Los terremotos generan ondas que se propagan en todas direcciones y con diferentes niveles de energía, incorporando durante su recorrido, información acumulada sobre el medio a través del cual se propagan. Estas ondas se caracterizan, de forma general, por ser complejas, estocásticas y aleatorias en el tiempo, manifestándose en un rango de frecuencias muy bajo (desde 0,0001 hasta unos 40 Hz) y con niveles de amplitud muy variados. El interés del hombre por registrar y analizar estas ondas ha estado relacionado directamente con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, específicamente la mecánica y la electrónica.

 

 

Los inicios documentados se remontan a la antigua China en el siglo II (Zhang Heng, 132 d.C), con el primer instrumento mecánico para indicar la dirección de llegada de las ondas provenientes del terremoto. Este instrumento primitivo poseía 8 cabezas de dragones, señalando las direcciones geográficas y sus subdivisiones, en cuyas bocas se colocaban otras tantas bolas en equilibrio inestable. Ante la llegada de la onda sísmica la bola que estaba en la dirección opuesta a esta caía y de esta forma rudimentaria se obtenía una indicación aproximada del azimut o dirección de origen del terremoto.

 

En 1839, sin embargo, una serie de pequeños terremotos comenzó cerca de Comrie, en Perthshire, Escocia. El resultado directo de los terremotos en Comrie fue el establecimiento de un Comité Especial de la Asociación británica para el Avance de Ciencia, con el objetivo de obtener  instrumentos para registrar terremotos en Gran Bretaña. El instrumento más significativo resultante del trabajo del comité fue un péndulo invertido «seismometer», diseñado por James Forbes en 1842.

Los italianos no se quedaron atrás y en 1856, Luigi Palmieri, instaló su “sismógrafo” en el Vesubio en Italia con la intención de registrar todas las componentes de la señal sísmica, no se puede considerar un sismógrafo en el sentido de la palabra sino como una colección de sismoscopios que registraban, al unísono, en varias direcciones.

Filippo Cecchi, en 1875, construyó lo que se describe como un sismógrafo real, con registro en función del tiempo, a partir de dos péndulos orientados en las coordenadas cartesianas N/S y E/W y un sistema masa-resorte para el registro vertical, todo esto acoplado a un sistema de registro en una especie de tambor.

Luego, vino una avalancha de diseños con más o menos éxito, basados casi todos en sistemas inerciales del tipo péndulo masa-resorte.

También se diseñaron mega instrumentos de grandes dimensiones y peso como los sismógrafos Bosch-Omori y Wiechert (1890-1909).

 

 

Los desarrollos propuestos por Galitzin (1906) con la introducción de los transductores electromagnéticos que, unidos a los galvanómetros de espejo, permitieron la grabación de las señales en papel fotográfico con amplificaciones del orden de 1000 para períodos de 12 segundos, resultan otra etapa destacada en este sentido.

 

Los sismómetros construidos hasta este punto generalmente registraban ondas sísmicas de corto periodo (alta frecuencia), sin embargo la comunidad científica necesitaba estudiar otros tipos de ondas procedentes de terremotos fuertes regionales y lejanos, con componentes mayoritariamente de baja frecuencia.

Para obtener una alta sensibilidad a las ondas sísmicas de baja frecuencia, se necesita una baja frecuencia natural del instrumento. Esto se puede lograr con un sensor de resorte y masa estándar, donde con una gran masa combinada con un resorte blando es posible obtener una frecuencia natural baja, pero este esquema esta limitado por las propiedades mecánicas del sistema y su tamaño.

Ejemplo: para un péndulo de este tipo, vemos que para obtener un período de 20 s, se necesita una longitud de 100m lo cual no resulta práctico desde el punto de vista constructivo. La solución es utilizar suspensiones astáticas donde la fuerza de restauración es muy pequeña y, teóricamente, se puede obtener cualquier frecuencia natural.

Suspensión simple astática. El diseño más común para sismómetros horizontales es el péndulo “garden-gate». La masa se mueve en un plano casi horizontal en torno a un eje casi vertical. La fuerza de recuperación es ahora, donde es el ángulo entre la vertical y el eje de rotación.

Sismómetro con el esquema «Garden Gate»

 

Este tipo de sensores se utilizaron en la Red WWSSN (Red sísmica estándar mundial) hasta la llegada de los nuevos sensores de bandas anchas instaladas en el GSN (Global Seismic Network).

En 1934, Lucien LaCoste, inventó el sismómetro de “muelle de longitud cero” con la capacidad de registrar ondas lentas provenientes de terremotos lejanos.

 

Para sismómetros verticales LaCoste propuso la geometría “Astatic Spring” donde la masa está en equilibrio neutro y, por tanto, tiene un período libre infinito cuando se cumplen las siguientes tres condiciones:

• El resorte está pretensado a una longitud cero (es decir, la fuerza del resorte es proporcional
  a la longitud total del resorte).
• Sus puntos finales se ven bajo un ángulo recto desde la bisagra.
• La masa se equilibra en la posición horizontal.

Wielandt propuso, en 1975, una variante comparable a la suspensión LaCoste llamada “Leaf Spring”, mucho más fácil de fabricar pero con un equilibrio entre las fuerzas actuantes del sistema igualmente susceptible a cambios de presión y temperatura.

 

Basado en estos esquemas fueron construidos los instrumentos STS-1 (Wielandt y Streckeisen) y STS -2, en su momento, los sensores más usados en las redes mundiales de estaciones sismológicas y representaron los primeros sismómetros de banda ancha realmente robustos, eficientes y con excelente linealidad y figura de ruido.

En el caso del STS-1, los sismómetros horizontales eran construidos a partir de configuraciones “Garden Gate” simples, mientras el instrumento vertical está basado en la suspensión “Leaf Spring”.

 

 

En ambos casos, el delicado equilibro de las fuerzas actuantes sobre el Sistema y su susceptibilidad ante cambios de presión, temperatura, humedad así como la influencia del “Tilt” hacen difícil la operación de estos instrumentos sin la estabilidad que genera un lazo de realimentación electrónico adecuado.

 

En la tercera entrega, aprenderemos los métodos de transducción más usados en estos instrumentos y el principio “Force Feedback Balance” como lazo de realimentación para garantizar el rango de frecuencia optimo, el amortiguamiento necesario y la estabilidad de este tipo sismómetros.