СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в земной коре, на ее поверхности и в околоземном пространстве, и может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе, катастрофических, природных и техногенных явлений.

Известен способ прогноза неблагоприятных явлений, предусматривающий непрерывный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей, включая значения их периода, по характеру изменения которых во времени относительно фонового значения судят о возможности наступления неблагоприятных явлений. Этот способ предусматривает измерение вариации геомагнитного поля в прогнозируемом районе в заданном диапазоне периодов, определение вариации геомагнитного поля два раза в сутки с получением суточной амплитуды и годовой вариации.

Недостатком данного способа является низкая достоверность, невысокая оперативность прогноза, а также ограниченная лишь прогнозом землетрясений область применения и невозможность прогнозирования неблагоприятных явлений техногенного характера.

Известен способ прогноза неблагоприятных явлений, предусматривающий непрерывный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей, включая значения их периода, по характеру изменения которых во времени относительно фонового значения судят о возможности наступления неблагоприятных явлений. Этот способ предусматривает запись микровариаций компонент геомагнитного поля. В качестве предвестника землетрясения принята серия возмущений синусоидального характера с паузами от 1 мин до 1 ч и меняющимся периодом колебаний. Этот способ позволяет осуществить прогноз землетрясения за срок от 1 ч до 7 дней. Однако и данное решение обладает теми же недостатками, что и вышеупомянутое.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом), является способ прогноза горных ударов и других катастрофических явлений, предусматривающий дискретный контроль изменяющихся во времени параметров геофизических полей и сред геологической природы в горном массиве, таких как электромагнитное излучение, акустическая эмиссия, по характеру изменения которых во времени судят о возможности наступления катастрофических явлений. О возможности возникновения катастрофического явления, например, землетрясения судят по резкому изменению величины отношения измеренных величин.

Недостатками прототипа являются его ограниченность конкретным горным массивом, низкая достоверность, невысокая оперативность прогноза, а также невозможность прогнозирования катастрофических явлений техногенного характера.

Предложенный способ направлен на расширение области его применения как с точки зрения возможности его использования в любой местности земного шара независимо от геологических, географических и климатических условий, так и с точки зрения возможности прогнозирования не только землетрясений, но и других катастрофических явлений, включая техногенные, расширение арсенала технических средств для осуществления прогноза.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе предусматривается контроль изменяющегося во времени параметра геофизического поля, по характеру изменения которого во времени судят о возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют амплитуду контролируемых параметров, а вывод о возможности наступления катастрофических явлений делают в случае появления в изменении параметра геофизического поля синусоидального колебательного процесса, имеющего возрастающую частоту с периодом от 100 до 1000000 с при увеличении амплитуды колебаний до значения, достоверно отличающегося от фонового значения для данной местности. В качестве контролируемого параметра могут быть использованы значения температуры, давления атмосферного воздуха, деформаций земной поверхности, напряженности естественного электромагнитного поля, уровня естественной радиоактивности, температуры приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, силы тяжести, микросейсмической активности, содержание гелия в подземных флюидах, интенсивность излучения электромагнитного поля в диапазоне волн от 7 до 12 мм.

Совместный учет величин амплитуды и периодов колебаний контролируемого параметра позволяет увеличить достоверность прогноза и исключить из него влияние различного рода помех (в том числе приливного происхождения, имеющих периоды в пределах вышеуказанных значений), искажений и явлений случайного характера.

Диапазон изменения периодичности 100-1000000 с определен исходя из результатов многолетних наблюдений в натурных условиях.

Перечисленные выше виды геофизических полей и сред геологической природы, по изменению параметра которых предлагается осуществлять прогноз, легко контролируются серийно выпускаемой аппара- турой, которой комплектуются геофизические, метеорологические и другие наблюдательные станции. При этом универсаль- ность способа обеспечивается возможностью использования для прогноза различных геофизических полей и сред геологической природы, что в случае отсутствия аппаратуры какого-либо конкретного типа дает возможность использовать любую имеющуюся в наличии аппаратуру. Особое преимущество способа заключается в том, что для его реализации можно использовать имеющуюся сеть метеорологических станций с их стандартным оборудованием, которая покрывает практически всю поверхность земного шара, что дает возможность осуществлять глобальный прогноз катастрофических явлений.

Возможность обнаружения катастрофического явления указанным выше образом обосновывается следующим. Комплекс проведенных высокоточных наблюдений и их анализ позволили обнаружить взаимосвязь возмущения всех видов геофизических полей и сред геологической природы с природными и техногенными катаклизмами, а также с патологическими физиологическими и психофизиологическими явле- ниями. В отличие от широко контролируемых геодинамических процессов с короткими периодами менее 100 с характерными для сейсмических явлений, и длинными периодами свыше 1000000 с, характерными для эпейрогенических движений, рабочие частоты обнаруженных возмущений занимают среднюю часть спектра, ранее практически не исследовавшуюся. Создаваемые ими вариации параметров геофизических полей и сред геологической природы ранее принимались за предвестники землетрясений, хотя последние не всегда происходят.

