СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2001 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Землетрясения были и остаются наиболее масштабными природными катаклизмами, связанными с массовой гибелью людей и большими разрушениями.

Известно множество косвенных признаков возможного землетрясения, регистрируемых различными физическими методами, такие как сдвиговые деформации земной коры, изменение скоростей распространения продольных и поперечных волн, неоднородности в ионосфере над очагом и др. (см., например, Рикитаке Т. Предсказание землетрясений, перевод с англ. - М.: Мир, 1979, с. 314, табл. 15.13).

Перечисленные признаки-предвестники имеют долговременный интервал существования, но не позволяют точно предсказать момент наступления главного удара.

Для регистрации сейсмических колебаний применяют сейсмографы, гравиметры, акселерометры, велосимеры и другие устройства (см., например, "Сейсмические приборы" в книге Цзе Ф.С., Морзе Н.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания, перевод с англ. - М.: Машиностроение, 1966, с. 83...86, рис. 2.37 - сейсмограф, рис. 2.40 - акселерометр - аналоги). Составной частью перечисленных аналогов является, как правило, инерционная масса на упругой подвеске, преобразующая ускорение в линейное смещение.

Недостатками перечисленных аналогов являются нелинейные искажения при регистрации низких сейсмических волн с периодами более 1 с. Кроме того, регистрация сигналов с периодами десятки секунд является, вообще, проблематичной (см. , например, научный сборник "Геофизические методы мониторинга природных сред" под редакцией В.Н. Сорокина, АН СССР, Институт общей физики, М., 1991, с. 267). Одним из наиболее достоверных признаков-предвестников землетрясений является появление перед главным ударом особо низких сейсмических волн (см., например, Липеровский В.А., Шалимов Л.С., Похотелов О.А. Ионосферные признаки землетрясений. - М.: Наука, 1992, с. 163).

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым способом является "Способ предсказания землетрясений", патент РФ N 2120647, кл. G 01 V, 3/12, 1998.

В способе ближайшего аналога осуществляют непосредственное измерение признака-предвестника в виде низкочастотных акустических волн, распространяющихся в ионосфере, путем сканирования ионосферы лучом диаграммы направленности антенны СВЧ-генератора в режиме затягивания частоты, получают радиоизображение участка ионосферы над очагом, преобразуют радиоизображение участка в матрицу A(x, y) цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала от пространственных координат и выделяют признак-предвестник на основе Фурье-преобразования матрицы.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- недостоверность, большая вероятность ложной тревоги, связанная с флюктуациями ионосферы, вызванной другими причинами, например магнитными бурями, вспышками на солнце;
- малая радиолокационная яркость ионосферы в СВЧ-диапазоне, т.е. малая эффективная площадь обратного рассеяния СВЧ-волн зондирования, что требует существенных энергетических затрат на реализацию радиолинии и непрерывную локацию ионосферы в дежурном режиме.

Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении возможности прямого измерения признака-предвестника в пассивном режиме наблюдения и регистрации в виде сверхнизких литосферных волн, распространяющихся от очага накануне землетрясения и расчета ожидаемых характеристик землетрясения по параметрам зарегистрированных измерений.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе предсказания землетрясений, при котором фиксируют появление сверхнизких волн, генерируемых очагом землетрясения непосредственно перед толчком, дополнительно размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат (x_i, y_i, z_i) точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений Δx_i, Δy_i, Δz_i координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют гипотетический фазовый центр волн как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых определяют из соотношений

и отождествляют его с центром очага, а время удара t_x, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду M ожидаемого землетрясения вычисляют на основе регрессионных зависимостей

где T - период отклонений координат, ч;
dekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координаты двух смежных периодов;
d, l - коэффициенты регрессии.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как высокая достоверность, связанная с прямым измерением признака-предвестника в виде непосредственного обнаружения и регистрации сверхнизких литосферных волн, расчет гипотетического центра очага, информационная значимость наблюдаемого события за счет определения момента толчка, независимость получаемой информации от других природных явлений за счет использования автономной космической навигационной системы, не подверженной влиянию локальных факторов на земной поверхности.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого технического решения, и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. В настоящее время не существует измерителей, способных достоверно регистрировать сверхнизкие волны на земной поверхности. Известны лишь методы восстановления пространственного спектра волн с частотами менее 1 Гц дискретным Фурье-преобразованием (см. , например, Марпл С.А. Цифровой спектральный анализ, перевод с англ. - М.: Мир, 1990, алгоритм БПФ, с. 77-79).

