СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для изучения тектонических сдвигов, развивающихся в недрах Земли, и предсказания землетрясений.

Известно, что для предсказания землетрясений предлагается использовать наблюдения за поведением животных, данные об изменении (наклонов поверхности Земли, напряжений в земной коре, магнитного склонения) [1].

Общий недостаток этих способов состоит в низкой вероятности предсказания катастрофы, так как, по-существу, речь идет о том, что ретроспективный анализ, проведенный после землетрясений, в ряде случаев выявляет события, которые можно было бы считать предвестниками катастрофы. Эти события и предлагается использовать для прогноза землетрясений.

Известен также способ предсказания землетрясений, основанный на геохимических данных (об изменении уровня, химического состава и радиоактивности грунтовых вод) [2], однако систематические наблюдения [2] показали, что связь геохимических изменений и землетрясений неоднозначна: предвестники могут наблюдаться, но землетрясение не наступает; землетрясения могут развиваться без геохимических предвестников. При этом установлено, что геохимические изменения зависят от типа горных пород, расположенных в регионе возможного землетрясения, и, следовательно, на геохимические предвестники влияют факторы, не связанные непосредственно с тектоническими процессами. Кроме того, есть регионы, в которых геохимических предвестников не бывает совсем. В результате способ не применим в тех регионах, где геохимические предвестники не проявляются, а в тех регионах, где геохимические предвестники имеют место, достоверность прогноза низкая, поскольку связь между геохимическими предвестниками и землетрясениями не является однозначной.

Таким образом, недостатки геохимического способа заключаются в низкой достоверности прогноза и в ограниченности применения, так как он может быть использован не во всех регионах.

По числу совпадающих признаков наиболее близким к предлагаемому способу является изобретение [3], в котором прогноз строится на основании обработки результатов измерений локальных наклонов, деформаций земной поверхности, вариации уровня грунтовых вод на площади прогностического региона, а также данных, полученных с помощью многофункциональных измерительных систем высоких плотин, дополненных данными о расходе и температуре фильтрационного потока, перемещения и деформации плотин. В качестве предвестников землетрясения используют сигналы, представляющие собой аномальные флуктуации на фоне квазистационарного напряженно-деформированного состояния сооружения плотины, а также изменения тренда измеряемых параметров. Предвестники выявляют путем сопоставления указанных данных: с тарировочной кривой для каждого из контрольной группы наиболее информативных датчиков, имеющих максимальную величину откликов на ранее перенесенные землетрясения; с показаниями датчиков, не входящих в контрольную группу; с показаниями измерительных систем других плотин, расположенных в одном сейсмическом районе, а также путем поиска аналогов из ретроспективного ряда наблюдений за перенесенными землетрясениями.

Основной недостаток способа состоит в низкой достоверности предсказания и обусловлен тем, что предвестники выявляют путем сопоставления результатов имеющихся измерений с результатами подобных измерений, полученных в другое время в том же месте, в то же или в другое время на других плотинах, причем как в "спокойное" время, так и во время предыдущих землетрясений. Использование такого метода сравнения основывается на предположении об одинаковости и о повторяемости предвестников, которые вследствие этого могут быть опознаны и выявлены. Степень одинаковости или степень воспроизводимости предвестников предполагается достаточной для определения времени, места и силы землетрясения. Указанная одинаковость предвестников не доказана, поэтому способ, строго говоря, нельзя считать научно обоснованным, поэтому достоверность прогнозов низкая.

Другой недостаток описанного способа заключается в его локальности, проявляющейся в том, что способ применим только для регионов, в которых имеется несколько высоких плотин.

Низкая достоверность прогноза землетрясений в известных способах обусловлена использованием при выявлении предвестников в качестве эталонов для сравнения результатов других измерений и/или использованием характеристик не самих упругих полей, а характеристик вторичных проявлений упругих полей (например, характеристик грунтовых вод, особенностей поведения животных). Неизбежность такого методического подхода продиктована незнанием самого упругого поля тектонических сдвигов.

В настоящее время общепризнана теория упругой отдачи тектонических землетрясений [1]. По этой теории "деформации возникают при относительных перемещениях соседних блоков земной коры. Относительные перемещения блоков происходят не внезапно, в момент разрыва, а нарастают постепенно, в течение более или менее длительного времени", а также энергия, освобождаемая во время землетрясения, непосредственно перед землетрясением была энергией упругой деформации горных пород" (цитируется по [1]. Когда скорость скольжения блоков, например в результате неустойчивой ползучести, становится большой, сдвиг локализуется в узкой зоне, а упругая энергия трансформируется в энергию упругих волн [1]. Из этой теории следует, что основным и первичным признаком приближения землетрясения является формирование в регионе или приближение к региону упругого поля, в котором сосредоточена большая упругая энергия и которое в силу этого потенциально опасно для образования землетрясения.

