Геофон — это устройство, преобразующее движение грунта (скорость) в напряжение , которое может быть зарегистрировано на станции регистрации. Отклонение этого измеренного напряжения от базовой линии называется сейсмическим откликом и анализируется для структуры Земли.
Термин «геофон» происходит от греческого слова «γῆ (ge)», означающего « земля », и «phone», означающего «звук».
Геофоны исторически были пассивными аналоговыми устройствами и обычно состояли из подпружиненной проволочной катушки, движущейся в поле постоянного магнита, установленного в корпусе, для генерации электрического сигнала. [1] Последние разработки были основаны на технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), которая генерирует электрический отклик на движение грунта через активную цепь обратной связи для поддержания положения небольшого кусочка кремния.
Реакция катушечного/магнитного геофона пропорциональна скорости грунта, в то время как устройства MEMS обычно реагируют пропорционально ускорению . MEMS имеют гораздо более высокий уровень шума (скорость на 50 дБ выше), чем геофоны, и могут использоваться только при сильных движениях или активных сейсмических приложениях.
Частотная характеристика геофона — это характеристика гармонического осциллятора , полностью определяемая угловой частотой (обычно около 10 Гц) и затуханием (обычно 0,707). Поскольку угловая частота пропорциональна обратному квадратному корню движущейся массы, геофоны с низкими угловыми частотами (< 1 Гц) становятся непрактичными. Можно снизить угловую частоту электронным способом, но за счет более высокого шума и стоимости.
Хотя волны, проходящие через Землю, имеют трехмерную природу, геофоны обычно ограничены реакцией на одно измерение — обычно вертикальное. Однако некоторые приложения требуют использования полной волны, и используются трехкомпонентные или 3-C геофоны. В аналоговых устройствах три подвижных катушечных элемента монтируются в ортогональном расположении в одном корпусе.
Геофоны похожи на сейсмометры по своей конструкции и также используются для регистрации сейсмических волн . В прошлом между геофонами и сейсмометрами были четкие различия. По сравнению с обычными геофонами, сейсмометры больше подходят для обнаружения чрезвычайно малых движений грунта, поскольку они охватывают более широкий диапазон частот, включая диапазон частот ниже их собственной частоты , обычно от 0,01 до 50 Гц. [2] В обычных геофонах диапазон частот находится в диапазоне 1-15 Гц. Они дешевле сейсмометров и поэтому чаще используются в массивах для обнаружения больших площадей с лучшим специализированным разрешением. [2] Однако с развитием новых технологий частотный охват в компактных устройствах также значительно увеличился, так что теперь геофоны могут охватывать диапазоны частот от 0 до 500 Гц, и границы между геофонами и сейсмометрами становятся размытыми. [2]
Большинство геофонов используются в сейсморазведке отражений для регистрации энергетических волн, отраженных подземной геологией. В этом случае основной интерес представляет вертикальное движение поверхности Земли. Однако не все волны распространяются вверх. Сильная, горизонтально передаваемая волна, известная как поверхностная волна, также создает вертикальное движение, которое может стереть более слабые вертикальные сигналы. Используя большие площадные массивы, настроенные на длину волны поверхностных волн, можно ослабить доминирующие шумовые сигналы и усилить более слабые сигналы данных.
Аналоговые геофоны — очень чувствительные устройства, которые могут реагировать на очень удаленные толчки. Эти слабые сигналы могут быть заглушены более сильными сигналами от локальных источников. Однако возможно восстановить слабые сигналы, вызванные крупными, но удаленными событиями, путем корреляции сигналов от нескольких геофонов, развернутых в массиве. Сигналы, которые регистрируются только на одном или нескольких геофонах, можно отнести к нежелательным локальным событиям и, таким образом, отбросить. Можно предположить, что слабые сигналы, которые регистрируются равномерно на всех геофонах в массиве, можно отнести к удаленному и, следовательно, значимому событию.
Чувствительность пассивных геофонов обычно составляет 30 вольт на (метр в секунду), поэтому они, как правило, не являются заменой широкополосным сейсмометрам . [ необходимо разъяснение ]
Наоборот, некоторые приложения геофонов интересуются только очень локальными событиями. Ярким примером является приложение удаленных наземных датчиков (RGS), встроенных в системы автономных наземных датчиков (UGS). В таком приложении есть область интереса, при проникновении в которую оператор системы должен быть проинформирован, возможно, посредством оповещения, которое может сопровождаться подтверждающими фотографическими данными.
Геофоны использовались на Луне для ряда активных и пассивных экспериментов в рамках пакета экспериментов на поверхности Луны миссии «Аполлон» .
