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 местоположения и интенсивности 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.

Известен также способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясения, включающий выявление флуктуации электромагнитных полей путем излучения электромагнитного зондирующего сигнала и последующую регистрацию и обработку электромагнитного информационного сигнала (см. Горную энциклопедию, т. 2, с. 367-370).

Недостаток данного способа - низкая достоверность, поскольку в качестве предвестников землетрясения используются флуктуации высокочастотных электромагнитных полей в приземном слое атмосферы, а потому велика зависимость информационного сигнала от состояния атмосферы, т.е. параметров, не имеющих отношения к задачам прогноза.

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

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в расширении набора предвестников землетрясения за счет включения такого предвестника землетрясения, как флуктуации во времени зондирующего сигнала, в качестве которого используются электромагнитные волны. Кроме того, снижается число внешних факторов, определяющих характер информационного сигнала.

Для решения поставленной задачи способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясения, включающий выявление флуктуации электромагнитных полей путем излучения электромагнитного зондирующего сигнала и последующую регистрацию и обработку электромагнитного информационного сигнала, отличается тем, что зондированию подвергают непосредственно земной массив, предпочтительно в сейсмоопасных районах, при этом в качестве электромагнитного информационного сигнала используют отраженные или рассеянные от зондирующего сигнала волны, при этом излучатель зондирующего сигнала располагают под Землей, а в качестве зондирующего сигнала используют радиоволны не менее чем в СДВ диапазоне, причем информационные сигналы отбирают одновременно, по меньшей мере, в трех точках. Кроме того, в качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "зондированию подвергают непосредственно земной массив, предпочтительно в сейсмоопасных районах, при этом в качестве электромагнитного информационного сигнала используют отраженные или рассеянные от зондирующего сигнала волны" обеспечивает возможность использования способа и для долгосрочных и краткосрочных прогнозов землетрясения при высокой оперативности получения дискретных измерительных результатов и обеспечении зависимости результатов измерений только от состояния земной среды и позволяет снизить издержки на реализацию способа.

Признак "в качестве зондирующего сигнала используют радиоволны не менее чем в СДВ диапазоне" обеспечивает достаточную прозрачность среды для зондирующего сигнала.

Признак "в качестве предвестника землетрясения используют отраженное или рассеянное поле от зондирующего сигнала" обеспечивает высокую зависимость информационного сигнала (предвестника землетрясения) от состояния земной среды на трассе зондирования.

Признак "информационные сигналы отбирают одновременно, по меньшей мере в трех точках" обеспечивает возможность точного определения координат очага землетрясения.

Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют оптимальный вариант выполнения приемной системы.

В основе способа лежат следующие положения.

При двух известных типах механической деформации Земли, в коре или мантии изменяются упругие, электрические и магнитные константы, характеризующие Землю как волновод упругих или электромагнитных волн. Очевидно, изменяющееся во времени (от нескольких суток до нескольких месяцев) локальное изменение характеристик земной среды (плотности ρ , постоянных Ляме λ и μ, магнитной проницаемости μ_л, диэлектрической постоянной ε ) изменяют константы распространения волн. Если подземное пространство Земли облучать сигналом с известными параметрами и наблюдать за результирующим сигналом на приемном датчике или антенне, то по изменению результирующего поля можно узнать о изменении параметров среды на трассе распространения волн. Прием результирующего поля можно проводить любым способом, разработанным в интроскопии (радиоинтроскопия или дефектоскопия упругими волнами).

Рассмотрим условия регистрации упругих продольных волн и электромагнитных волн с радиальной поляризацией вектора электромагнитного поля, излучаемых подземными антеннами с гармоническим излучением во времени с частотой f = 2π/T , где T - период гармоничного излучателя.

Антенна 1 упругих продольных (или электромагнитных) волн (см. фиг. 1) создает некоторое когерентное поле 3 упругих или электромагнитных волн на частоте f, создающих волны с длиной λ, сравнимой с линейными размерами очага землетрясения [ λ = (0,5 - 5)•10³ м].

В отсутствие очагов накапливающихся деформаций, поле в приемных антеннах 1 является стационарным, описываемым амплитудной частью неоднородного волнового уравнения (уравнение Гельмгольца)

где Φ - потенциал поля в любой точке внутренней области Земли, K_(r) = 2π/λ_(r) - волновое число, зависящее от координат; - дельта функция Дирака, определяющая место расположения излучающей антенны и место расположения приемника
Если неоднородностей, изменяющихся во времени нет, то в точке приема поле описывается функцией Грина, учитывающей условия трассы распространения волн и граничных условий.

