СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЗАПАСОВ ЭНЕРГИИ В ОЧАГЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01V11/00 G01V3/00 G01V1/00 

Изобретение относится к сейсмологии, предназначено для регулирования механических напряжений в очагах землетрясения и может быть использовано для предупреждения катастрофических последствий землетрясений.

Известен способ снижения запасов энергии в очаге землетрясения, включающий бурение скважин и нагнетание деструктирующих агентов, например воды (см. Горную энциклопедию, т.2, М., Советская энциклопедия, 1986, с. 371).

Однако этот способ имеет ограниченные условия применения по глубине очага землетрясения, по наличию воды в районе заложения скважины. Кроме того, с учетом сравнительно низкой проницаемости воды предварительное обустройство любого опасного по сейсмичности района потребует большого объема буровых работ, тогда как попытка экономии на этом (т.е. бурение в выявленный очаг землетрясения) может быть опасна из-за продолжительности бурения или же вообще не возможна по техническим условиям.

Известен также способ снижения запасов энергии в очаге землетрясения, включающий выявление местоположения очага землетрясения, бурение скважин, подвод энергии к очагу землетрясения, посредством излучения энергии через скважины (см. Горную энциклопедию, т.2, М., Советская энциклопедия, 1986, с. 371).

Недостатки этого способа определяются источником энергии, в качестве которого используется ядерный взрыв: опасность радиационного заражения подземного пространства и атмосферы из-за утечки радиации по трещинам массива (при этом возможность использования неядерных взрывных устройств исключается тем, что для их размещения необходимы зарядные камеры большого объема). Кроме того, не все энергетические компоненты ядерного взрыва обладают достаточной проникающей способностью и скоростью распространения, что определяет недостаточную эффективность ядерного взрыва как источника энергии и влечет за собой необходимость увеличения заряда и, следовательно, возрастанию опасности радиоактивного заражения земных недр и местности. Таким образом способ не отличается безопасностью. Кроме того, оперативность способа оставляет желать лучшего, поскольку весь комплекс работ может проводиться только после выявления очага землетрясения, причем каждый раз потребуется бурение новых скважин.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении безопасности и оперативности работ по снижению запасов энергии в очаге землетрясения.

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в снижении разрушительной силы землетрясения, при повышении оперативности работ по снижению запасов энергии в очаге землетрясения (которые могут осуществляться сразу после выявления зарождающегося очага землетрясения). Кроме того, обеспечивается возможность многократного использования одних и тех же скважин.

Для решения поставленной задачи способ снижения запасов энергии в очаге землетрясения, включающий выявление местоположения очага землетрясения, бурение скважин, подвод энергии к очагу землетрясения, посредством излучения энергии через скважины, отличается тем, что энергию подводят в виде радиоволн, при этом используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью, при этом для генерирования радиоволн используют энергию, предпочтительно резервную, из имеющейся энергетической системы.

Кроме того, в каждом сейсмоопасном районе формируют более одной подземной радиоантенны.

Кроме того, подземные радиоантенны формируют заранее, до выявления местоположения очага землетрясения.

Кроме того, подземные радиоантенны используют для выявления местоположения очага землетрясения.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признаки "энергию подводят в виде радиоволн", обеспечивает высокую скорость распространения энергетического сигнала и возможность ввода энергии из удаленной от очага землетрясения точки.

Признак "используют широкополосные антенны радиоволн" обеспечивает возможность использования радиоволны в качестве энергетического сигнала.

Признак "предпочтительно, заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью" указывает на конструктивное выполнение радиоантенн и соответственно скважин, наиболее предпочтительное с позиции минимизации потерь на передачу энергии.

Признак "для генерирования радиоволн используют энергию, предпочтительно резервную, имеющейся энергетической системы" исключает возможность энергодефицита в районе проведения работ.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность работы подземных радиоантенн в согласованном режиме, что позволяет обеспечить направленность передачи энергии (тем самым или увеличить дальность передачи энергии, или, при сохранении дальности, увеличить передаваемую мощность).

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность оперативного реагирования на развитие (или даже появление) очага землетрясения.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность зондирования подземного пространства на предмет обнаружения очага землетрясения.

В основе способа лежат следующие положения.

В зоне очага землетрясения действуют большие механические, электрические и магнитные напряженности, которые вызывают типично нелинейные явления, приводящие к трансформации и переходам различных типов энергии друг в друга и излучению волновой энергии. Волновая энергия или энергия бегущих волн, распространяющихся от очага землетрясения, носит характер упругих и электромагнитных волн. Возможны и другие типы волновой энергии, связанные с гравитационным полем, которые учесть пока не возможно.

Несмотря на типичную нелинейность волн, образуемых при землетрясении, рассмотрим только первый член бесконечного ряда, функции полной энергии, связанный только линейными соотношениями.

В первом приближении различаются землетрясения двух типов: надвиговые и сдвиговые. Первый тип возникает, когда головная часть одной плиты проскальзывает под другую в зоне субдукции, т.е. погружения плиты. Второй тип имеет место вдоль границ плиты там, где она взаимодействует с соседней, себе подобной, в процессе горизонтально направленного трения друг о друга к наиболее катастрофическим последствиям приводят надвиговые землетрясения, раскалывающие кору в диагональном направлении.

Если считать, что надвигающаяся плита состоит из участков объемом 0,5 - 1 км³, обладающих спонтанной намагниченностью по типу магнитных доменов, то полная энергия таких гигантских квазидоменов может быть оценена по формуле
E = -1,5λ_s•σcos²ϕ-μ₀HJcosϕ. (1)
Вклад в энергию дают два слагаемых. Первый минус - упругая сила. Второй минус означает размагничивающий эффект в зависимости от магнитной восприимчивости.

Здесь: λ_s = Δl/l коэффициент магнитострикции материала, намагниченного до насыщения; σ - внешнее механическое напряжение, действующее на материал; ϕ - направляющий угол между внешним полем земли H и движением деформируемой плиты (примем ϕ = 0); μ₀ - магнитная проницаемость; H - вектор напряженности магнитного поля.

Основной "строительный материал" верхней мантии Земли - минерал оливин (Mg, Fe₂) SiO₄. Если это и ферромагнетик, то очень слабый, скорее это магнитодиэлектрик.

Примем для него характеристики чистого железа: предел прочности σ_пр = 2,94•10⁸ н/м², модуль Юнга E = 19,6 • 10¹⁰ н/м².

Тогда критический коэффициент магнитострикции можно взять по закону Гука
λ_s = Δl/l = σ_пр/E = 1,5•10^-3.
Для магнетиков намагниченность J = H•λ = H(μ-1).
Поскольку оливин есть силикатное железо, примем для него μ = 15 соответствующее карбональному железу.

С учетом сказанного преобразуем формулу (1)
E = -1,5λ_s•σ-μ₀(μ-1)H². (2)
Наибольшую сложность представляет оценка внешнего поля.

Известно, что на поверхности Земли H = 0,5 Э. Пусть центр землетрясения находится на глубине 20 км. Данных о величине поля в литературе нет. Ориентировочно примем H = 1 Э = 79,6 А/м.

Тогда из уравнения (2) получаем, что E ≈ -6,615 • 10⁵ Дж/м³.

Известно, что плотность энергии электрического поля
E = ε₀•ε•ε²/2,
где E(Дж/м³) - плотность энергии; ε - напряженность (в/м). Примем для оливина диэлектрическую проницаемостью ε = 10. При этом ε₀ = 1.

Таким образом, чтобы полностью переориентировать домены, по оценкам, потребуется поле с напряженностью ε = 1,223•10⁸ ≈ 10⁸ в/м.
Если учесть, что деформационное слагаемое зависит от cos²ϕ, то при условии ϕ = 60^o, cos²ϕ = 0,25
ε = 3,06•10⁷ в/м.
Переориентация доменов приводит к двум механизмам снижения потенциальной энергии: механической и энергии магнитного поля.

Основная идея изобретения заключается в передаче в очаг землетрясения энергии полностью или хотя бы частично компенсирующей катастрофическое накопление потенциальной энергии и обеспечивающей его рассеяние на большие объемы Земли.

Если предположить, что необходимо рассеять энергию объема W = 10⁹ м³, то суммарная энергия составить
E_Σ ≅ W•E ≅ 6•10¹⁵ Дж.
По данным геофизики в случае катастрофических землетрясений выделяется кинетическая энергия до 10¹⁸ Дж, при глубинах очага от 20 до 400 км. Например, при землетрясении в Ашхабаде (1948 г) было выделено порядка 10¹⁵ Дж, а на Аляске (1964 г) до 10¹⁸ Дж.

Если подвести к очагу землетрясения некоторую энергию, рассеивающую его магнитную или электрическую энергию или полностью (до E_Σ ≅ 6•10¹⁵ Дж ), или частично (хотя бы до E_Σ ≅ 10¹⁰ Дж ), то катастрофическое землетрясение можно свести к обычному сейсмическому удару.

Рассмотрим технические возможности подведения такой энергии в современной мировой энергетике.

Известно, что для резервирования энергии в действующих штатных электростанциях имеются различные установки, например газотурбинные, которые имеют мощность до 25 - 100 Мвт. Если эти установки использовать для питания излучающих электромагнитную энергию систем до 1 часа в сутки, то можно рассчитывать на передачу энергии до: E_Σ ≈ 3,6•10¹¹ Дж , а если до 10 часов в сутки, то можно рассчитывать на энергию до E_Σ ≈ 3,6•10¹² Дж.
Передача этой энергии в очаг землетрясений может быть произведена электромагнитной волной. Если в качестве передающей части рассмотреть ненаправленную излучающую радиоантенну, то напряженность, мощность и энергия будут убывать в подземном волноводе по законам

где r - расстояние от антенны до очага землетрясения.

Если антенна размещена на расстоянии до 10 км, то мощность, вводимая непосредственно в очаг землетрясения, составит:

а на расстоянии до 100 км

Таким образом в принципе достаточно резервного элемента существующих станций, чтобы доставить рассеивающую энергию до очага землетрясения на расстояние до 100 км.

При увеличении расстояния, очевидно, необходимо принять известные методы увеличения энергии, подводимой к подземным излучателям (включение основных резервов электростанции, построение антенных решеток из многих антенн, объединенных в единую систему защиты от землетрясений).

На фиг. 1 показана схема, поясняющая этап выявления очага землетрясения; на фиг. 2 показана схема, поясняющая реализацию способа; на фиг. 3. показан вид в плане сейсмоопасного участка.

На чертежах показаны сейсмоопасный участок 1 земного массива, антенны 2, очаг землетрясения 3, зондирующие сигналы 4, энергетический сигнал 5 (электромагнитные волны - радиоволны), ретранслятор-космический аппарат 6, отраженный (или рассеянный) сигнал 7.

Антенна 2 является размещенным под землей вибратором Герца и конструктивно представляет из себя металлические трубы (стержни), связанные с генератором энергии (на чертежах не показан). Антенны 2 объединены в антенную решетку через антенные разветвители известных конструкций и заглублены в землю (размещены в скважинах, пробуренных для этих целей до глубины, на которой проводимость породного массива мала и составляет не более 10^-5 1/Ом•м), при этом зазор между стенками скважины и антенной 2 на участке, расположенном в пределах низкопроводящего слоя земной коры, заполнен проводящим материалом, например металлом, для согласования волновых сопротивлений канала и антенны, а зазор на участке, размещенном выше, заполнен изолятором, например пенополиуретаном и т. п. негидрофильным материалом на синтетическом связующем. Каждая антенна 2 подключена к передатчику (на чертежах не показан), обеспечивающему передачу сигнала, принятого антенной (при работе в "приемном" режиме), на ретранслятор-космический аппарат 6.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

В пределах сейсмоопасного участка формируют сеть (антенную решетку) из нескольких подземных широкополосных радиоантенн 2, для чего бурят скважины и осуществляют в них монтаж элементов антенны. Желательно, чтобы расстояние между антеннами не превышало 100 км. После соединения отдельных антенн в антенную решетку и подключения антенн к генератору (генераторам) энергии, входящих в состав местной энергетической системы, проводят работы по выявлению очага землетрясения 3 и определению его местоположения (например, путем зондирования массива электромагнитными волнами). Для этого одну из антенн 2 используют в режиме излучателя, формирующего зондирующие сигналы 4 (электромагнитные волны), а остальные (по меньшей мере, три) антенны 2 работают на прием рассеянного (или отраженного) сигнала. Развитие механических процессов в очаге землетрясения сопровождается изменением физических параметров земного массива в пределах зоны влияния очага землетрясения 3. При зондировании массива 1 электромагнитными волнами 4 (предпочтительно использовать низкочастотные, радиоволны с длиной волны порядка сотен метров, излучаемые генератором мощностью до 1 МВт) параметры зондирующего сигнала, проходящего через зону влияния очага землетрясения 4, соответственно претерпевают изменения. Кроме этого, изменяются и параметры отраженного (или рассеянного) сигнала 7, являющегося в данном случае результирующим сигналом, несущим в себе информацию о состоянии земного массива. Этот информационный сигнал улавливается антеннами 2, работающими на прием, и через космический аппарат-ретранслятор 6 передается в компьютерный центр (на чертежах не показан), занимающийся обработкой информационных сигналов - предвестников землетрясения.

Для определения координат очага землетрясения используют известные пассивные методы определения координат неоднородностей в интроскопии. Для определения трех координат: линейного расстояния r и углов места ϑ и амплитуды ϕ необходимо измерить время прихода однотипного сигнала минимум на три антенны 2, работающие в режиме приемных. Если координаты приемных антенн известны, то используя известные методы обработки (например, корреляционные), можно определить координаты очага землетрясения 3.

Далее антенны 2, ближе расположенные к очагу землетрясения 3, переводят в "излучающий" режим, связывают их с генератором энергии и(или) местной энергосистемой и в периоды наименьшего потребления энергия, когда можно задействовать резервные установки штатных электростанций, осуществляют закачку электромагнитной энергии в очаг землетрясения 3 (при синхронной работе всех задействованных излучающих антенн 2).

При накоплении энергии до уровня, при котором напряжения в массиве превысят пределы прочности породного массива, произойдет сейсмический удар, после чего запасы потенциальной энергии в очаге землетрясения скачкообразно уменьшатся.

Далее все повторяется.

Использование: предупреждение катастрофических последствий землетрясений. Сущность изобретения: выявляют местоположение очага землетрясения, бурят скважины, через которые подводят энергию к очагу землетрясения посредством излучения энергии через скважины. Энергию подводят в виде радиоволн, при этом используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводностью. Для генерирования радиоволн используют энергию, предпочтительно резервную, из имеющейся энергетической системы. Кроме того, в каждом сейсмоопасном районе формируют более одной подземной радиоантенны. Кроме того, подземные радиоантенны формируют заранее, до выявления местоположения очага землетрясения. Кроме того, подземные радиоантенны используют для выявления местоположения очага землетрясения. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности и оперативности работ по снижению запасов энергии в очаге землетрясения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ снижения запасов энергии в очаге землетрясения, включающий выявление местоположения очага землетрясения, бурение скважин, подвод энергии к очагу землетрясения посредством излучения энергии через скважины, отличающийся тем, что энергию подводят в виде радиоволн, при этом используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью, при этом для генерирования радиоволн используют энергию, предпочтительно резервную, из имеющейся энергетической системы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в каждом сейсмоопасном районе формируют более одной подземной радиоантенны. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подземные радиоантенны формируют заранее, до выявления местоположения очага землетрясения. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подземные радиоантенны используют для выявления местоположения очага землетрясения.