Для описания упругих полей тектонических сдвигов используют разработанные в физике твердого тела модели дислокаций и трещин. В дислокационной модели очага землетрясения принимают [1, 4], что упругое поле тектонического незавершенного сдвига подобно полю дислокации кристаллической решетки. Для описания поля напряжений используют модель краевой дислокации Пайерлса-Набарро, которая разработана в физической теории пластической деформации кристаллов [4].

В [5] показано, что модель дислокации Пайерлса-Набарро, равно как и другие модели, например модели дислокации Френкеля-Конторовой, Косевича, не соответствуют определению незавершенного сдвига, поэтому использование этих моделей дает упругое поле весьма далекое от реального, причем не только для незавершенных тектонических сдвигов, но и для незавершенных сдвигов в кристаллах.

В других подходах [6] очаг землетрясения уподобляют трещине сдвига. В моделях трещин, разработанных в теории хрупкого разрушения, основное внимание уделяется анализу ситуации в вершине трещин, что предопределяет использование целого ряда приближений, в результате которых устанавливают напряжение вблизи вершины трещины, однако при этом утрачивается корректность описания упругого поля на больших расстояниях от трещины, поэтому макроскопические особенности упругого поля трещин сдвига, а следовательно, и моделируемых ими незавершенных тектонических сдвигов остаются невыясненными.

Неизвестность конфигурации упругого поля незавершенных тектонических сдвигов затрудняет его обнаружение, исключает возможность определения параметров тектонических сдвигов и выявления опасных, способных вызывать землетрясения, концентраций упругих напряжений, что предопределяет низкую достоверность прогноза землетрясений по известным способам.

Задача изобретения - создание способа, дающего более высокую достоверность прогнозов, и который может быть применен в любых регионах.

Для решения задачи в предлагаемом способе определяют параметры тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии путем сопоставления деформации поверхностных слоев Земли, установленной по результатам измерений, с характеристиками упругих полей моделей незавершенных сдвигов с неравномерным распределением сдвиговых смещений по плоскости сдвига; по изменению этих параметров во времени выявляют эволюцию сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии и на основании полученных сведений выносят суждение о месте, времени и силе землетрясения.

Деформация Земли создается непосредственно полями напряжений незавершенных тектонических сдвигов, поэтому в предлагаемом способе прогноз строится на основе первичной причины, вызывающей землетрясение, и поэтому достоверность прогноза землетрясений увеличивается.

Кроме того, предлагаемый способ может быть использован в любом регионе.

Предлагаемый способ стал возможен после выдвижения новой концепции, по которой пластическая деформация, осуществляемая по сдвиговым механизмам, и трение являются процессами сдвигового переноса массы [5]. По этой концепции упругие поля незавершенных сдвигов независимо от природы и механизма самих сдвигов и характера сил взаимодействия сдвигаемых поверхностей имеют общую существенную особенность, которая позволяет определять параметры незавершенных сдвигов.

Отмеченная особенность заключается в следующем. Незавершенный сдвиг представляет часть или участок плоскости сдвига, на котором сдвиговые смещения больше, чем на остальной части плоскости сдвига, следовательно, и материал, прилегающий к участку сдвига, также испытывает большие сдвиговые смещения, чем соседний, окружающий материал. В результате незавершенный сдвиг локально перемещает и перераспределяет массу, вследствие чего вблизи участка незавершенного сдвига образуются области (ρ -области), гидростатическое давление и плотность в которых отличаются от средних значений (общепринято массовую плотность обозначают буквой ρ , а отсюда и название областей). В направлении сдвига образуются ρ -области повышенного давления и повышенной плотности, а в противоположном - пониженного давления и пониженной плотности.

В ρ -областях сосредоточена избыточная или недостающая масса, которая с ростом участка сдвига и вместе с движением фронта участка сдвига перемещается и переносит массу. В ρ -областях сосредоточена также упругая энергия. Когда сдвиг, а следовательно, и ρ -области выходят на поверхность тела, сдвиг и перенос массы завершаются, а упругие поля разряжаются и исчезают. В [5] построена модель незавершенного сдвига, найдено его упругое поле, вычислены параметры ρ -областей, и в частности, сосредоточенная в них масса.

