СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01V11/00 G01V5/00 G01V1/00 

Изобретение относится к геологии и может быть использовано при определении динамики распределения напряженно-деформированного состояния верхней части массива горных пород.

Известны способы предсказания землетрясений, основанные на проведении режимных наблюдений посредством различных геофизических и геохимических полей [1]. Наиболее полный обзор современных методов среднесрочных и краткосрочных прогнозов землетрясений представлен в [2, 3].

Наиболее близким к предлагаемому способу является метод, изложенный в [4] . В этой работе предложен способ непрерывных режимных наблюдений концентрации радона в почвенном воздухе, который проводится в фиксированных точках в течение определенного периода времени. Измерения осуществляются в неглубоких (глубиной около одного метра) шпурах с помощью трековых детекторов при экспозиции детекторов от одной недели до двух месяцев.

При интерпретации полученных результатов используются два принципа.

1. Прогностические признаки ослабевают по мере удаления точки наблюдения от будущего эпицентра, как минимум, по закону 1/R, где R - расстояние от точки наблюдения до координат будущего эпицентра.

2. Выделение предвестников основывается на статистическом анализе данных за большие промежутки времени.

К существенным недостаткам известного способа-прототипа необходимо следует отнести следующее.

1. Длительный период единичного наблюдения, связанный с применением трековых детекторов, что не позволяет изучать динамику выделения радона за короткие периоды, предшествующие землетрясению.

2. Концентрация радона коррелируется с данными сейсмометрии, полученными на сейсмической станции, расположенной, как правило, на значительном расстоянии от точки наблюдения.

3. При анализе данных объединяются результаты, полученные в сходных геологических условиях (в пределах одного массива, одного разлома и т.д.). При этом исключается из рассмотрения тот факт, что поведение радона в пределах даже одного массива может быть принципиально различным.

4. Проводятся измерения концентрации радона в почвенном воздухе, в мелких шпурах или скважинах. При этом на данные измерений существенно влияют атмосферные осадки, изменение атмосферного давления и т.п.

Целью изобретения является повышение надежности определения зоны подготовки землетрясения, его магнитуды и времени наступления сейсмического события. Поставленная цель достигается тем, что производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, и по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии; указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события.

Основные предпосылки предлагаемого способа состоят в следующем.

Радон в силу своих специфических особенностей является оптимальным индикатором при различных геологических и геотехнических исследованиях. Во-первых, радон, как радиогенный газ, непрерывно генерируется в горных породах в процессе радиоактивного распада семейства урана-радия, т.е. радон всегда присутствует в любой горной породе, и уменьшение его концентрации, например, за счет диффузии радона из горного массива в воздух непрерывно компенсируется новой генерацией радона. Во-вторых, диффузия радона в горном массиве и его выделение с поверхности почвы или в наблюдательную скважину определяется макроскопическим коэффициентом диффузии, который зависит от многих факторов. Наиболее важными из них являются проницаемость и трещиноватость. Известно, что эффективная глубина, с которой радон достигает поверхности почвы, равна 20-25 м. При наличии восходящих потоков газа, конвективный перенос радона с газовыми струями может осуществляться с глубин более 200 м.

Величина макроскопического коэффициента диффузии в значительной степени определяется проницаемостью массива, наличием в нем пор и трещин. Эти свойства среды существенно зависят от напряженно- деформированного состояния массива. Очевидно, что при сжатии массива проницаемость его снижается, а при разгрузке - увеличивается. Соответственно, изменяется макроскопический коэффициент диффузии. Следовательно, динамика выделения радона в наблюдательную скважину будет отражать динамику изменения напряженно-деформированного состояния горных пород в значительном объеме. Изменения же нарушенности и сплошности массива всегда сопровождают подготовку землетрясения.

В рассмотренной картине подготовки землетрясения имеется одно исключение. Выделение сейсмической энергии в пределах наблюдательной скважины приводит всегда к резкому динамическому увеличению выделения радона. Это связано с тем, что под воздействием энергии упругих волн на массив радон, находящийся в порах массива, как бы "выдавливается" в наблюдательную скважину, создавая ложную аномалию увеличения динамического выделения радона. Как правило, такие явления наблюдаются при форшоках, предшествующих землетрясению, или афтершоках. Причем в каждой наблюдательной точке это явление имеет свои специфические особенности. Поэтому для однозначной оценки динамики выделения радона необходима оценка общего количества сейсмической энергии, поступившей в данную точку наблюдений.

Следовательно, по данным динамики выделения радона из массива в наблюдательную скважину можно определить три зоны:
1) зона сжатия, которая характеризуется уменьшением выделения радона;
2) зона растяжения, которая характеризуется увеличением выделения радона;
3) промежуточная или нейтральная зона, в которой выделение радона остается без изменений.

Указанная пространственная зональность динамики выделения радона несет информацию о динамике перераспределения в пространстве напряженно-деформированного состояния, предшествующего землетрясению. Построенные карты динамики выделения радона четко выделяют зоны сжатия, в пределах которых, как правило, находится эпицентр ожидаемого землетрясения, и зоны растяжения. По динамике изменения радона в этих зонах (уменьшению в зоне сжатия или увеличению в зоне растяжения) можно судить о времени ожидаемого сейсмического события, а по площади зоны динамического уменьшения выделения радона о местоположении эпицентра и магнитуде.

В качестве примера использования предлагаемого способа представлена обработка данных режимных измерений содержания радона, изложенных в [4].

Пространственно-временной мониторинг радона в [4] проводился по 60-ти наблюдательным точкам в пределах системы разломов Центральной Калифорнии с 1976 по 1984 гг. Для интерпретации этих данных по предлагаемому способу были выбраны результаты измерений 1979г., в пределах которого наблюдается весь набор описанных выше типичных ситуаций.

На фиг. 1 представлена динамика изменения радона по различным наблюдательным точкам.

Условные обозначения: 1 - динамическое уменьшение выделения радона перед землетрясением; 2 - динамическое увеличение выделения радона перед землетрясением; 3 - моменты землетрясений; 4 - концентрация радона в наблюдательных точках по данным [4].

На фиг. 2, 3, 4 представлен район исследований с нанесенными на него картами динамики выделения радона для отдельных сейсмических событий.

Условные обозначения: 1 - наблюдательные точки; 2 - точки наблюдения, в которых было отмечено данное землетрясение; 3 - зоны динамического увеличения выделения радона по предлагаемому способу; 4 - зоны, в которых выделение радона не изменяется перед подготовкой данного землетрясения; 5 - зоны динамического уменьшения выделения радона по предлагаемому способу; 6 - положение эпицентра данного землетрясения.

В течение 1979г. в данном районе наблюдалось три крупных (с магнитудой более 4.0) сейсмических события:
1) землетрясение 25 апреля с магнитудой 4.4 и эпицентром, расположенным на 20 км восточнее г. Сан-Франциско (фиг.2);
2) землетрясение 5 мая с магнитудой 4.8 и эпицентром, расположенным на 20 км юго-восточнее г.Сан-Хосе (фиг.3);
3) серия землетрясений августа (01.08; 05.08; 10.08) с близкорасположенными эпицентрами в районе 50 км на юго-восток от г.Сан-Хосе и магнитудами 4.0; 5.8 и 4.2 соответственно.

Ввиду того, что в данном эксперименте использовались трековые детекторы со временем экспозиции одна неделя, эти землетрясения необходимо рассматривать как одно сейсмическое событие.

На фиг. 1 приведены данные по следующим наблюдательным точкам:
1) объединенные данные по точкам 3 и 4, расположенным на 10 км юго- западнее г.Холмстер (фиг.1,а);
2) объединенные данные по точкам 9 и 10, расположенным на 20 км южнее г. Холмстер (фиг.1,б);
3) Точка 30, расположенная на 20 км южнее г.Паркфилд (фиг. 1,в);
4) точка 43, расположенная на 30 км южнее г.Сан- Франциско (фиг. 1,г).

