Development of a mechanical-optical seismometer

• Grant number: 16/13467-2
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Innovative Research in Small Business - PIPE
• Start date: July 01, 2016
• End date: March 31, 2017
• Field of knowledge: Physical Sciences and Mathematics - Geosciences - Geophysics
• Principal Investigator: Walter Americo Arellano Espinoza
• Grantee: Walter Americo Arellano Espinoza
• Company: Terrafísica Inovações Sismológicas Ltda
• Associated research grant: 15/22676-1 - Development of a mechanical optical seismometer, AP.PIPE

Abstract

Sismômetros são instrumentos que registram as ondas sísmicas, estas ondas são geradas pelo deslocamento das placas tectônicas, ondas marinhas, explosões, atividade humana, entre outras fontes. A importância de estes instrumentos permite aos geocientistas estudar até o interior da terra. Este estudo também permite por exemplo conhecer as caraterísticas da crosta terrestre e assim poder identificar fontes de minerais, agua, hidrocarbonetos e outros recursos. Os primeiros sismômetros construídos foram totalmente mecânicos e consistiram de uma massa e uma mola e algumas vezes de um amortecedor, ou uma massa sujeito por um fio e que oscila por vibração. Em 1922 Harry Wood e John Anderson construíram um sismômetro conhecido como sismômetro Wood-Anderson. Uma fonte de luz ilumina um espelho que está sobre uma massa suspensa por um fio vertical que funciona como uma mola de torção. A luz refletida sobre um tambor registra o sinal sísmico. Este sismômetro operou no Sul da Califórnia até o ano de 1980 e foi usado por Charles Francis Ritcher na definição da magnitude do terremoto no ano de 1930. Estes instrumentos são de um único grau de liberdade e fisicamente de volume grande e para o caso de um sistema de três graus de liberdade, o sismômetro ocuparia um volume maior. Para o caso de mapear áreas maiores e colocar vários sismômetros é necessário que o sismômetro seja de dimensões menores. Isso facilita um barrido mais continuo. Com o avanço da eletrônica e a mecânica fina, os sismômetros ao longo do tempo foram se sofisticando e alcançando sensitividades maiores e diminuindo de tamanho cada vez menores. Os avanços que vêm ocorrendo nos últimos anos nas áreas de microeletrônica (agora a nanoeletrônica), óptica e mecânica de alta precisão; têm estimulado o desenvolvimento de novos tipos de sismômetros, baseados em novas tecnologias como o laser e optica, com o objetivo principal de aumentar a sensitividade, largura de banda, consumo de energia e miniaturização. Atualmente o Brasil tem alcançado grandes logros e notoriedade internacional no que se refere à sismologia terrestre. Este logro está sendo possível, graças ao apoio financeiro dos órgãos de fomento do Brasil e pelos grupos de pesquisa das universidades e institutos, sinergia que deu origem à formação da Rede Sismográfica Brasileira. Apesar de todo este avanço, até o momento o que percebemos é da falta de grupos de pesquisa, nestas instituições e/ou empresas do Brasil, direcionadas à instrumentação sismológica, mais especificamente no desenvolvimento e construção de sismômetros de banda larga e alta sensitividade, diferente ao que ocorre em outros Países. Deste modo propõe-se o presente projeto de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PD&I): Desenvolvimento de um sismômetro mecânico-optico, com o propósito de suprirmos a demanda local e cobrirmos a lacuna tecnológica local pela falta de este tipo de soluções. Almeja-se mostrar nesta Fase-1 do projeto a viabilidade técnico-científica para o desenvolvimento posterior de um sismômetro protótipo óptico-mecânico de alta sensitividade e performance de medida das ondas sísmicas de período longo e curto. Para a parte óptica, testaremos duas técnicas ópticas, técnica interferométrica e técnica com grade de Bragg em fibra óptica (fiber bragg grating, FBG). Na parte mecânica testaremos sistemas compostos de molas e amortecedores. Os sismômetros comerciais de banda larga estão valorizados em valores de alguns Miles de dólares, aumentando este valor para sensores de maior sensitividade e maior cobertura na faixa de banda de período longo. O sismômetro óptico-mecânico será utilizada principalmente para: suprir a demanda nacional dos grupos pesquisa de sismologia e áreas afins das universidades e centros de pesquisa; suprir a demanda nacional das empresas para estudos de monitoramento microssísmico de hidrelétricas, reservatórios de hidrocarbonetos e minas. (AU)