СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ЗОН ПЕРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в плазмосфере, в околоземном космическом пространстве на высотах внешней ионосферы, и может быть использовано для прогнозирования явлений, связанных с зонами геодинамических напряжений, например:
- в сейсмологии - прогноз сейсмических кризисов (землетрясений, горных ударов и т.п.),
- в нефтегеологии - для прогноза оптимальных путей естественной миграции углеводородов,
- в гидрогеологии - региональный прогноз зон повышенного обводнения.

Известны способы прогнозирования землетрясений, основанные на измерениях (регистрации) физических параметров, согласно которым прогнозируют землетрясения, основываясь на использовании известных связей быстрых (сейсмогенных) и медленных геодинамических процессов в земной коре с возрастанием напряжения, движениями земной коры при приближении землетрясения, на выявлении возможности связи геомагнитных вариаций (вариаций геофизических процессов) с землетрясениями, с процессами, происходящими в разломах земной коры [1].

Известны также способы прогнозирования землетрясений, основанные на анализе эффектов возмущений естественного электромагнитного поля Земли в момент землетрясения и непосредственно перед ним, например, свечение атмосферы и квазистационарные возмущения атмосферного электрического потенциала, появления полярных сияний над зонами глубинных разломов, изменения критических частот и профилей электронной концентрации, а также базирующиеся на выявлении предвестников землетрясений, тектонических напряжений, глубинных разломов и т.п., на основе наблюдений аномальных геомагнитных вариаций [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ прогнозирования землетрясений, основанный на одновременных ионосферных спутниковых измерениях магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы, с последующим исключением из рассмотрения традиционно возмущенных областей и искусственных возмущений и выделение зон устойчивого наблюдения индуцированных излучений ионосферной плазмы, превышающих не менее чем на 15-20 дБ уровень фона естественных излучений. Способ позволяет определить координаты области возмущений электромагнитного излучения и эпицентрального района, возникшего в земной коре напряжения, связанного с готовящимся землетрясениям [3].

Этот способ позволяет определить только зону катастрофических событий. Хотя землетрясения чаще всего приближены к зонам разломов (зонам переменной геодинамической активности), но задача определения зон глубинных разломов литосферы по спутниковым данным никогда не ставилась. Известные экспериментальные данные используются для прогноза зон возможных сейсмических явлений (землетрясений) и сейсмоопасных регионов. И если известны работы об аномальных вариациях геомагнитного поля в области разломов (зон переменной геодинамической активности) [1] или о появлении полярных сияний над зонами глубинных разломов земной коры [4], то нет сведений о том, чтобы кто-то использовал эти данные для определения географического расположения зон переменной геодинамической активности.

Решаемая техническая задача - повышение достоверности выделения зон повышенной опасности и расширение области использования способа вплоть до обнаружения областей повышенного риска, связанных не только с готовящимся землетрясением (подготовкой землетрясения), но и с другими тектоническими нарушениями в литосфере, например, с ростом напряженности в имеющемся разломе или с подготовкой и образованием новых (молодых) разломов.

Поставленная задача решается следующим образом. Согласно предлагаемому способу обнаружения литосферных зон переменной геодинамической активности расширен перечень измеряемых параметров. Одновременно с измерением магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений фиксируют плотность потока электронов низких энергий тепловой плазмы и температуру окружающей спутник околоземной плазмы. Затем исключают из рассмотрения области, где регулярно наблюдаются достаточно интенсивные естественные низкочастотные излучения (например, область внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части области зазора между радиационными поясами), а также искусственные излучения. О возможном существовании зон геодинамического напряжения судят по наличию зон устойчивых в течение 1-2 мин наблюдения, на 15-20 дБ превышающих уровень фона естественных излучений, высыпающихся частиц и возрастанию температуры. Для проверки реальности существования зон геодинамических напряжений выполняют корреляционный анализ огибающих интенсивности низкочастотных излучений, особенно электрической компоненты, плотности потока (высыпающихся) электронов и колебаний температуры для всех сочетаний регистрируемых параметров. Коэффициент корреляции обычно выше 0.6-0.7. Геодинамические процессы - процессы достаточно медленные (вялотекущие), поэтому использование повторных измерений позволяет существенно повысить достоверность предлагаемого метода наблюдения и повысить достоверность (надежность) выделения (регистрации) зон тектонических нарушений в литосфере. При последующем анализе и сопоставлении с результатами геолого-геофизического картирования подтверждается достоверность выделенных зон тектонических нарушений в литосфере и делается заключение о появлении новых трещин и разломов земной коры.