Упомянутые возмущения сопровождаются неприливными вариациями силы тяжести, деформационными, микросейсмичес- кими, гидродинамическими, электромагнитными и другими аномалиями. Статическая обработка карт барического поля атмосферы подтвердила наличие аномальных областей, приуроченных к известным геофизи- ческим структурам, что позволило увязать аномальные атмосферные процессы с тектонической активностью морфоструктур центрального типа, а также с крупными авариями техногенного характера (прорывами плотин, разрушением строительных конструкций, трубопроводов и т.п.).

Это происходит вследствие того, что передаваемые по мантийным каналам термодинамические возмущения внешнего ядра Земли достигают поверхности, в результате чего в определенном месте и времени возникают аномальные явления во всех геофизических полях и средах геологической природы, которые затрагивают литосферу, гидросферу и атмосферу. В ходе вариаций силы тяжести, электромагнитных и других геофизических полей происходят деформации поверхности земли, изменяются уровни подземных и поверхностных вод, возникают мощные помехи радиоприему и сбои в работе электрических, электронных и электромагнитных приборов, физиологические и психофизиологические патологические реакции обслуживающего персонала, являющиеся причинами аварийных ситуаций, а также землетрясений, схода лавин, селей и т.п.

Таким образом установлено, что различного рода неблагоприятные катастрофические природные и техногенные явления происходят вследствие процесса возмущения всех геофизических полей и сред геологической природы в определенном месте и времени с выходом на патологию.

Характерной особенностью установленного в качестве предвестника неблагоприятного явления колебательного процесса параметра геофизических полей и сред геологической природы является наличие этапа синусоидальной раскачки, состоящего из одного или нескольких периодов колебаний, причем вход в этот этап может быть как со знаком плюс, так и со знаком минус, этапа экстремума, знак которого как правило противоположен знаку входа в этап раскачки, и этапа рэлеевского затухания до первоначальных фоновых значений. Одним из основных отличительных признаков процесса является увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией. В развитии вышеописанного процесса прослеживается кумулятивный характер неблагоприятного воздействия, приводящего к разрыву наиболее слабого звена. Поскольку в ходе локального возмущения землетрясения происходят далеко не всегда, что обуславливается конкретными геологическими особенностями определенной местности, наиболее подверженными влиянию этого процесса оказываются техногенные системы, содержащие, по причине отсутствия учета вышеописанного процесса при проектировании, исполнении и эксплуатации значительное количество таких слабых звеньев. Весьма сложная экспертиза разрушительных последствий процесса, где первопричина той или другой крупной аварии, определяемая, например, деформаций несущих грунтов, камуфлируется сильными атмосферными явлениями - шквалом, ливнем или бураном. В таких случаях не дает результата и повторное нивелирование, констатирующее только остаточные (обычно в несколько миллиметров) изменения поверхности в сопрягающихся блоках тектонических структур (фактор релаксации), в то время как в момент экстремума деформации на той же базе могут достигать десятков сантиметров. Именно этим объясняется казалось бы ничем не спровоцированные обрушения различного рода инженерных сооружений: куполов, мостов, башен, спроектированных со значительным запасом прочности в расчете на отсутствие существенных современных вертикальных деформаций в области подстилающих грунтов. Тот же по характеру механизм отобразился по атмосферным данным не только при многих разрывах магистральных продуктопроводов, но и при ряде крупных железнодорожных катастроф, обрушении мостов, прорыве дамб и пр. Подобный образ с наиболее контрастными градиентами атмосферного давления был зафиксирован в ходе развития Чернобыльской катастрофы, подготовка которой началась за 10 суток до взрыва.

Предложенный способ иллюстрируется графическими материалами, на которых на фиг.1 изображен усредненный график изменения содержания гелия по наблюдательной станции (пункту) во время сильных землетрясений; на фиг.2 - график хода атмосферного давления в г.Москве (январь 1987) при разрушении и взрыве газопровода на ш. Энтузиастов; на фиг.3 - график развития деформационного процесса по атмосферным данным для периода, предшествующего Чернобыльской аварии.

Способ реализуют следующим образом. На наблюдательных станциях, оборудованных специальной геофизической аппаратурой, осуществляют контроль за изменяю- щимися во времени параметрами геофизических полей и сред геологической природы. Наблюдение ведут по стандартным методикам, при этом может быть использована как существующая сеть геофизических, метеорологических и иных наблю- дательных станций, так и специально созданная система для прогноза неблагоприятных природных и техногенных явлений.

В результате измерений определяют характер изменения амплитуды и периодичности контролируемого параметра в текущий момент времени. Получаемые результаты представляют, например, в виде графической зависимости. Данные результаты измерений сравнивают с предварительно установленными для данной местности средними (фоновыми) значениями. В качестве предвестника неблагоприятного явления принимают появление в изменениях контролируемого параметра периодического процесса с периодом от 100 до 1000000 с при статистически достоверном увеличении амплитуды по сравнению с фоновыми значениями для конкретного наблюдательного пункта или наблюдательной станции.