В соответствии с первым законом Ньютона, находясь внутри инерциальной системы, никакими инструментальными методами невозможно установить, находится ли тело в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Чтобы достоверно зарегистрировать сверхнизкие волны, измеритель необходимо расположить вне инерциальной системы, т.е. наблюдать процесс как бы со стороны. Таким средством измерений, вынесенным за границы наблюдаемого процесса, являются космические аппараты специально созданной глобальной космической навигационной системы типа Navstar. Создание космических навигационных систем открывает возможности высокоточных измерений координат точек на земной поверхности по эфемеридной информации, сбрасываемой с космических аппаратов. Под воздействием литосферных волн очага координаты точек на земной поверхности испытывают периодические аномальные отклонения относительно состояния покоя. В зарегистрированных таким образом колебаниях содержится вся информация об измеряемом процессе. Как будет показано в примере конкретной реализации, амплитуды таких смещений достаточны, чтобы их можно было достоверно регистрировать с помощью приемных станций местоопределения космической навигационной системы.

Поскольку частота генерируемых очагом литосферных волн очень низка (доли Гц), то для узкополосного процесса трассу распространения упругих волн можно считать средой не диспергирующей. В недиспергирующей среде групповая скорость распространения (υ_гр) сферических волн равна фазовой скорости υ_ф. При равенстве υ_гр= υ_ф вектор групповой скорости перпендикулярен фазовому фронту волны в любой ее точке. Проекции радиуса-вектора переноса энергии волной на оси координат (x, y, z) несут информацию о положении радиуса-вектора в пространстве, и следовательно, о гипоцентре источника сферических волн. Известно также (см., например, Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, перевод с англ., раздел "Аналитическая геометрия", с. 73. ..74), что положение радиуса-вектора в пространстве полностью определяется косинус-направляющими (cosα, cosβ, cosγ), для которых справедливо соотношение
cos²α+cos²β+cos²γ = 1.
Из аналитической геометрии известно, что в прямоугольной системе координат косинус-направляющая вектора равна отношению его проекции на данную ось к длине вектора. Длина вектора () находится как корень квадратный из суммы квадратов его проекций

Таким образом, измеряя отклонения (Δx_i, Δy_i, Δz_i) координат точек от положения равновесия (x₀, y₀, z₀) из-за литосферных волн определяют положение радиусов-векторов точек

Фазовый центр волн находят как точку пересечения радиус-векторов в пространстве. Для чего необходимо измерять отклонения координат (Δx_i, Δy_i, Δz_i) как минимум в двух точках пространства, разнесенных на протяженной измерительной базе. Поскольку приливные волны, вызванные притяжением Луны, не имеют фазового центра на поверхности Земли, то рассчитанный центр отождествляют с центром очага.

"Раскачка" очага перед землетрясением подчиняется общим законам генерирования, будь то электрическая, радиотехническая или механическая система. Процесс возникновения и установления колебаний описывается одними и теми же дифференциальными уравнениями, где в качестве начальных условий выступают либо параметры среды, либо параметры электрической цепи.

Одной из характеристик колебательного процесса является время установления колебаний. В экспериментах (см. пример реализации способа) зафиксировано, что толчок происходит на интервале времени установления колебаний. Измеряя характеристики колебательного процесса: период T отклонения координат точек и амплитуду этих отклонений от периода к периоду рассчитывают время удара:
где t_x - время от момента обнаружения отклонений координат точек до удара;

Исходные аналитические соотношения между параметрами колебательного процесса, отражающие приведенные зависимости (см., например, Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Учебник. - М.-Л.: Энергия, 1963, с. 407).

Величина накопленной в очаге потенциальной энергии сжатия породы (Е) определяет магнитуду (М) землетрясения (см., например, Большая Советская энциклопедия, том 9, 1973, с. 472):
lgE = a₁ + b_i • M;
a₁ ≈ 4, b_i ≈ 1,6.

В соответствии с общим физическим принципом частота собственных колебаний механической системы (см., например, Вибрации в технике. Справочник под редакцией К.В. Фролова, том. 6. - М.: Машиностроение, 1981, с. 172) задается выражением

где c - жесткость упругого элемента;
m - колебательная масса;
T - период.

Чем больше механические напряжения в очаге, тем больше сила упругой отдачи и "жесткость" породы, тем выше частота "вибрации" очага. Следовательно, период литосферных волн очага связан с магнитудой ожидаемого землетрясения обратно пропорциональной зависимостью. В примере реализации рассчитана эмпирическая зависимость, в виде функции регрессии, между магнитудой ожидаемого землетрясения и периодом зарегистрированных литосферных волн очага.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг. 1. Функциональная схема устройства фиг.1 содержит приемные станции 1 космической навигационной системы 2, осуществляющие прием эфемеридной информации от космических аппаратов 3 навигационной системы. Приемные станции 1 размещают в сейсмоопасном районе 4 и разносят относительно друг друга на измерительные базы 5. Результаты измерений координат точек установки станций через стандартные порты 6 передаются по линиям связи 7 в аналитический центр 8 в составе устройства ввода 9, центрального процессора 10, винчестера 11, оперативного запоминающего устройства 12, клавиатуры 13 и средств отображения: дисплея 14 и принтера 15. В аналитическом центре 8 ведется база данных всех зарегистрированных измерений и расчет параметров отслеживаемого процесса. Обеспечивают возможность считывания файлов измерительной информации через сервер 16 в "Интернет" 17, а также взаимодействие с местной системой оповещения 18 о сейсмической опасности контролируемого региона.

Устройство работает следующим образом.

Приемные станции 1 космической навигационной системы 2 осуществляют непрерывный прием эфемеридной информации от космических аппаратов 3 в дежурном режиме приема. На основе приема эфемеридной информации априорно на большом интервале времени измерений осуществляют высокоточную геодезическую привязку точек размещения приемных станций в виде исходных геодезических координат (x₀, y₀, z₀). В качестве приемных станций могут быть использованы геодезические приемные станции фирмы "Тримбол-4.000" (см., например, "Система позиционирования GPS "NAVSTAR" фирмы Trimble Navigation". Рекламный проспект АО "Прин", М., 1993).

Достигаемая точность измерений геодезических станций космической навигационной системы "NAVSTAR" составляет единицы "мм". Станции могут работать в любой системе координат и по любому геоиду, в режиме накопления измерений или непрерывной выдачи данных. Для обеспечения наибольшей точности расчета косинус-направляющих измерительную базу выбирают протяженной (несколько десятков км). Поскольку заранее направление на очаг землетрясения неизвестно, для большей точности целесообразно использовать три измерительных точки, образующие между собой три базовые линии, ориентированные под различными углами к очагу.

В проведенном эксперименте "Бештау-95" приемные станции были размещены на измерительном полигоне МЧС в районах гг. Георгиевск, Ессентуки, Железноводск. Базовые линии (длины хорд) Георгиевск-Железноводск, Железноводск-Ессентуки, Ессентуки-Георгиевск составляли соответственно: 36619680; 16885479; 50556998.

На фиг. 2 представлена схема измерительного треугольника и полученные расчетные углы 84^o и 79^o, отсчитываемые от измерительных хорд, на очаг землетрясения, которое произошло 21.12.1995 г. в районе ст. Лисогорская, силой 4,5 балла. Расчетное положение очага, как точки пересечения радиусов-векторов, совпало с реально зарегистрированным положением.

На фиг. 3 представлен график изменения одной из координат во времени Δx(t) для точки расположения станции GPS-Георгиевск. Удар произошел через ≈ 8,7 ч после обнаружения отклонений координат при периоде отклонений T = 4,1 ч. Откуда в соответствии с вышеприведенной зависимостью и графиком (фиг. 3) расчетное время удара составляет

Коэффициенты регрессии d, l регрессионной зависимости

вычислены по параметрам двух зарегистрированных землетрясений: ст. Лысогорская 21.12.1995 г. M₁ = 4,5 балла, T₁ = 4,1 ч и Турция 15.08.99 г. M₂ = 7,6 балла, T₂ = 3,5 ч.

Расчетная формула для вычисления магнитуды ожидаемого землетрясения соответствует выражению

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими показателями, как достоверность и точность. Благодаря тому что при расчете косинус-направляющих используются отношения приращений координат точек к сумме приращений, исключаются систематические ошибки измерений, а также не накладываются ограничения на абсолютные физические значения измеряемых величин и их размерности. Метод отношений обеспечивает устойчивость результатов оценок.

Использование заявляемого способа позволит достоверно, с точностью до нескольких минут предсказывать момент удара и организовать своевременное оповещение населения.

Использование: сейсмология, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе. Осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат точек размещения приемных станций. Регистрируют момент появления периодических отклонений координат точек. Отождествляют его с моментом прихода литосферных волн. Вычисляют гипотетический центр очага как точку пересечения радиусов-векторов в пространстве. Характеристики ожидаемого землетрясения: магнитуду и момент толчка рассчитывают по параметрам регистрируемого колебательного процесса на основе регрессионных зависимостей. Технический результат: повышение достоверности и точности. 3 ил.

Способ предсказания землетрясений, при котором фиксируют появление сверхнизких волн, генерируемых очагом землетрясения непосредственно перед толчком, отличающийся тем, что размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат (x_i, y_i, z_i) точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений Δx_i,Δy_i,Δz_i координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют гипотетический фазовый центр волн как точку пересечения радиусов-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых определяют из соотношений




и отождествляют его с центром очага, а время удара t_x, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду (M) ожидаемого землетрясения вычисляют на основе регрессионных зависимостей


где T - период отклонений координат, ч;
dekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координаты двух смежных периодов;
d, l - коэффициенты регрессии.