СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01V1/00 G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

На настоящий момент известно счетное множество литосферных признаков землетрясений, таких как сдвиговые деформации земной поверхности, изменение соотношения скоростей распространения продольных и поперечных сейсмических волн, изменение составляющих геомагнитного поля, удельного электрического сопротивления земной коры и др.

Перечисленные признаки-предвестники имеют долговременный интервал существования, но не позволяют точно предсказать момент наступления самого события. Существует линейная зависимость (формула Гутенберга-Рихтера) между логарифмом времени предвестника (T) и магнитудой (M): T = 0,79M - 1,88 (см., например, Т.Рикитаке, "Предсказание землетрясений", перевод с англ., Мир, М. , 1979 г, стр. 242, стр. 314, табл. 15.13).

Одним из наиболее достоверных признаков - предвестников землетрясений является изменение спектрального образа очага землетрясения непосредственно перед событием, в виде изменения амплитудных соотношений между спектральными составляющими волнового процесса, генерируемого очагом. Достоверно установлено (см. , например, В. А. Липеровский, Л.С. Шалимов, О.А. Похотелов "Ионосферные признаки землетрясений", Наука, М, 1992, стр. 163) появление за несколько минут до события особо низких гармоник с периодом 10...20 секунд.

Для регистрации длиннопериодных сейсмических колебаний применяют сейсмографы, гравиметры и др. устройства (см., например, "Сейсмические приборы" в книге Ф. С.Цзе, Н.Е.Морзе, Р.Т.Хинкл "Механические колебания", перевод с англ. , М. , Машиностроение, 1966 г., стр. 83...86, рис. 2.37 - сейсмограф, рис. 2.40 - акселерометр - аналоги).

Известен также сейсмоприемник в виде индукционной катушки, подвешенной между полюсами постоянного магнита (см., например, К.Уотерс, "Отражательная сейсмология", перевод с англ. , М. Мир, 1981 г., стр. 710 рис. 3.16 - индукционный сейсмоприемник - аналог). Составной частью перечисленных аналогов является, как правило, инерционная масса на упругой подвеске. Поскольку измеряемые сейсмические волны представляют собой совокупность гармоник различных частот, известным аналогам с инерционной массой присущи амплитудные, фазовые, нелинейные искажения, а также низкая чувствительность, громоздкость исполнения в области частот менее 1 Гц. Кроме того, регистрация сигналов с периодами единицы и десятки секунд, является, вообще, проблематичной (см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред", под редакцией Сорокина В.Н., Научный сборник, АН СССР, Институт общей физики, М., 1991 г., стр. 267).

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ измерений сейсмических волн (см., например, К.Уотерс "Отражательная сейсмология", перевод с англ., Мир, М, 1981 г., стр. 91...92, рис. 2.20. Двумерные группы - ближайший аналог). В способе ближайшего аналога выбирают единичный элемент - датчик для преобразования сейсмических волн в электрический сигнал; образуют линейные группы приемников из единичных элементов; расставляют линейные группы на некоторой поверхности наблюдения, ориентированные относительно источника; осуществляют обработку зарегистрированных отсчетов для восстановления параметров среды на измеряемом профиле.

Недостатками ближайшего аналога являются непригодность способа для восстановления особо низких сейсмоволн; возможность пропуска сигнала при регистрации его во времени; необходимость априорной ориентации системы приемников относительно источника; функциональная ограниченность по выделяемым параметрам.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении возможности получения пространственного изображения признака-предвестника в виде цифровой матрицы дискретных отсчетов и достоверного предсказания события путем восстановления как параметров самого сигнала предвестника так и ассоциативных признаков.

Поставленная задача решается тем, что в способе предсказания землетрясений, включающем преобразование сейсмических волн в электрический сигнал, взятие отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства, дополнительно создают на выбранном профиле наблюдения измерительный полигон в виде прямоугольной решетки из N безинерционных измерителей, размещенных в узлах решетки и отстоящих друг от друга на расстоянии (λ/4) при геометрических размерах сторон решетки, кратных длине волны (λ) сигнала предвестника, измеряют амплитуду (A) сигнала в каждом узле решетки в дискретные интервалы времени со скважностью менее 1 с, формируют матрицу цифровых отсчетов сигнала предвестника размерностью |m•m| элементов в функции пространственных координат A (x,y), вычисляют параметры электрического сигнала матрицы: энергетический спектр сигналов S(F_x), S(F_y), пространственный период

направление (азимут) прихода волны θ = arctg (F_x/F_y), автокорреляционную функцию B(R) и по их значениям и времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как высокую вероятность обнаружения признака-предвестника за счет использования пространственной энергии сигнала с большой площади в виде его энергетического спектра; возможность регистрации и восстановления сколь угодно низких сейсмических волн; экспресс-обработку сигнала и выделение всей совокупности параметров признака-предвестника в темпе наблюдения.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее достоверные признаки-предвестники в виде особо низкочастотных сейсмических волн за несколько минут до толчка существуют как в пространстве, так и во времени. Медленные изменения наблюдаемой величины во времени не позволяют существующими инструментальными методами достоверно выделять такие изменения. При относительно коротком временном интервале существования (2...3 мин) признака-предвестника возникающий волновой процесс имеет широкий пространственный размах. Чтобы не допустить пропуска кратковременного события во времени, особо низкие гармоники сейсмического поля предлагается регистрировать в пространственно-разнесенных точках протяженного измерительного полигона. При этом геометрические размеры измерительного полигона представляют минимальное аппроксимативное окно дискретной выборки измерений, достаточной для его восстановления по зафиксированным отсчетам.

В соответствии с теорией спектрального оценивания (см., например, С.П. Марпл, "Цифровой спектральный анализ и его приложения", перевод с англ., Мир, М., 1990 г. стр. 181) устойчивые результаты (малые флюктуации и высокая точность) достигаются при условии, когда
Q • T_e • B > 1,
где Q - показатель качества оценивания (если дисперсия спектральной оценки составляет 10% от ее средней, то Q = 0,1);
T_e = N • T - полный интервал записи данных из N отсчетов; длительностью T каждого отсчета;
B - эффективное разрешение по частоте.

Следовательно, при периоде особо низких сейсмических волн 10...20 с, устойчивость оценки можно получить на интервале наблюдения порядка 200 с. Это является неприемлемым, поскольку соизмеримо со временем существования самого признака. В то же время, распространяясь со скоростью нескольких км/с от источника в пространстве, область сейсмического возбуждения занимает десятки и сотни км. Выбрав в этом поле характерный профиль и создав измерительный полигон в виде плоской двумерной решетки, необходимое число отсчетов для достоверного восстановления параметров признака-предвестника набирают в разнесенных точках пространства за несколько последовательных циклов опроса. Известно решающее значение ограниченности реализаций при анализе энергетического спектра. Чрезвычайно существенную роль в задачах обнаружения сигналов по кусочным выборкам играет форма и размер (структура) окна наблюдения (см., например, Ерохин А.Т. "Аппроксимация реализаций случайных процессов. . . " в научном сборнике "Геофизические методы мониторинга природных сред" АН СССР, Институт общей физики, М., 1991 г., стр. 125-130). Выбирая геометрические размеры решетки кратными длине волны, измерительную матрицу дискретных отсчетов с требуемым числом реализаций формируют из нескольких окон.

Используя волоконно-оптические линии связи, обладающие высокой пропускной способностью, интервал опроса узлов решетки может быть выбран сколь угодно малым (доли ms), что позволяет без погрешностей формировать измерительную матрицу. С целью использования современных вычислительных средств для автоматизации процесса обработки сигнала и выделения признаков, осуществляют преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую, путем дискретизации и квантования каждого измерения. Для взятия отсчетов в дискретных точках пространства применен безинерционный интреферометр Маха-Цендера в режиме акселерометра, имеющий чувствительность ≈ 10^-10g, с разрешением ≈ 1 mkg (см., например, Окоси Т. и др. "Волоконно-оптические датчики", перевод с японского, Л. , Энергоиздат, 1991 г., стр. 194). Требуемая чувствительность датчика при амплитуде (A) сейсмоволн несколько [мм] и периоде ≈ 20 с составляет a = Aω² порядка 10^-6 g, т.е. чувствительность и разрешающая способность интреферметра Маха-Цендера удовлетворяет режиму измерения особо низких сейсмических волн.

Каждый цикл измерений представляется матрицей (m • m) элементов в функции пространственных координат A(x,y).

Следующей задачей является обработки матрицы A(x,y) и выделение пространственных волн. По определению (см., например, Дуда Р., Харт П. "Распознавание образов и анализ сцен", перевод с англ., М.: Наука, 1976 г., стр. 272) двумерный пространственный спектр функции A(x,y) вычисляется как двойной интеграл:

Интеграл представляет обобщенную сумму экспоненциальных функций комплексного аргумента. Эту функцию трудно изобразить графически, поскольку она является комплексной двух переменных. Некоторое представление о ее виде можно получить, если изобразить на плоскости x, y области, в которых эта функция вещественна и положительна. Это области нулевой фазы, которые можно найти, прировняв показатель экспоненты величины 2πi для всех целых n. Это приводит к уравнению
2πi[F_x•x+F_y•y] = 2πi•n;
y - (-F_x/F_y) • x + n/F_y.

Вид этой функции представлен на фиг. 1. Области нулевой фазы представляют собой параллельные линии. Наклон каждой линии равен - F_x/F_y, а их общая нормаль ориентирована под углом θ = arctg F_x/F_y). Расстояние L между линиями - соответствует пространственному периоду и вычисляется как

Чем ниже пространственные частоты, тем реже расположены линии нулевой фазы и тем больше пространственный период L. Следовательно, одним из селектируемых параметров особо низких сейсмических волн является пространственный период L, выделяя который можно судить о наличии признака-предвестника. При известном расстоянии между узлами решетки (пространственном разрешении одного пиксела) математическими процедурами обработки измерительной матрицы вычисляются реальные параметры сигнала предвестника. Так, пространственные частоты F_x, F_y вычисляются прямым Фурье-преобразованием, соответственно от строки и столбца матрицы, программным расчетом (см., например, МАТH САД, 6.0 PLUS, издание 2-е, стереотипное, М., Информ-издат. дом Филинъ, 1997 г., стр. 4112). Двумерный Фурье-спектр G(F_x, F_y цифровой матрицы вычисляется алгоритмами быстрого Фурье-преобразования (БФП), выходящих в пакет специализированных программ ER MAPPER 5.0 (см., например Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле, GENASYS Jnc. San Diego, USA, p. 283-294). Интегрированием двумерного пространства спектра G(F_x, F_y) по кольцевым сегментам, в соответствии с программным расчетом (см., например, "Методы и аппаратура цифровой обработки изображений", версии 2.1, 2.2. Маски интегрирования Фурье спектра, технический отчет, МГУ, 1986 г.) выделяют огибающую пространственного спектра G (1/R) в функции полярного радиуса (R). Энергетический спектр сигнала S(F) связан с его амплитудным спектром G (1/R) соотношением

где A, B - интервал определения функции G (1/R), в данном случае линейные размеры решетки (см., Заездный А.М. "Основы расчетов по статической радиотехнике", М., Связьиздат, 1969 г., стр. 93).

Количественной мерой скорости изменения сигнала предвестника является его автокорреляционная функция B (R). Она связана с его энергетическим спектром S (F) обратным Фурье преобразованием

Программный расчет обратного Фурье преобразования входит в комплект программ МАТН САД. 6.0 PLUS.

Общий вид огибающей пространственного спектра G (1/R) и ее автокорреляционной функции, получаемых программным расчетом на ПЭВМ, представлен на фиг. 2 (а, б).

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг. 3. Функциональная схема устройства фиг. 3а содержит гелиевый лазер 1, обеспечивающий через адресный электрооптический дефлектор 2 запитку волоконно-оптических линий 3 пространственной решетки 4, в узлах которой размещены измерительные модули 56. Формирование матрицы дискретных отсчетов осуществляется программным методом посредством программируемой схемы выборки 6, осуществляющей адресное управление дефлектором 2 и канальным коммутатором 7. Считывание дискретных отсчетов от измерительных модулей 5 осуществляется по шинам считывания 8, последовательно, по столбцам. Результаты измерений накапливаются в буфере-формирователе 9. Сформированная измерительная матрица задаваемого размера m • m элементов считывается в оперативное запоминающее устройство 10 ПЭВМ, содержащей процессор-вычислитель 11, винчестер 12, клавиатуру 13, дисплей 14, принтер 15.

Измерительный модуль фиг. 3б содержит волоконно-оптический ответвитель 16, интерферометр Маха-Цендера 17, аналого-цифровой преобразователь 18, адресный сервер 19.

Устройство работает следующим образом. Программы опроса измерительных модулей формируются на ПЭВМ и записываются на винчестер 12. Текущая программа опроса пересылается из ПЭВМ в схему выборки 6, которая в режиме дежурного слежения циклически воспроизводится с установленной скважностью. В дежурном режиме от схемы 6 осуществляется адресное управление дефлектором 2, осуществляющим запитку волоконно-оптических линий 3 на время, достаточное для считывания информации от измерительных модулей 5 запитанного столбца. В свою очередь канальный коммутатор 7 формирует адреса узлов решетки запитанного столбца. Каждая посылка адреса воспринимается сервером 19, который запускает аналого-цифровой преобразователь 18, осуществляющий квантование сигнала с выхода интерферометра Маха-Цендера 17. Оцифрованный отсчет измерения с выхода АЦП записывается в сервер 19, откуда пересылается в буфер-формирователь. 9. В результате формируется измерительная матрица одного окна. По программе от схемы выборки 6 составляется результирующая матрица m • m элементов, содержащая кратное число измерений целых окон 4, 9, 16,..., которая пересылается в ОЗУ 10 для обработки.

Специализированные программы обработки [ER MAPPER 5.0; МАТН САД 6.0] расчета параметров сигнала и восстановления признака предвестника, по операциям заявляемого способа записываются на винчестер 12. Обработка осуществляется процессором 11 по командам от клавиатуры 13 в интерактивном режиме. На винчестер 12 помещаются и сервисные программы, позволяющие оперативно изменять интервал опроса узлов решетки и структуру формируемого кадра измерений. В качестве ПЭВМ используется IBM PC 486/487. Другие элементы устройства могут быть также реализованы на существующей элементной базе. Адресный электрооптический дефлектор выполнен по схеме (см., например, А.А.Акаев, С.А.Майоров "Оптические методы обработки информации", М., Высшая школа, 1988 г., стр. 57, схема рис. 3.4). Волоконно-оптический ответвитель по схеме (см., например, Окоси Т. и др. "Волоконно-оптические датчики", Л., Энергоиздат, 1991 г., стр. 126, рис. 4.19). Программируемая схема выборки, канальный коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, адресный сервер выполнены в виде стандартных плат, совместимых с IBM PC/AT. Программируемая схема выборки выполнена на плате типа ЛА-TMS 31, канальный коммутатор на плате ЛА-20, адресный сервер на плате К.561. КЛ 2, АЦП на плате ЛА-20 (см., например, Якубовский Б. и др. "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы", Справочник, М. : Радио и Связь, 1990 г.). Тактовая частота использованных интегральных микросхем 2,5 Мгц, что при 8-разрядном адресе решетки и стандартном (0...256) уровне единичного измерения обеспечивает время цикла опроса одного окна порядка ≈ 0,03 ms.

Эффективность способа определяется такими показателями как достоверность, оперативность, наглядность. Очевидно, что эффективность зависит от метрологической точности восстановления признака предвестника. Используя цифровые методы отсчета сигнала в каждом узле решетки исключаются ошибки при передаче информации. Осуществляя сбор отсчетов в разнесенных точках пространства, достигается достоверность измерений за счет использования большей энергии сигнала. Оперативность и наглядность существенно зависит от используемых программ сбора, формирования измерительного кадра и алгоритмов обработки измерительной матрицы. В частности, если формируемые кадры, путем зацикленного воспроизведения отображать на экране дисплея со скоростью 24 кадра в секунду, то можно наблюдать визуализированное киноизображение пространственных волн и изменение их пространственного периода непосредственно перед событием.

Использование: сейсмология, в системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: в способе предсказания землетрясений для повышения вероятности обнаружения признака-предвестника и скорости обработки сигнала, осуществляют преобразование сейсмических волн в электрический сигнал и взятие отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства. При этом создают на выбранном профиле наблюдения измерительный полигон в виде прямоугольной решетки из N безынерционных измерителей, измеряют амплитуду А сигнала в каждом узле решетки со скважностью менее 1 с, формируют матрицу цифровых отсчетов сигнала предвестника размерностью m•m элементов в функции пространственных координат А (х, у), вычисляют параметры электрического сигнала матрицы и по их значениям и времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения. 3 ил.

Способ предсказания землетрясений, включающий преобразование сейсмических волн в электрический сигнал, взятие отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства, отличающийся тем, что дополнительно создают на выбранном профиле наблюдения измерительный полигон в виде прямоугольной решетки из N безынерционных измерителей, размещенных в узлах решетки и отстоящих друг от друга на расстоянии λ/4 при геометрических размерах сторон решетки, кратных длине волны λ сигнала предвестника, измеряют амплитуду А сигнала в каждом узле решетки со скважностью менее 1 с, формируют матрицу цифровых отсчетов сигнала предвестника размерностью m • m элементов в функции пространственных координат A(x,y), вычисляют параметры электрического сигнала матрицы: энергетический спектр сигналов S(F_x),S(F_y), пространственный период

направление прихода волны θ=arctg F_x/F_y, автокорреляционную функцию В(R) и по их значениям и времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.