Допустим, найдено решение этой граничной задачи в виде

где G_(MM0) - функция Грина, описывающая пространственное распределение поля в любой точке приема M_пр от излучателя гармонических волн в точке M0. Зависимость от времени выбрана в виде exp(-iwt).

Очевидно, если параметры среды изменяются во времени, то процессы, происходящие внутри объема W Земли не могут быть описаны уравнением Гельмгольца (2), а подчиняются в линейном приближении линейному волновому уравнению (предположим, что процесс изменения параметров среды происходит сравнительно медленно):

В этом случае функция Грина уравнения (3) зависит от времени и может быть записана в линейном приближении как суперпозиция G_(MM0) (2) и некоторой негармонической функции g(_MM0T)

В функции g_(MM0T) содержится информация о всех изменениях по трассе распространения волн в Земле, в том числе, очевидно, и от зарождающихся очагов землетрясений.

Дальнейшая обработка информации заключается в выделении признаков, сопровождающих процессы зарождения упругих деформаций и соответствующего им изменения магнитных и электрических постоянных μ_л и ε.
В качестве таких критериев можно выбрать как временной характер изменения признаков, выделяемых с помощью частотно-временного фильтра радиосигнала, так и пространственный характер (дифракция волн) на упругих неоднородностях или электрических аномалиях (μ,ε).
Фазовая скорость упругой волны составляет:

Скорость электромагнитной волны составляет:

На чертеже показана схема, поясняющая реализацию способа, при подземном размещении антенны излучателя.

На чертеже показаны антенна излучателя 1, приемные антенны 2, когерентное поле электромагнитных волн 3, формируемое антенной излучателя 1, очаг землетрясения 4, эпицентр землетрясения 5, космический аппарат-ретранслятор 6, разрез земли 7, отраженный (или рассеянный) сигнал 8.

С позиций минимизации затрат на реализацию способа целесообразно его внедрение вести поэтапно, начиная с сейсмоопасных регионов.

Антенна излучателя 1 представляет из себя размещенный под землей вибратор Герца (при размещении антенны излучателя на поверхности земли или над землей конструкция антенны 1 остается прежней). Приемные антенны 2 конструктивно представляют из себя металлические трубы (стержни), объединенные в антенную решетку через антенные разветвители известных конструкций, либо одиночные металлические трубы (стержни). Антенны 2 заглублены в землю 7 (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 2 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 чертеже не показан), обеспечивающему передачу сигнала, принятого антенной, на ретранслятор - космический аппарат 6.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Развитие механических процессов в очаге землетрясения сопровождается изменением физических параметров земного массива в пределах зоны влияния очага землетрясения 4. При зондировании массива земли 7 электромагнитными волнами 3 (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 8, являющегося в данном случае результирующим сигналом, несущим в себе информацию о состоянии земного массива. Этот информационный сигнал улавливается антеннами 2 и через космический аппарат-ретранслятор 6 передается в компьютерный центр (на чертеже не показан), занимающийся обработкой информационных сигналов - предвестников землетрясения.

Для определения координат эпицентра 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 приемных антенны.

Если координаты приемных антенн известны, то, используя известные методы обработки (например, корреляционные), можно определить координаты очага землетрясения 4, оценить его интенсивность и определить положение эпицентра землетрясения 5.

Использование: для краткосрочного прогноза землетрясения и для предупреждения катастрофических последствий этого природного явления. Сущность: земной массив, предпочтительно в сейсмоопасных районах, зондируют электромагнитными волнами, предпочтительно не менее чем средневолнового диапазона. В качестве предвестника землетрясения используют отраженное или рассеянное поле от зондирующего сигнала. Излучатель зондирующего сигнала располагают под Землей. В качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью. Технический результат - повышение достоверности прогноза. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясения, включающий выявление флуктуации электромагнитных полей путем излучения электромагнитного зондирующего сигнала и регистрации электромагнитного информационного сигнала, отличающийся тем, что зондированию подвергают непосредственно земной массив, предпочтительно в сейсмоопасных районах, при этом в качестве электромагнитного информационного сигнала используют отраженные или рассеянные от зондирующего сигнала волны, при этом излучатель зондирующего сигнала располагают под Землей, а в качестве зондирующего сигнала используют радиоволны не менее чем в СДВ диапазоне, причем информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемных антенн электромагнитной волны используют широкополосные антенны радиоволн, предпочтительно заглубленные в слои земной коры с пониженной электропроводимостью.