В качестве контролируемого параметра геофизических полей могут быть приняты уровень естественной радиоактивности, микросейсмической активности, напряженность электромагнитного поля, температура и давление воздуха, температура приповерхностных слоев литосферы и гидросферы, содержание гелия в подземных флюидах тектонического происхождения, изменение силы тяжести, деформации земной поверхности. Контролировать можно параметры либо одного из перечисленных полей, либо, что повышает достоверность контроля, определенного их комплекса.

Конкретная реализация предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на примерах контроля содержания гелия в подземных флюидах и атмосферного давления.

П р и м е р 1. Режимные наблюдения за изменением содержания гелия проводились по скважинам и источникам, оборудованным газоотборниками разных объемов, на полигоне Чашма Пойен вблизи пос.Сускинабад в Таджикистане. Объем и конструкцию газоотборника в каждом конкретном случае выбирали из условия последующего перехода на непрерывный контроль. Отбор проб воды и газа со всех водопунктов осуществляли один раз в сутки в определенное время. В случаях аномального изменения исследуемого параметра количество суточных опробований увеличивали до 6 раз.

Из каждого водопункта отбиралось по 2 пробы, их анализ осуществляли на следующий день на измерительном стенде по стандартной методике. Результаты режимных наблюдений ежедневно обрабатывались и наносились на годовой график. Предварительную математическую обработку вели ежемесячно.

Анализ результатов позволил выявить стабильный характер периода и амплитуды сезонных вариаций содержаний гелия на протяжении нескольких лет.

Для выяснения зависимости содержания гелия от сейсмической активности был рассмотрен характер графиков в разные временные интервалы. Для выделения особенностей вариации содержания гелия длительностью 10-20 дней ежедневные значения сглаживались методом скользящего окна в интервале 5 дней. На фиг. 1 приведен усредненный график изменения содержания гелия по наблюдательной станции (пункту) во время сильных землетрясений, откуда видно, что характерные (подъемы и спады) вариации проявляются в течение 1,0-1,5 месяцев до события. В конце имеет место снижение содержания гелия, связанное с моментом землетрясения.

Все зарегистрированные вариации носили устойчивый характер.

Помимо описанных наблюдений на полигоне Чашма Пойен контролировалась напряженность приземного электрослоя, осуществлялась деформометрия, которые вскрыли взаимосвязь характера вариаций, их амплитуд и периодов с вариациями содержания гелия. Графическое изображение этих вариаций полностью коррелирует с графиком, изображенным на фиг.1.

П р и м е р 2. Параметр атмосферного давления в ходе тектонического процесса многократно подтверждается многолетними наблюдениями. В качестве одной из иллюстраций приведена фиг.2, где изображен график хода атмосферного давления в г.Москве (январь, 1987) при разрушении и взрыве газопровода на ш. Энтузиастов и фиг.3, где показано развитие корового деформационного процесса по атмосферным данным для периода, предшествовавшего Чернобыльской аварии.

Было установлено, что в периоде, предшествовавшем Чернобыльской аварии, имело место интенсивное опускание в смежной области Припятского прогиба с центром в селе Житковичи, сменившееся подъемом с центром в районе ЧАЭС. Этот процесс явился первопричиной, повлекшей за собой комплекс событий, приведших к Чернобыль- ской катастрофе, поскольку описанный выше процесс возмущения геофизических полей захватывает в прилегающем прост- ранстве все оболочки Земли, включая магнитосферу, атмосферу, ионосферу, вызывая аномальные деформации грунтов, перетоки подземных вод, гидроудары и гидровулканизм, изменения в приземном электрослое, нисходящие и восходящие "атмосферные взрывы", резонансные, ионообменные, патологические психофизиологи- ческие реакции в биосистемах.

Развитие деформационного и барического процессов в районе Чернобыля показывает, что он не был изолированным, поскольку фронт смерчей 09.06.84 севернее Москвы сопровождался мезоциклоном, который трассировался аномальными микросейсмами от Средиземного моря через Украину, Брянскую и Калужскую области к Москве по трансконтинентальной системе разломов северо-восточного простирания.

Использование: исследование физических явлений, происходящих в земной коре и на ее поверхности, оценка возможности наступления катастрофических явлений. Сущность изобретения: проводят непрерывный контроль изменяющегося во времени параметра геофизического поля, определяют значения периода и частоты его колебаний, измеряют амплитуду контролируемого параметра, а вывод о возможности наступления катастрофических явлений делают в случае обнаружения в изменении параметра геофизического поля синусоидального колебательного процесса с периодом от 100 до 1000000, имеющего амплитуду колебаний, статистически достоверно отличающуюся от фонового значения для данной местности. 3 ил.

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, отличающийся тем, что измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района и период от 100 до 1000000 с, судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений.