СПОСОБ ПРОГНОЗА МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01V1/00 G01V3/00 

Изобретение относится к краткосрочным прогнозам землетрясений и может быть использовано для предупреждения катастрофических последствий этого природного явления.

Известен способ прогноза землетрясения, включающий выявление предвестников землетрясения, для чего фиксируют флуктуации определенных физических констант, например вариации наклона земной поверхности, регистрируемые маятниковыми приборами и (или) флуктуации высокочастотных акустических и электромагнитных полей в приземном слое атмосферы и (или) флуктуации режима подземных вод и газов (см. Горную энциклопедию, т. 2, с. 367-370).

Недостаток данного способа прогноза - низкая достоверность, поскольку отмечаются предвестники, не сопровождающиеся землетрясениями, и землетрясения без некоторых из упомянутых предвестников.

Известен способ прогноза землетрясения, включающий прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей (см. Горную энциклопедию, т. 2, с. 367).

Недостатки этого способа определяются природой информационных сигналов, в качестве которых выступают объемные сейсмические волны (продольные и поперечные), а также возбуждаемые ими в земной коре поверхностные волны Лява и Релея. Это снижает оперативность поступления прогноза и фактически обеспечивает только фиксацию параметров состоявшегося землетрясения.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении оперативности прогноза.

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в расширении набора предвестников землетрясения за счет включения такого предвестника, как электромагнитные волны, обладающие скоростью распространения, существенно большей, чем объемные сейсмические волны.

Для решения поставленной задачи способ прогноза землетрясения, включающий прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей, отличается тем, что в качестве информационных сигналов используют электромагнитную волну, порождаемую деформационными процессами в очаге землетрясения, предпочтительно низкочастотную, которую принимают в низкопроводящем слое земной коры, предпочтительно сложенном базальтами, для чего используют приемные антенны радиоволн, которые размещают в скважинах, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, и монтируют изолированно от земного массива, расположенного выше низкопроводящего слоя земной коры, при этом информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках.

Кроме того, по меньшей мере часть скважин, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, располагают на дне глубоководных морских впадин.

Кроме того, в качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
признак "в качестве информационных сигналов используют электромагнитную волну, порождаемую деформационными процессами в очаге землетрясения", обеспечивает высокую скорость распространения информационного сигнала и является новым фактором (предвестником), который предлагается использовать для прогноза землетрясения;
признак "предпочтительно низкочастотную" указывает диапазон электромагнитных волн, обладающих наибольшей мощностью и проницаемостью, а потому наиболее предпочтительных для использования в качестве информационного сигнала;
признак "которую принимают в низкопроводящем слое земной коры" обеспечивает возможность качественного приема информационного сигнала, поскольку упомянутый слой "работает" в качестве волновода, обеспечивающего благоприятные условия для распространения электромагнитной волны;
признак "предпочтительно сложенном базальтами" конкретизирует положение низкопроводящего слоя в земной коре;
признаки "используют приемные антенны радиоволн, которые размещают в скважинах, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры", обеспечивают возможность реализации вышеупомянутых признаков изобретения, конкретезируя методологию отбора информационных сигналов из низкопроводящего слоя земной коры;
признак "изолированно от земного массива, расположенного выше низкопроводящего слоя земной коры", исключает существенное снижение мощности информационного сигнала в приемной радиоантенне;
признак "информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках" обеспечивает возможность точной локализации местоположения источника информационных сигналов и тем самым местоположение эпицентра землетрясения;
признак второго пункта формулы изобретения позволяет существенно уменьшить объемы буровых работ при сооружении приемных антенн;
признак третьего пункта формулы изобретения обеспечивает возможность расширения диапазона информационных сигналов.

В основе способа лежат следующие положения.

В очаге землетрясения возможны два типа возникновения упругих деформаций при взаимодействии соседних плит:
- надвиговая (головная часть одной плиты проскальзывает под другую),
- сдвиговая, когда плиты взаимодействуют с соседней, себе подобной, в процессе горизонтально направленного трения друг о друга.

При таких типах деформаций сохраняется полный модуль магнитного поля Земли при изменении (перераспределении) составляющих вектора магнитного поля Земли (механически изменяется ориентировка доменов в объемах деформирующегося материала, которые искажают силовые линии магнитного поля Земли).

Например, типичные опытные (качественные) данные по измеренным составляющим магнитного поля на поверхности Земли, снятые магнитометрами, выглядят следующим образом.

Если происходит резкий спад механических деформаций упомянутых типов (фиг. 1 и 2), то происходит одновременное изменение магнитного поля Земли с периодом от 1 до 0,01 с, т.е. с частотой (f) от 1 до 100 Гц.

При механической деформации возникают упругие волны: распространяющиеся со скоростью до 8•10³ м/с - продольные и до 5•10³ м/с - поперечные волны, приводящие к механическим разрушениям на поверхности Земли.

Поскольку одновременно с возникновением упругих деформаций происходит изменение магнитного поля во времени с частотой 1 Гц < f < 1000 Гц, а также и в другом широком спектре частот до десятков МГц, то создаются предпосылки для генерирования электромагнитной волны, соответствующей длине от 3•10⁸ до (3 - 1)•10⁵ м. В диапазоне этих длин волн должна быть сосредоточена основная энергия электромагнитной волны. Даже для сравнительно слабых землетрясений, освобождающих механическую энергию до 10^8-10 Дж, мощность сверхдлинных (100-300 км) электромагнитных волн, распространяющихся в естественном диэлектрическом волноводе (слой - базальт, оливин (Mg, Fe)₂SiO₄ и др. проводимостью σ до 10^-15 1/Oм•м), может достигать от 10 до 100 МВт.

Этой мощности достаточно для многократного пересечения Земли по "подземному волноводу" - низкопроводящему слою на глубинах от 4-5 до 10-13 км.

По мощности приходящего сигнала электромагнитной волны можно оценить мощность механической энергии, освобождающeйся при разряде.

Кроме сверхдлинных электромагнитных волн в качестве информации о характере зарождающихся очагов землетрясений можно судить и по всему диапазону волн, включая короткие и УКВ-волны. Однако их количественные характеристики мощности на 10³ - 10⁵ раз меньше сверхнизких волн.

На фиг. 1 показана качественная зависимость изменения составляющей H_z вектора напряженности магнитного поля на поверхности Земли при опасном (скачкообразном, взрывном) развитии механических деформаций; на фиг. 2 показана качественная зависимость составляющих H_x,y вектора напряженности магнитного поля при появлении и исчезновении очага механических напряжений; на фиг. 3 показана качественная зависимость изменения составляющей H_z вектора напряженности магнитного поля на поверхности Земли при неопасном (с позиции уровня силы землетрясения) развитии механических деформаций; на фиг. 4 показан участок качественной зависимости изменения составляющей H_z вектора напряженности магнитного поля точке t₀ (см. фиг. 1) в укрупненном масштабе времени; на фиг. 5 показана схема, поясняющая реализацию способа, где обозначено: разрез Земли 1, низкопроводящий слой 2 земной коры, скважины 3, приемные антенны 4, глубоководная морская впадина 5, очаг землетрясения 6, эпицентр землетрясения 7, космический аппарат 8.

В качестве низкопроводящего слоя 2 земной коры целесообразно использовать слой земной коры, сложенный базальтом и оливином, залегающий на глубинах от 4 до 13 км, обладающий проводимостью σ до 10^-15 1/Ом•м. Меньшие глубины соответствуют положению глубоководных морских впадин 5, что позволяет при закладке скважин 3 в этих местах существенно уменьшить объемы буровых работ.

Скважины 3 выполняются диаметром, обеспечивающим свободное размещение антенны 4. Глубина скважины определяется мощностью пород, покрывающих низкопроводящий слой 2 земной коры.

Приемные антенны 4 конструктивно представляют из себя металлические трубы (стержни), объединенные в антенную решетку через антенные разветвители известных конструкций либо одиночные металлические трубы (стержни). При этом зазор между стенками скважины 3 и антенной 4 на участке, расположенном в пределах низкопроводящего слоя 2 земной коры, заполнен проводящим материалом, например металлом, для согласования волновых сопротивлений канала и антенны, а зазор на участке, размещенном выше, заполнен изолятом, например пенополиуретаном и т.п. негидрофильным материалом, или же заполнен твердеющим материалом, представляющeм смесь базальтовой крошки и синтетического связующего. Каждая антенна 4 подключена к передатчику (не показан), обеспечивающему передачу сигнала, принятого антенной на ретранслятор (предпочтительно космический аппарат).

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Развитие механических процессов в очаге землетрясения сопровождается генерированием электромагнитной волны длиной от 3•10⁸ до (3 - 1)•10⁵ м и мощностью до 100 МВт. Этой мощности достаточно для многократного пересечения Земли по низкопроводящему слою 2 на глубинах от 4-5 до 10-13 км. Указанный сигнал улавливается антеннами 4 и через космический аппарат 8 передается в компьютерный центр, занимающийся обработкой информационных сигналов - предвестников землетрясения.

Для определения координат во всех диапазонах электромагнитной волны используют известные пассивные методы определения координат излучателя. Для определения трех координат: линейного расстояния r и углов места ϑ и амплитуды ϕ - необходимо измерить время прихода однотипного сигнала минимум на три приемныe антенны.

Если координаты приемных антенн известны, то, используя известные методы обработки (например, корреляционные), можно определить координаты очага землетрясения 6, оценить его интенсивность и определить положение эпицентра землетрясения 7.

При использовании подземных приемных электромагнитных антенн высокий уровень мощности сигнала позволяет с вероятностью, большей P > 0,9, классифицировать характер подземных деформаций.

Использование: для предупреждения катастрофических последствий землетрясений. Сущность: способ прогноза землетрясения, включает прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей. В качестве информационных сигналов используют электромагнитную волну, порождаемую деформационными процессами в очаге землетрясения, предпочтительно низкочастотную, которую принимают в низкопроводящем слое земной коры, предпочтительно, сложенном базальтами. Для этого используют приемные антенны радиоволн, которые размещают в скважинах, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, и монтируют изолированно от земного массива, расположенного выше низкопроводящего слоя земной коры, при этом информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках. Кроме того, по меньшей мере часть скважин, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, располагают на дне глубоководных морских впадин. Кроме того, в качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн. Технический результат: повышение оперативности прогноза землетрясений. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясения, включающий прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей, отличающийся тем, что в качестве информационных сигналов используют электромагнитную волну, порождаемую деформационными процессами в очаге землетрясения, предпочтительно низкочастотную, которую принимают в низкопроводящем слое земной коры, предпочтительно, сложенном базальтами, для чего используют приемные антенны радиоволн, которые размещают в скважинах, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, и монтируют изолированно от земного массива, расположенного выше низкопроводящего слоя земной коры, при этом информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть скважин, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, располагают на дне глубоководных морских впадин. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн.