СПОСОБ ПРОГНОЗА МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01V1/00 G01V3/00 G01V7/00 

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

Известен способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясений, включающий прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей (см. Горную энциклопедию, т. 2, М., Советская энциклопедия, 1986, 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 землетрясений, включающий измерение параметров нескольких, отличающихся природой физических полей Земли (см. Горную энциклопедию, т. 2, М., Советская энциклопедия, 1986, с. 367-370).

Недостаток данного способа прогноза - низкие оперативность и достоверность, поскольку в качестве предвестников землетрясения используются флуктуации определенных физических констант, природа которых существенно зависит от состояния среды (исходная структура массива, плотность и прочность слагающих пород, состояния атмосферы и т.п.), в которой отслеживаются те или иные константы, 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.

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 таких предвестников землетрясения, как электромагнитное излучение и гравитационные волны, генерируемых в очаге землетрясения, при обеспечении проверки их на принадлежность одному источнику. Кроме того, снижается число внешних факторов, определяющих характер информационного сигнала.

Для решения поставленной задачи способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясений, включающий измерение параметров нескольких, отличающихся природой физических полей Земли, отличающийся тем что, одновременно, по меньшей мере в трех точках пространства, фиксируют время регистрации электромагнитного излучения, генерируемого в очаге землетрясения, после чего при наличии изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, фиксируют время регистрации этого изменения, определяют координаты источника электромагнитных волн и расстояние до него, после чего по разнице во времени между поступлением сигналов электромагнитных волн и временем фиксации изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, определяют скорость последнего, полагая, что у них один источник, причем при скорости распространения изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, C_гр = 5,5 ± 0,55 км/сек, делают вывод о наличии очага землетрясения и посредством корреляционной и(или) логической обработки сигналов фиксируемых физических полей оценивают параметры прогнозируемого землетрясения.

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

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки "одновременно, по меньшей мере в трех точках пространства, фиксируют ... время начала регистрации электромагнитного излучения, генерируемого в очаге землетрясения", обеспечивают возможность точной привязки в пространстве местоположения очага землетрясения и определения расстояния до него, что, в свою очередь дает возможность определения расчетной скорости изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами при предположении, что источники этих волн совпадают. При этом фиксация характера регистрации электромагнитного излучения позволяет путем его корреляционной и (или) логической обработки, оценить параметры прогнозируемого землетрясения.

Признаки "при наличии изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, фиксируют время регистрации этого изменения" позволяют рассчитать скорость распространения изменения гравитационного поля. При этом, фиксация характера этого изменения позволяет путем его корреляционной и(или) логической обработки оценить параметры прогнозируемого землетрясения.

Признак "определяют координаты источника электромагнитных волн и расстояние до него" позволяет получить критерий, используемый для сравнения с эталонной скоростью распространения изменения гравитационного поля.

Признак "при скорости распространения изменения гравитационного поля ... C_гр = 5,5 ± 0,55 км/сек, делают вывод о наличии очага землетрясения" является индикатором землетрясения по такому предвестнику, как величина скорости распространения изменения гравитационного поля, генерируемого очагом землетрясения. Этот параметр определен теоретически из формулы (5) описания: при известной скорости продольных волн, проходящих через ядро Земли (8 ± 0,4)10³ м/сек и предположении, что ядро Земли состоит из жидкого металла. Из теории измерений в технологии ультразвука известно, что при значительном росте давления в жидких средах фазовая скорость продольных упругих волн изменяется не более чем на 10 - 15% от скорости при атмосферном давлении. Поэтому, приняв скорость продольных упругих волн в жидком металле ядра Земли C_ин = (5 ± 0,5)10³ м/сек, можно вычислить "скорость распространения изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами", т. е. волн, генерируемых в гравитационном поле Земли, как C_гр = 5,5 ± 0,55 км/сек.

Признаки "посредством корреляционной и(или) логической обработки сигналов фиксируемых физических полей оценивают параметры прогнозируемого землетрясения" описывают последовательность работ по оценке выявленного землетрясения.

В основе способа лежат следующие положения.

При известных типах деформаций в очаге землетрясения 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.

При резком спаде механических деформаций в очаге землетрясения (фиг. 1 и 2) одновременно изменяется магнитное поля земли с периодом от (1 сек до 0,01 сек), т. е. с частотой (f) от 1 до 100 Гц. При механической деформации возникают упругие волны, распространяющиеся со скоростью до 8•10³ м/сек - продольные и до 5•10³ м/сек - поперечные, 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 длины от 3•10⁸ м 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 может достигать от 10 до 100 МВт. Этой мощности достаточно для многократного пересечения толщи Земли (в отличие от коротковолновых и УКВ волн, поглощаемых осадочными породами Земли (проводимость σ велика и составляет до 10^-2 - 10^-1 Ом^-1м^-1) сверхдлинные электромагнитные волны легко проходят проводящий слой в оболочке Земли и могут увлекаться вдоль магнитных линий Земли в космос на значительные расстояния (до 2-5 радиусов Земли).

Таким образом, можно выделить два основных компонента физических полей, сопровождающих зарождение и развитие очага землетрясения, не вызывающих сомнений о их объективности. Это: а) наличие изменений электрических, магнитных и связанных с ним электромагнитных волн; б) прием сейсмографами упругих волн с продольными и поперечными компонентами.

Механизм излучения, приема, и распространения электромагнитных волн описан классическими волновыми уравнениями.

Рассмотрим процесс приема волн сейсмографом, так как в этом случае, по нашему мнению, имеется ряд неточностей в принятых механизмах генерации упругих волн в очаге землетрясений.

В объеме dW (фиг. 5) происходит упомянутая выше сдвижка соседних плит земного массива.

Основываясь на общих законах механики и используя принцип Д'Аламбера-Лагранжа можно утверждать, что вариация всех типов механических работ, совершаемых с элементом очага землетрясения dW, равна нулю.

Предположим, что элемент dW, находящийся в земной коре (координаты r, θ, ϕ), бесконечно мал по сравнению с линейными размерами Земли (r = a) и расположен далеко от центра r >> 1.

Тогда можно считать, что на элемент объема dW, занимающего массу m = ρ_(r)dW, действует гравитационная сила F_гр = γ•m•M/r², где γ = 6,63•10^-12 н•кг/м - гравитационная постоянная, М - полная масса Земли, r - расстояние между центром и малым элементом dW.

Кроме гравитационных сил на этот же элемент dW действуют другие типы сил, равнодействующую которых можно описать в виде упругих сил F_упр.

Запишем уравнение Д'Аламбера-Лагранжа для этих двух сил в виде
δA_гр+δA_упр = 0. (1)
В тензорном виде законы Гука для упругих волн можно записать в виде

Примем гипотетическое условие (которое формально оправдано), что тензор напряжения в том же элементе объема, возникающий под воздействием гравитации, также можно записать в виде

(здесь U_αα = dU₁/dx₁+dU₂/dx₂+dU₃/dx₃)
Предположим, что ускоренно движущийся элемент dW приобретает смещение и скорости частиц, для которой справедливо равенство
(U_ин)²+(U_гр)² = (U_Σ)², (4)
тогда
C2Σ

Основной вывод из приведенных теоретических формул состоит в том, что суммарные скорости C_Σ и V_Σ, измеряемые сейсмографами, состоят из двух энергетически независимых процессов, сопровождаемых упругими силами (электрического происхождения) и гравитационными.

Поэтому можно разделить на приеме два процесса: процесс, сопровождающий только упругую волну, и процесс, сопровождающий только волну гравитационного происхождения.

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 геометрия задачи об образовании изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами; на фиг. 6 показана схема устройства, обеспечивающего реализацию способа.

На фиг. 1 - 6 показаны гравиметр 1, приемная антенна электромагнитных волн 2, усилители с синхронизированным (единым) временем отсчета 3 и 4, схема сравнения 5, вычислительное устройство 6. Кроме того, показаны Земля 7, очаг землетрясения 8, фронт изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами 9, и фронт электромагнитной волны 10.

Для приема изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, можно использовать известные гравиметры 1 (градиентометры и другие подобные приборы), механически развязанные от Земли. Приемные антенны 2 конструктивно представляют из себя антенные решетки (или одиночные элементы), способные принимать электромагнитные волны широкого диапазона. В качестве усилителей с синхронизированным (единым) временем отсчета 3 и 4 и схемы сравнения 5 используются стандартные устройства, удовлетворяющие по своим характеристикам задачам измерения. В качестве вычислительного устройства 6 используется микросхема (или микросхемы), реализующие комплекс упомянутых вычислений. Целесообразно этот комплект аппаратуры располагать вне Земли, например, на летательных и космических аппаратах (на чертежах не показаны).

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Развитие механических процессов в очаге землетрясения сопровождается генерированием электромагнитной волны 10 длиной от 3•10⁸ до (3 - 1)10⁵ м и мощностью до 100 МВт. Этой мощности достаточно для пересечения Земли и выхода электромагнитных волн 10 (т.е. информационного сигнала) в космическое пространство. Кроме того, если изменение положения массы m в поле сил гравитации приводит к изменениям гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, то их можно измерить с помощью существующих штатных гравиметров.

Несмотря на математическую "малость" объема dW (фиг. 5) он занимает от 10⁹ до 10¹⁶ м³ и имеет приблизительно гравитационную массу от 10¹² до 10²⁰ кг. Поэтому перемещение масс в гравитационном поле с частотой от 10 до 100 Гц с большой вероятностью обязано создать изменение гравитационной энергии и соответственно поля в области Земли и это изменение должно перемещаться в пространстве с конечной скоростью C_гр. В околоземном космическом пространстве информационный сигнал улавливается антеннами 2 космических аппаратов (которых должно быть не меньше трех), находящихся на околоземной орбите, после чего полученная информация передается в компьютерный центр (на чертежах не показан), занимающийся обработкой информационных сигналов - предвестников землетрясения. Одновременно с этим в компьютерный центр передается информация о местоположении в пространстве космического аппарата в момент получения информационного сигнала (определяемая, например, известными на сегодня методами космической навигации). Для определения координат очага землетрясения 8 используют известные пассивные методы определения координат излучателя. Для определения трех координат - линейного расстояния r, углов места ϑ и амплитуды ϕ - необходимо измерить время прихода однотипного сигнала минимум на три приемных антенны, координаты которых известны. Координаты очага землетрясения, определенные таким образом, сохраняют и используют для определения расстояния от него до гравиметра 1 (измерительного комплекса, смонтированного на космическом аппарате). При этом также используют координаты этого аппарата в момент прихода к нему фронта гравитационной волны, определяемые, например, известными на сегодня методами космической навигации. Поскольку скорость распространения изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, существенно меньше скорости электромагнитной волны, сигнал на вход соответствующего усилителя от измерителя 1 гравитационного поля будет поступать от очага землетрясения за время, равное t = r/C_гр, где r - расстояние, с существенной задержкой во времени по сравнению со временем прихода фронта электромагнитной волны.

Скорость распространения изменения гравитационного поля определяют исходя из измеренного расстояния между очагом-генератором сигнала и приемником сигнала и известной скоростью распространения электромагнитных волн в среде или вакууме. При этом, в случае размещения измерительной аппаратуры на подвижном объекте учитывают и само перемещение объекта. Полученное в результате расчета значение скорости распространения изменения гравитационного поля должно соответствовать C_гр = 5,5 ± 0,55 км/сек. При несовпадении этого параметра с указанными данными делают вывод, что природа электромагнитного сигнала, зафиксированного измерительным комплексом, не связана с деформациями земного массива, предшествующими землетрясению. Совпадение свидетельствует о наличии очага землетрясения. В этом случае осуществляют корреляционную и(или) логическую обработку сигналов фиксируемых физических полей с привлечением накопленной соответствующей информации о данном районе, чтобы оценить параметры прогнозируемого землетрясения.

Использование: для краткосрочного прогноза землетрясений и для предупреждения катастрофических последствий этого природного явления. Сущность: одновременно по меньшей мере в трех точках пространства фиксируют время регистрации электромагнитного излучения, генерируемого в очаге землетрясения. При наличии изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, фиксируют время регистрации этого изменения. Определяют координаты источника электромагнитных волн и расстояние до него. По разнице во времени между поступлением сигналов электромагнитных волн и временем фиксации изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, определяют скорость последнего, полагая, что у них один источник. При скорости распространения изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами С_гр = 5,5 + 0,55 км/с, делают вывод о наличии очага землетрясения. Посредством корреляционной и(или) логической обработки сигналов фиксируемых физических полей оценивают параметры прогнозируемого землетрясения. Технический результат - повышение достоверности прогноза. 6 ил.

Способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясений, включающий измерение параметров нескольких, отличающихся природой физических полей Земли, отличающийся тем, что одновременно по меньшей мере в трех точках пространства фиксируют время регистрации электромагнитного излучения, генерируемого в очаге землетрясения, после чего при наличии изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, фиксируют время регистрации этого изменения, определяют координаты источника электромагнитных волн и расстояние до него, после чего по разнице во времени между поступлением сигналов электромагнитных волн и временем фиксации изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами, определяют скорость последнего, полагая, что у них один источник, причем при скорости распространения изменения гравитационного поля, вызванного ускоренно перемещающимися массами С_гр = 5,5 ± 0,55 км/с, делают вывод о наличии очага землетрясения и посредством корреляционной и(или) логической обработки сигналов фиксируемых физических полей оценивают параметры прогнозируемого землетрясения.