Исследование электромагнитных колебаний в диапазоне очень низких частот (ОНЧ) на высотах внешней ионосферы (выше 100 км) подтверждает наличие как естественных, так и искусственных волн. Часть естественных колебаний возникает при разрядах молний, другая часть возбуждается (генерируется) в экваториальной области магнитосферы и формирует естественный низкочастотный фон. В настоящее время хорошо прослежены и изучены широтные вариации естественных низкочастотных излучений. Максимум этого излучения наблюдается в области внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами.

На высотах внешней ионосферы наблюдаются также искусственные (антропогенные) излучения от наземных излучателей. Воздействие наземных излучателей при наличии специфических особенностей магнитосферно-ионосферной плазмы - существование (наличие) энергичных частиц, повышенного фона плазмы при неравномерном распределении частиц и т.п. может привести к вторичному или индуцированному излучению. Эти колебания имеют строгую периодичность и определенную форму сигналов и могут быть надежно выделены на фоне естественных излучений.

Над зонами переменной геодинамической активности возникают электрические и электромагнитные поля, которые эффективно воздействуют на ионосферную и магнитосферную плазму, стимулируют появление индуцированных излучений на резонансных частотах плазмы. Поскольку большинство резонансных частот околоземной плазмы лежит в низкочастотном диапазоне, то естественно предположить возникновение индуцированных (стимулированных) низкочастотных электромагнитных шумовых излучений на высотах верхней ионосферы в районе очага геомагнитной активности, что и наблюдается в экспериментах.

Предлагаемый способ иллюстрируется фиг. 1, где представлены вариации интенсивности низкочастотных шумов над зонами глубинных разломов земной коры, и фиг. 2, на которой на фоне карты Баренцева-Карского морей показаны части проекций орбит спутника "Интеркосмос 19", на которых наблюдались аномальные эффекты в различных параметрах плазмы и заштрихованы зоны разломов согласно тектонической схеме Баренцева-Карского морей, полученные по данным геолого-геофизического картирования.

Способ осуществляют следующим образом.

В составе любого спутникового комплекса предусматривают проведение одновременных измерений магнитной и электрической компонент поля ОНЧ излучений околоземной плазмы, плотности потока электронов и температуры плазмы, для чего оснащают их соответствующей качественной стандартной аппаратурой. Для реализации способа в качестве примера могут быть использованы анализатор низких частот (АНЧ-2МЕ), измеряющий магнитную и электрическую составляющие поля низкочастотных (0,1-20 кГц) излучений [5], для регистрации плотности потока низкоэнергичных электронов - прибор типа [6] и для измерения температуры плазмы - прибор типа [7]. Результаты измерений в полете искусственного спутника Земли (ИСЗ) фиксируют запоминающим устройством штатной телеметрии ИСЗ с последующей передачей информации на Землю. Оперативно обрабатывают полученную информацию на ЭВМ. В ходе обработки по программе выделяют естественные излучения, затем исключают пространственные зоны вблизи области проекции внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами. Выделяют области устойчивого наблюдения (не менее 1-2 минут) всплесков (индуцированных) сигналов, превышающих на 15-20 дБ уровень фоновых сигналов, традиционно наблюдаемых в данной области пространства. Для выделенных огибающих сигналов выполняют корреляционный анализ. При коэффициенте корреляции 0.6-0.7 и выше отмечают зону наблюдения коррелируемых сигналов, запоминают (на ЭВМ по программе) их географические и геомагнитные координаты. Регистрация подобных высококоррелированных сигналов на борту спутника при его последующих пролетах над данным регионом позволяет судить о наличии зон тектонических нарушений в литосфере. При сопоставлении с результатами геолого-геофизического картирования подтверждается наличие старых известных зон и появление новых зон разломов - литосферных зон переменной геодинамической активности.

На фиг. 1 представлены вариации интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений в диапазоне 0.1- 20 кГц над зонами глубинных разломов земной коры и (в нижней части) тектонический разрез земной коры в регионе Баренцева-Карского морей вдоль проекции орбиты (вверху) спутника "Интеркосмос 19" от Кольского полуострова до Новой Земли. Вертикальные заштрихованные зоны в нижней части рисунка - глубинные разломы земной коры. По горизонтали указано время наблюдений, по вертикальной оси - интенсивность низкочастотных излучений в дБ (средняя часть фигуры) и глубина коры в км (нижняя часть фигуры). Вертикальными штриховыми линиями показано соответствие зон литосферных разломов земной коры и всплесков интенсивности низкочастотных излучений. Одновременно с всплесками интенсивности низкочастотных шумов наблюдались всплески плотности потока электронов и температуры плазмы, регистрируемой на околоспутниковых высотах, коэффициенты корреляции огибающих превышали 0.7.

Нами просмотрено большое количество пролетов спутника над выделенным регионом. На фиг. 2 приведен фрагмент географической карты, на который жирными отрезками нанесены проекции орбиты спутника, где наблюдались коррелированные всплески (коэффициент корреляции выше 0.6-0.7) интенсивности излучений, плотности потока низкоэнергичных электронов и всплески температуры и условно нанесены зоны глубинных разломов земной коры. Было обнаружено, что зачерненные отрезки спутниковой информации совпадают с известными зонами разломов.

Спутниковые измерения позволяют существенно расширить географию контролируемых областей и осуществить прогноз зарождающихся глубинных разломов.

Ни один другой метод не дает такой определенности в фиксации положения глубинных разломов земной коры. Этот метод не требует больших капиталовложений, то есть экономически он более выгоден, чем организация наземных наблюдений.

Этот метод позволяет существенно повысить надежность и достоверность измерений за счет комплексного подхода использования автоматической обработки информации на современных вычислительных машинах.

Литература
1. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979, 271 с.

2. Бирфельд Я.Г. Об ионосферно-сейсмической связи и возможности использования ее для ионосферного прогнозирования землетрясения //Поиски предвестников землетрясений на прогностических полигонах. М.: Наука, 1974. С. 200.

3. А. С. 1171737. Способ прогнозирования землетрясений. Авторы: Мигулин В.В., Ларкина В.И., Молчанов О.А., Наливайко А.В., кл. G 01 V 9/00, 1985 г.

4. Валл Т.П., Надубович Ю.А., Шумилова Н.А. Географическое распределение полярных сияний в районе станции Норильск //Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1983. Вып. 66. С. 99-106.

5. Воробьев О.В., Коробовкин В.В., Лихтер Я.И. и др. Приемная аппаратура для регистрации низкочастотных сигналов и шумов АНЧ-2МЕ //Аппаратура для исследования внешней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1980. С. 136-142.

6. Минеев Ю.В., Спирькова Е.С. Спектрометр электронов в магнитосфере Земли //Вестник МГУ. Сер. Физ.-астрономия. 1981. T.22, N 1. С. 1-95.

7. Иванова Т., Петрунова М., Чапканов С. и др. Прибор ПЧ-4 для измерения концентрации положительных ионов //Аппаратура для исследования внешней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1980. С. 109-119.

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в околоземном космическом пространстве на высотах внешней ионосферы, и может быть использовано для прогнозирования в сейсмологии, нефтегеологии, в гидрогеологии явлений, связанных с зонами геодинамических напряжений. Сущность: способ основан на анализе спутниковых результатов одновременных измерений интенсивности магнитной и электрической компонент поля низкочастотных шумовых излучений, плотности потока тепловых электронов и температуры окружающей спутник плазмы. При анализе информации из рассмотрения исключаются области, где обычно наблюдаются достаточно интенсивные излучения, и области антропогенных излучений. О наличии литосферных зон переменной геодинамической активности судят по наличию зон устойчивого (не менее 1-2 мин) наблюдения одновременно индуцированных излучений, на 15-20 дБ превышающих уровень фона естественных излучений, потоков электронов низких энергий и всплесков температуры окружающей спутник плазмы. При коэффициенте корреляции перечисленных параметров между собой не менее 0,6-0,7 полученные результаты сопоставляют с результатами геолого-геофизического картирования литосферной зоны, расположенной в зоне проекции на Землю орбит спутника. При неоднократном повторении эффекта делают вывод об обнаружении литосферных зон переменной геодинамической активности. Технический результат заключается в повышении достоверности обнаружения и надежности выделения областей повышенного риска. 2 ил.

Способ обнаружения литосферных зон переменной геодинамической активности, основанный на анализе данных ионосферных спутниковых измерений магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы с последующим исключением из рассмотрения традиционно возмущенных областей и искусственных возмущений и выделением зон устойчивого наблюдения индуцированных излучений ионосферной плазмы, превышающих не менее чем на 15 - 20 дБ уровень фона естественных излучений, отличающийся тем, что одновременно с измерениями магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений фиксируют плотность потока электронов низких энергий и температуру окружающей спутник околоземной плазмы, после чего выполняют корреляционный анализ для всех сочетаний зарегистрированных параметров устойчиво не менее 1 - 2 мин наблюдаемых всплесков индуцированных сигналов и, сравнивая полученный результат с данными геолого-геофизического картирования литосферной зоны, расположенной в зоне проекции на Землю орбиты спутника, при коэффициенте корреляции перечисленных параметров между собой не менее 0,6 - 0,7 и неоднократном повторении эффекта, делают вывод об обнаружении литосферных зон переменной геодинамической активности.