Любые неравномерности в распределении вектора сдвига по плоскости сдвига вызывают локальные перераспределения массы, образование ρ -областей и связанные с этими областями упругие поля. Эти упругие поля простираются на расстояния, соизмеримые с линейными размерами участков неоднородностей распределения вектора сдвига. Упругие поля вызывают деформацию поверхности тела, которая по мере приближения неоднородности сдвига к поверхности тела увеличивается и может быть инструментально зарегистрирована. Характер распределения вектора сдвига по плоскости сдвига определяет конфигурацию упругого поля, а следовательно, и характер деформации поверхности тела, поэтому по деформации поверхности тела можно установить характер упругого поля, а по нему - параметры самих сдвигов (расположение и ориентацию в пространстве плоскости сдвига и распределение вектора сдвига по плоскости сдвига).

Изложенное здесь справедливо и для тектонических сдвигов. По [1] и [6] тектонические сдвиги развиваются за счет энергии, передаваемой верхним слоям Земли (коре и верхней мантии) от движения материала более глубоко лежащих слоев (от нижней мантии), поэтому можно утверждать, что на плоскости тектонического сдвига имеется область, расположенная в нижней части плоскости сдвига, ближе к источнику энергии и внешнего поля напряжений, где сдвиги большие, и область, расположенная выше, ближе к поверхности Земли, где величина сдвигов меньше.

Таким образом, в общем случае на плоскости тектонического сдвига имеется крупномасштабная неоднородность в распределении вектора сдвига, обусловленная неоднородностью внешнего поля напряжений. Область с большим и область с малым вектором сдвига разделяет фронт деформации.

По [6] фронт деформации имеет ширину 100 - 300 км. В этой переходной части неравномерности в распределении вектора сдвига определяются не только неоднородностью напряжений внешнего поля напряжений, но также неоднородностями трения и свойства залегающих здесь горных пород. В результате, в области фронта деформации имеются неравномерности распределения вектора сдвига меньшего масштабного уровня, чем неравномерность, связанная с существованием самого фронта деформации. Как те, так и другие неравномерности могут быть выявлены при приближении их к поверхности Земли.

Выявление этих неоднородностей является предвестником выхода фронта участка большого сдвига и сопровождающих его ρ -областей на поверхность Земли и если энергия, сосредоточенная в упругом поле ρ -областей велика, то и предвестником землетрясения.

Когда фронт участка сдвига выходит на поверхность Земли, сосредоточенная в ρ -областях масса выходит на поверхность (или забирается с поверхности), упругое поле ρ -области исчезает и его упругая энергия трансформируется в другие виды энергии, в частности в энергию упругих волн. Чем больше энергия исчезающего упругого поля и чем больше скорость движения выходящего на поверхность фронта участка сдвига, тем больше доля энергии, переданная упругим волнам, тем больше сила землетрясения.

Путем сопоставления деформации поверхности Земли с данными моделей неравномерных сдвигов:
устанавливают расположение плоскости сдвига;
по этим данным рассчитывают место выхода плоскости сдвига на поверхность Земли, что определяет место землетрясения;
устанавливают расположение ρ -областей и сосредоточенную в них упругую энергию. По изменению параметров п.3 во времени оценивают скорость развития процесса и выносят суждение о времени и силе землетрясения.

Выход ρ -областей на поверхность Земли не является единственно возможным механизмом землетрясения. R-область отдает свою упругую энергию, если смещается в зону материала с меньшим модулем всестороннего сжатия или с локальным гидростатическим давлением, знак которого противоположен знаку давления в области, если ρ -область с повышенным давлением смещается в зону рыхлого материала, если в ρ -области пониженного давления происходит разрыв сплошности. При прогнозе землетрясений по этим механизмам необходимо учитывать свойства горных пород, а также распределение гидростатического давления в изучаемом регионе. В этом случае место землетрясения будет предопределено местом расположения неоднородности свойств горных пород или гидростатического давления.

Теперь следует пояснить смысл далее используемых терминов "податливый" и "жесткий" участки. Если сдвиговые смещения по участку неоднородности распределены неравномерно, то следовательно, сам участок испытывает деформацию. Такие участки и неоднородности называли податливыми. Если сдвиговые смещения распределены по участку неоднородности равномерно, то такой участок не деформируется (в частности, смещается как целое) и такие участки и неоднородности называли жесткими.

На фиг. 1,а-г показаны распределения смещений вдоль плоскости сдвига точек материала, прилегающих к плоскости сдвига с одной из сторон (y>O), - u_x - для простейших неоднородностей, где a - податливый участок с большим сдвигом (незавершенный сдвиг на податливом участке); б) - податливый участок с меньшим сдвигом (податливый стопор; в) - жесткий участок с большим сдвигом (незавершенный сдвиг на жестком участке); г) - жесткий участок с меньшим сдвигом (жесткий стопор). Комбинированием простейших неоднородностей (фиг. 1) можно получить более сложные распределения сдвигового смещения по плоскости сдвига.

На фиг. 2 - 5 приведены характеристики упругих полей простейших неоднородностей и вызываемых ими деформаций поверхности, показанных на фиг. 1 (соответственно фиг. 1, а - фиг. 2; фиг. 1,б - фиг. 3; фиг. 1,в - фиг. 4; фиг. 1,г - фиг. 5).

Обозначения на фиг. 2 - 5 следующие:
- u_x,(x, y), u_y, (x, y) - компоненты вектора смещения точек среды;
- p (x, y) - гидростатическое давление;
- α_x (x, y), α_y (x, y) - углы наклона горизонтальных x = const и вертикальных y = const линий соответственно, вызванные упругим полем неоднородности распределения сдвигов.

В качестве единиц измерения приняты:
для расстояний по осям координат - половина длины участка неоднородности - l;
для гидростатического давления - величина касательных напряжений в плоскости сдвига, создаваемых внешним полем напряжений - τ ;
для компонентов вектора смещения величина τl/μ, , где μ - модуль сдвига;
для отношения углов наклона α к μ/τ - радианы.

При этом следует отметить основные особенности зависимостей фиг. 2 - 5: ρ -области вызывают деформацию поверхности тел; грубо говоря, ρ -области повышенного давления вспучивают, а пониженного давления - втягивают поверхность, под которой они находятся; на поверхности над местом соприкосновения ρ -областей с разным знаком давления имеется перегиб.

Области, массовая плотность в которых отличается от средней, создаются не только сдвигами, но и наклонами участков неоднородностей, на которых величина сдвигов отличается от величины сдвигов в соседних областях. При этом возможны ситуации, в которых наклоны усиливают и ослабляют ρ -области, создаваемые сдвигами. Последовательность расположения ρ -областей меняется при переходе от незавершенных сдвигов к стопорам и от податливых участков к жестким. В результате поля простейших неоднородностей различаются, и следовательно, различаются вызываемые ими деформации поверхности Земли (характеристики u_x (x, 3), u_y (x, 3), α_x(x,3) и α_y(x,3) , фиг. 2 - 5), поэтому по данным о деформации поверхностей можно установить параметры неоднородности тектонических сдвигов, создающих эти деформации. По данным длительного наблюдения за деформацией поверхности Земли можно выявить картину эволюции тектонических сдвигов, и на основании этой картины прогнозировать ее вероятное развитие, в том числе формирование и движение сильных ρ -областей, аккумулирующих большую упругую энергию и поэтому способных вызвать развитие землетрясений.

Для определения параметров неоднородностей глубинных сдвигов могут быть использованы различные методы: прямое сравнение распределения смещений и/или наклонов поверхности Земли с зависимостями фиг. 2 - 5; статистические методы, основанные на компьютерной технике, например, распознавания образов; методы, связанные с решением обратной задачи, состоящей в нахождении параметров неоднородностей тектонических сдвигов по характеристикам деформации поверхности Земли. В основе любого метода лежит общий принцип - связь деформации поверхности Земли с параметрами тектонических сдвигов.

Особенность упругих полей рассмотренных выше неоднородностей распределения сдвига, а именно диагональное расположение ρ -областей с одним знаком гидростатического давления, согласуется с расположением областей сжатия и растяжения в схеме напряжений очага землетрясения, установленной по азимутальному распределению знака первого вступления сейсмических волн и описываемой двойной парой сил [1]. Изложенное показывает, что обсуждаемые особенности упругих полей согласуются с имеющимися наблюдениями.

Таким образом, предлагаемые модели устанавливают связь между сдвигами в глубине и деформацией поверхности Земли. Использование этой связи открывает возможность по измерениям деформации поверхности Земли восстановить картину сдвигов в ее глубине и по изменению картины сдвигов во времени восстановить процесс ее изменения и на основании анализа изменений предсказывать ее эволюцию, выявлять в упругом поле опасные концентрации энергии и прогнозировать землетрясения.

Достоинство предлагаемого метода состоит еще и в том, что он позволяет, исходя из желаемой точности прогноза, установить достаточную детальность описания тектонических сдвигов, а затем определить характеристики измерительной системы, с помощью которой регистрируется деформация поверхности Земли: чувствительность используемых приборов, частоту расположения точек, в которых ведутся измерения, и т.д.

