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

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано 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 T. Предсказание землетрясений; перевод с англ. - M.: Мир, 1979, с. 314, табл. 15.13).

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

Для регистрации сейсмических колебаний применяют сейсмографы, графиметры, акселерометры, велосимеры и другие устройства (см., например, "Сейсмические приборы" в книге Ф.С. Цзе, Н.Е. Морзе, Р.Т. Хинкл "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 менее 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.- M.: АН СССР, Институт общей физики, 1991, с. 267).

Одним из наиболее достоверных признаков-предвестников землетрясений является появление накануне главного толчка сверхнизких сейсмических волн (см. , например, Машимов М.М. Технологии геодезии новейших времен: первые шаги и проблемы.- Геодезия и картография, N 6, 1997, с. 6-18).

Ближайшим аналогом заявляемого способа является способ предсказания землетрясений (см. патент РФ N 2130195, 1999 г.). В способе ближайшего аналога осуществляют измерение признака-предвестника в виде сверхнизких литосферных волн путем преобразования сейсмических волн в электрический сигнал интерферометром-акселерометром Маха-Цандера, взятие отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства специально создаваемого измерительного полигона в виде прямоугольной решетки, формирование матрицы A (x, y) цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала от пространственных координат и восстановление признака-предвестника на основе Фурье-преобразования матрицы.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- трудности создания протяженного измерительного полигона со стороной, соизмеримой с длиной волны, поскольку длина сверхнизких волн составляет от сотен до нескольких тысяч километров. При меньшей стороне прямоугольной решетки (окна наблюдений) восстановление огибающей пространственного спектра методом Фурье-преобразования будет недостоверным;
- трудности калибровки измерительных каналов в связи с большими потерями в световодах на протяженных линиях измерительного полигона.

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

Поставленная задача решается тем, что в способе предсказания землетрясений, при котором осуществляют измерение сверхнизких литосферных волн, генерируемых очагом землетрясения накануне главного толчка, определяют направление прихода этих волн, в сейсмоопасном районе размещают системы хранения координат (x₁, y₁, z₁...x_n, y_n, z_n) точек на земной поверхности, разнесенных на измерительных базах, регистрируют момент появления периодических отклонений (Δx₁, Δy₁, Δz₁... Δx_n, Δy_n, Δz_n) координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют фазовый центр волн как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых рассчитывают из соотношений отождествляют его с гипотетическим центром очага, а время удара t_x, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду M ожидаемого землетрясения оценивают из регрессионных зависимостей


где T - регистрируемый период отклонения координат, ч;
k - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координат двух смежных периодов;
a, b - коэффициенты регрессии.

Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - зарегистрированная функция отклонения координаты Δx(t) состоявшегося землетрясения;
фиг. 2 - функция регрессии магнитуды землетрясения от периода T;
фиг. 3 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого решения, как:
- расчет гипоцентра по начальным отклонениям (Δx, Δy, Δz) с возможностью раннего достоверного оповещения населения об опасности землетрясения;
- расчет магнитуды с возможностью упреждающего прогнозирования последствий;
- высокая точность прогнозирования и оповещения, основанная на непосредственном измерении признака-предвестника.

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

Техническая сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. В настоящее время отсутствуют измерители, способные достоверно регистрировать сверхнизкие волны на земной поверхности. Известны 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). Отсутствие измерителей, способных достоверно регистрировать сверхнизкие литосферные волны, является одной из причин существующей до настоящего времени скрытности момента главного толчка. В то же время существуют системы хранения координат на ракетах, спутниках (см. , например, "Космонавтика", Энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1985 г. /Под редакцией В.П. Глушко, Гироскопическая стабилизированная платформа, с. 88), которые выдают сигнал рассогласования при отклонении ракеты в какой-либо плоскости движения от заданных направлений в пространстве. Под воздействием литосферных волн координаты точек на земной поверхности испытывают периодические аномальные отклонения относительно состояния покоя. Амплитуды таких отклонений достаточны, чтобы их можно было достоверно регистрировать с помощью гироскопических системы хранения координат.

Закрепив на местности гиростабилизированную платформу в точке, координаты которой заранее определены с высокой точностью, по сигналам рассогласования с выхода системы можно регистрировать отклонения координат (Δx, Δy, Δz) при воздействии литосферных волн. В зарегистрированном таким образом сигналe содержится вся информация о предстоящем землетрясении: координатах очага, магнитуде, времени главного удара.

Известно, что энергия переносится волной с групповой скоростью. Проекции радиус-вектора переноса волной энергии на оси координат (x, y, z) несут информацию о положении радиус-вектора в пространстве и, следовательно, о фазовом центре источника литосферных волн.

Известно также (см. , например, Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров; перевод с англ.- М.: Наука, 1971, раздел "Аналитическая геометрия", с. 73-74), что положение радиус-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_n, Δy_n, Δz_n) координат точек от положения равновесия (x_on, y_on, z_on), определяют положение радиус-векторов точек



фазовый центр источника литосферных волн находят как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, для чего необходимо измерять отклонения (Δx, Δy, Δz) 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 гипотетическим центром очага. При этом ошибка местоопределения будет минимальной, если очаг будет находиться на нормали к базовой линии (см., например, Теоретические основы радиолокации/Под редакцией В.Е. Дулевича; Учебник.- М.: Советское радио, 1964, рис. 8.7, с. 409). Поскольку заранее трудно предсказать направление на очаг землетрясения, для большей точности определения гипоцентра целесообразно использовать три системы хранения координат точек, образующих между собой три базовые линии, ориентированные под различными углами к очагу. Приведенные выше соотношения справедливы для любого момента времени наблюдений. Потому гипоцентр очага рассчитывают по начальным отклонениям Δx(t₁), Δy(t₁), Δz(t₁), что обеспечивает некоторый резерв времени для оповещения населения.

