الجيوفون

الجيوفون هو جهاز يحول حركة الأرض (السرعة) إلى جهد كهربائي ، والذي يمكن تسجيله في محطة تسجيل. يُطلق على انحراف هذا الجهد المقاس عن خط الأساس اسم الاستجابة الزلزالية ، ويتم تحليله لتحديد بنية الأرض.

مصطلح "جيوفون " مشتق من الكلمة اليونانية "γῆ (ge)" التي تعني " الأرض " و"phone" التي تعني "الصوت".

لطالما كانت أجهزة الجيوفون أجهزة تناظرية سلبية ، وتتألف عادةً من ملف سلكي مثبت بنابض يتحرك داخل مجال مغناطيسي دائم مثبت في غلاف لتوليد إشارة كهربائية. ^{[ 1 ]} أما التصاميم الحديثة فتعتمد على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) التي تولد استجابة كهربائية لحركة الأرض من خلال دائرة تغذية راجعة نشطة للحفاظ على موضع قطعة صغيرة من السيليكون.

تتناسب استجابة الجيوفون ذي الملف/المغناطيس طرديًا مع سرعة الأرض، بينما تتناسب استجابة أجهزة MEMS عادةً طرديًا مع التسارع . تتميز أجهزة MEMS بمستوى ضوضاء أعلى بكثير (  أعلى بمقدار 50 ديسيبل من السرعة) من الجيوفونات، ولا يمكن استخدامها إلا في حالات الحركة القوية أو التطبيقات الزلزالية النشطة.

يُظهر جهاز الجيوفون استجابة ترددية مماثلة للمذبذب التوافقي ، وتتحدد هذه الاستجابة كليًا بتردد القطع (عادةً حوالي 10  هرتز) ومعامل التخميد (عادةً 0.707). ولأن تردد القطع يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي للكتلة المتحركة، فإن أجهزة الجيوفون ذات ترددات القطع المنخفضة (أقل من 1  هرتز) تصبح غير عملية. ويمكن خفض تردد القطع إلكترونيًا، ولكن على حساب زيادة الضوضاء والتكلفة.

على الرغم من أن الموجات التي تمر عبر الأرض ثلاثية الأبعاد، فإن أجهزة الجيوفون عادةً ما تقتصر على الاستجابة لبُعد واحد - عادةً البُعد الرأسي. مع ذلك، تتطلب بعض التطبيقات استخدام الموجة كاملةً، ولذا تُستخدم أجهزة الجيوفون ثلاثية المكونات (3-C). في الأجهزة التناظرية، تُركّب ثلاثة عناصر ملف متحرك بشكل متعامد داخل غلاف واحد.

تتشابه الجيوفونات مع أجهزة قياس الزلازل في تصميمها، وتُستخدم أيضًا لتسجيل الموجات الزلزالية . في الماضي، كانت هناك اختلافات واضحة بين الجيوفونات وأجهزة قياس الزلازل. فمقارنةً بالجيوفونات التقليدية، تُعد أجهزة قياس الزلازل أكثر ملاءمةً لرصد الحركات الأرضية الصغيرة جدًا، نظرًا لتغطيتها نطاقًا تردديًا أوسع، يشمل نطاق الترددات الأقل من ترددها الطبيعي ، والذي يتراوح عادةً بين 0.01 و50 هرتز. ^{[ 2 ]} أما في الجيوفونات التقليدية، فيتراوح نطاق التردد بين 1 و15 هرتز. وهي أرخص من أجهزة قياس الزلازل، ولذلك تُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في المصفوفات لرصد مساحات واسعة بدقة متخصصة أفضل. ^{[ 2 ]} مع ذلك، ومع تطور التقنيات الحديثة، ازداد نطاق التردد في الأجهزة المدمجة بشكل ملحوظ، بحيث باتت الجيوفونات قادرة على تغطية نطاقات ترددية من 0 إلى 500 هرتز، وبدأت الحدود الفاصلة بين الجيوفونات وأجهزة قياس الزلازل تتلاشى. ^{[ 2 ]}

تُستخدم معظم أجهزة الجيوفون في علم الزلازل الانعكاسي لتسجيل موجات الطاقة المنعكسة من الطبقات الجيولوجية تحت السطحية. في هذه الحالة، ينصب الاهتمام الرئيسي على الحركة الرأسية لسطح الأرض. مع ذلك، لا تنتقل جميع الموجات إلى الأعلى. إذ تُولّد موجة قوية تنتقل أفقيًا، تُعرف باسم "موجة الأرض"، حركة رأسية قد تُخفي الإشارات الرأسية الأضعف. وباستخدام مصفوفات مساحية كبيرة مُضبوطة على طول موجة موجة الأرض، يُمكن تخفيف إشارات الضوضاء السائدة وتعزيز إشارات البيانات الأضعف.

أجهزة الجيوفون التناظرية أجهزة بالغة الحساسية قادرة على رصد الهزات الأرضية البعيدة جدًا. قد تتلاشى هذه الإشارات الضعيفة وسط إشارات أقوى من مصادر محلية. مع ذلك، من الممكن استعادة الإشارات الضعيفة الناتجة عن أحداث كبيرة وبعيدة من خلال ربط الإشارات من عدة أجهزة جيوفون موزعة في مصفوفة. الإشارات المسجلة في جهاز جيوفون واحد أو عدد قليل منها تُعزى إلى أحداث محلية غير مرغوب فيها، وبالتالي يتم تجاهلها. أما الإشارات الضعيفة التي تُسجل بشكل موحد في جميع أجهزة الجيوفون في المصفوفة، فيمكن عزوها إلى حدث بعيد، وبالتالي ذي أهمية.

تبلغ حساسية الجيوفونات السلبية عادةً 30 فولت لكل (متر في الثانية)، لذا فهي بشكل عام ليست بديلاً عن أجهزة قياس الزلازل ذات النطاق العريض .

في المقابل، تقتصر بعض تطبيقات الجيوفونات على رصد الأحداث المحلية للغاية. ومن الأمثلة البارزة على ذلك استخدام أجهزة الاستشعار الأرضية عن بُعد (RGS) المدمجة في أنظمة الاستشعار الأرضية غير المراقبة (UGS). في مثل هذه التطبيقات، توجد منطقة محددة، وعند اختراقها، يجب إبلاغ مشغل النظام، ربما عن طريق تنبيه مصحوب ببيانات فوتوغرافية داعمة.

تم استخدام الجيوفونات على سطح القمر لعدد من التجارب النشطة والسلبية كجزء من حزمة تجارب أبولو على سطح القمر .

• مقياس التسارع
• الميكروفون المائي
• مقياس التداخل ميكلسون
• مقياس الزلازل

• جهاز كشف التسلل الزلزالي PSR-1 (جهاز عسكري من حقبة حرب فيتنام)