Возможность практической реализации способа. Приведем численные оценки характеристик деформации Земли для незавершенного сдвига на податливом участке (фиг. 1,а и 2).

Принимаем:
касательные напряжения сдвига внешнего поля τ = 10⁷ Па [1];
модуль сдвиговой упругости μ = 10¹¹ Па;
линейный размер неоднородности l = 10⁴ м.

Для x = 0, y = 3l углы наклонов составляют несколько угловых секунд, максимальные смещения вдоль осей достигают 10^-2 м, что может быть инструментально зарегистрировано уже при существующем уровне техники измерений (например [1]).

О возможности практической реализации способа свидетельствуют следующие соображения.

Перед землетрясением в Нанкае (Япония) в 1950 г. тремя обсерваториями, расположенными на расстоянии до 200 км от эпицентра землетрясения, было зарегистрировано S-образное изменение наклона поверхности Земли, которое развивалось в течение 10 ч, предшествующих землетрясению [1]. При этом следует отметить, что до настоящего времени этот факт не имеет объяснения.

Из фиг 2 следует, что при движении фронта участка незавершенного сдвига наклоны участка поверхности, под которым проходит фронт, будут иметь отмеченную S-образную особенность. Эта особенность усилится, если перед фронтом имеется жесткий стопор (фиг. 5, отрицательный угол α_y ), который по мере роста внешней нагрузки трансформируется в податливый стопор (фиг. 3, положительный угол α_y ), а затем срезается (при этом фронт участка незавершенного сдвига переместится, участок сдвига увеличится, угол α_y станет вновь отрицательным, фиг. 2).

Таким образом, возможность практической реализации предлагаемого способа подтверждается тем, что:
предсказываемые на основании моделей неоднородностей сдвигов характеристики деформации поверхности Земли инструментально измеримы при существующем уровне техники измерений;
предшествующие землетрясению изменения наклонов поверхности Земли, предсказываемые на основании анализа моделей неоднородностей сдвигов, в действительности наблюдались.

Литература
1. Стейси Ф. Физика Земли. - М.: Мир, 1972.

2. Геохимические методы прогноза землетрясений. Москва. Наука. 1992, 21.

3. Марчук А. Н., Дурчева В.Н., Савич А.И., Малышев Л.И., Радкевич Д.В. Способ прогноза землетрясений. Патент РФ N 2068185.

4. Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. - М.: Атомиздат. 1972.

5. Неверов В.В. Массоперенос дилатационным полем незавершенного сдвига. Прикладная механика и техническая физика, 1996, N 6, с. 143 - 151.

6. Райс Дж. Механика очага землетрясения. Механика. Новое в зарубежной науке. - М.: Мир, 1982.

Использование: при изучении тектонических сдвигов для предсказания землетрясений. Сущность изобретения: данные о деформации поверхности Земли, полученные на основе наблюдений, сопоставляют с характеристиками упругих полей моделей сдвигов с неравномерно распределенными сдвиговыми смещениями по плоскости сдвига, по изменению найденных параметров во времени выявляют эволюцию тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии, на основании полученных данных составляют прогностическое суждение о месте, времени и силе землетрясения. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ прогноза землетрясений, включающий измерение характеристик деформации поверхностных слоев Земли, отличающийся тем, что находят параметры тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии путем сопоставления характеристик деформации поверхности Земли с характеристиками упругих полей моделей сдвигов с неравномерно распределенными сдвиговыми смещениями по плоскости сдвига, выявляют эволюцию тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии по изменению параметров тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии во времени, на основании полученных данных составляют прогностическое суждение о месте, времени и силе землетрясения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметры тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии находят путем наложения полученных в наблюдениях значений характеристик деформации поверхности Земли, взятых для одного профиля Земли, на зависимости подобных характеристик, полученные для плоских моделей неравномерных сдвигов или комбинаций таких моделей, варьируют параметры моделей, для тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии принимают те параметры моделей или комбинаций моделей, при которых соответствие между данными наблюдений и модельными является наиболее полным. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для наложения используют данные наблюдений, полученные для некоторого региона поверхности Земли, и поля подобных характеристик, найденные для трехмерных моделей неравномерных сдвигов или комбинаций таких моделей. 4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что для суждения о степени полноты соответствия характеристик наблюдений и модельных используют статистические методы. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения параметров тектонических сдвигов и областей с высоким содержанием упругой энергии используют методы теории распознавания образцов.