registo sísmico. Por isso, os sensores de banda larga, apesar de se basearem no mesmo princípio, são concebidos para serem sensores de velocidade (e não de aceleração). A sua banda passante não ultrapassa os 300 s na frequência mais baixa.