Как видно из графиков фиг. 1-а, на станциях 3 и 4, начиная с января 1979г. , наблюдается динамическое уменьшение выделения радона, прерываемое иногда выбросами, связанными с форшоками. Это поведение радона определяется развитием зоны сжатия при подготовке землетрясения 25 апреля. Однако, начиная с апреля месяца в этой зоне появляются усилия растяжения (динамическое увеличение выделения радона), связанные с подготовкой землетрясения 5 мая 1979г. , т.е. в данной точке наблюдается суперпозиция двух явлений сжатия и растяжения, вызванных подготовкой двух различных землетрясений, которые следуют друг за другом в течение относительно небольшого промежутка времени, но эпицентры которых существенно (более чем на 100 км) разнесены в пространстве.

Станции 9 и 10 (фиг. 1,б) расположены в зонах растяжения, то-есть на достаточно большом расстоянии от ожидаемых эпицентров, что вызывает увеличение выделения радона перед событиями как 25 апреля, так и 5 мая.

При подготовке августовской серии землетрясений станции 3 и 4, 9 и 10 находятся в зоне сжатия, то-есть в непосредственной близости от координат ожидаемого эпицентра, что выражается в динамическом снижении уровня выделения радона.

Станции 30 и 43 (фиг.1 в,г) находятся на значительном удалении от будущего эпицентра, в зоне растяжения, что выражается в динамическом увеличении выделения радона перед этими событиями.

Наличие значительного числа точек наблюдения позволяет построить карты динамики выделения радона, которые фактически отражают распределение динамики напряжений в верхней части массива горных пород данного района.

На фиг.2 представлена карта распределения динамики выделения радона перед сейсмическим событием 25 апреля. На карте четко выделяется зона сжатия (динамическое уменьшение выделения радона), в пределах которой находится эпицентр землетрясения. В юго-западном направлении чередуются зоны разряжения (увеличение выделения радона) и нейтральные (промежуточные) зоны, в которых выделение радона не претерпевает существенных изменений. Таким образом видно, что подготовка землетрясения охватывает значительную площадь (протяженностью вдоль разлома около 300 км), в пределах которой наблюдается существенное перераспределение напряжений в верхней части массива горных пород. Однако эпицентр землетрясения располагается только в зоне сжатия.

Подготовка следующего землетрясения (5 мая) приводит к существенному перераспределению напряженного состояния (фиг.3). При этом зона сжатия смещается на юго-восток, южнее г.Сан-Хосе. Эпицентр землетрясения расположен так же, как и прежде, в выделенной по данным динамического уменьшения радона зоне сжатия.

На фиг.4 представлена карта распределения динамики выделения радона перед августовской серией сейсмических событий. Видно, что зона сжатия имеет существенно большую площадь, чем для событий 25 апреля и 5 мая. Эпицентр землетрясения также расположен в пределах этой зоны сжатия. Распределение напряженного состояния верхней части массива в пределах исследуемого района существенно отличается от распределения, предшествующего событиям 25 апреля и 5 мая.

На основании представленных данных можно сделать следующее заключение.

1. Динамическое уменьшение выделения радона в зоне сжатия начинается за 3-4 месяца до сейсмического события и особенно четко проявляется за 1-2 недели до землетрясения. Динамическое увеличение выделения радона особенно заметно на больших расстояниях от зоны сжатия и начинается за 2-3 месяца до землетрясения. Причем сейсмическое событие происходит после достижения максимального значения выделения радона из массива.

2. Эпицентр ожидаемого сейсмического события расположен всегда в пределах зоны динамического уменьшения выделения радона.

3. Площадь зоны динамического уменьшения выделения радона увеличивается с увеличением магнитуды ожидаемого землетрясения.

Таким образом, применение предлагаемого способа на основе измерения динамики выделения радона с учетом поступления сейсмической энергии в каждой наблюдательной точке позволяет определить время наступления сейсмического события с погрешностью 5-7 дней для данного района исследований, расположение будущего эпицентра с погрешностью +25 км и магнитуду ожидаемого события с погрешностью + 1.

Использование: изобретение относится к геологии и позволяет при проведении режимных наблюдений определять динамику распределения напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Сущность изобретения: для повышения надежности определения зоны подготовки землетрясения, его магнитуды и времени наступления, производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод, и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события. 4 ил.

Способ прогноза землетрясений, заключающийся в проведении режимных наблюдений изменения концентрации радона в массиве горных пород, отличающийся тем, что производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, и по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события.