Аналогично период (Т) наблюдаемого процесса рассчитывают на раннем этапе наблюдений, для чего формируют последовательность дискретных отсчетов Δx(t₁), Δx(t₂)...Δx(t_n) начального интервала наблюдений ΔT, как это показано на фиг. 1. Гироскопические системы хранения координат обладают высоким быстродействием. Темп выдачи данных Δt = (t₂ - t₁) современных систем составляет порядка Δt ≃ 0,01 с. Аппроксимируя пришедшую литосферную волну функцией вида sinωt, производная которой соответственно ω•cosωt, составляют последовательность конечных разностей первого порядка
Δ₁= Δx(t₂)-Δx(t₁);
Δ₂= Δx(t₃)-Δx(t₂);
Δ_n= Δx(t_n+1)-Δx(t_n);
и вычисляют отношения
,
которые представляют собой последовательный ряд производных
ω•cosωt₁;
ω•cosωt₂... ω•cosωt_n
Поскольку ω = 2π/T, то, имея последовательный ряд дискретных отсчетов, программными методами рассчитывают период (Т). Аппроксимация функций, заданных в цифровом виде некоторым участком, представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного математического обеспечения МАТН САД (см., например, Дьяконов В.П. Справочник по МАТН САД.- M. : Ск "Пресс", 1998, Использование функции предсказания, Predikt, c. 242, п. 11.15).

Величина накопленной в очаге потенциальной энергии сжатия породы (E) определяет магнитуду (М) землетрясения (см., например, Большая cоветская энциклопедия, том 9, 1973, с. 472)
lgE = a₁ + b₁ • M; a₁ ≃ 4, b₁ ≃ 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 "вибраций" очага. Следовательно, период литосферных волн очага T связан с магнитудой ожидаемого землетрясения M обратно пропорциональной зависимостью. Для расчета функции регрессии М = М(Т) использованы данные апостериорной обработки результатов регистрации следующих состоявшихся землетрясений (см. таблицу).

С учетом вышеприведенных соотношений коэффициенты регрессии для функции M = a/l_gT - b для размерности периода литосферных волн Т (ч) составили a ≃ 9; b 8.

Функция зависимости магнитуды землетрясения от периода литосферных волн представлена графиком на фиг. 2.

"Раскачка" очага накануне землетрясения 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 (t_уст.) колебаний. Из графика на фиг. 1 (отражающего результат экспериментальных геодеформационных наблюдений) следует, что удар происходит на интервале времени установления колебаний.

Аналитические соотношения между параметрами колебательного процесса на интервале установления колебаний известны (см. , например, Зернов Н.В., Карпов В. Г. Теория радиотехнических цепей; Учебник.- М.-Л.: Энергия, 1963, с. 407). Время установления колебаний t_уст. связано с добротностью колебательной системы Q и периодом колебаний T зависимостью t_уст. = Q • T. Добротность колебательной системы очага, как объемного резонатора, определяет логарифмический декремент затухания, равный отношению амплитуд двух смежных периодов

Из графика на фиг. 1 натуральный логарифм отношения амплитуд отклонений двух смежных периодов равен
Откуда время удара
Таким образом, по параметрам сверхнизких литосферных волн, распространяющихся от очага накануне главного толчка, рассчитывают все характеристики ожидаемого землетрясения: гипоцентр, магнитуду (М), время наступления события (t_x).

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по фиг. 3. Функциональная схема устройства (фиг. 3) содержит системы хранения координат точек 1, установленные в сейсмоопасном районе 2 и разнесенные на измерительных базах 3. Системы хранения координат 1 содержат стандартные порты 4, соединенные с буфером-накопителем 5 цифровых отсчетов значений измеряемых величин. Результаты измерений координат точек по линиям связи 6 передаются в аналитический центр 7 в составе оперативного запоминающего устройства 8, центрального процессора 9, винчестера 10, принтера 11, дисплея 12 и клавиатуры 13. Обеспечивается возможность считывания файлов измерительной информации через сервер 14 в ИНТЕРНЕТ 15, а также взаимодействие с местной системой оповещения 16.

Устройство работает в следующей последовательности. В Аналитическом центре 7, оборудованном на базе ПЭВМ типа IBM PC/486/487, организуется непрерывное, круглосуточное наблюдение за сейсмической обстановкой обслуживаемого региона. Для этого на винчестер 10 записывают специализированный комплекс программного обеспечения типа МАТН САД, посредством которого реализуется программный расчет параметров наблюдаемого процесса и ведется база данных регистрируемых отсчетов измеряемых величин. В дежурном режиме наблюдения осуществляется циклический опрос буферов-накопителей 5 результатов измерений координат с тактовой частотой, задаваемой сервисной программой. Чтобы не перегружать Центр избыточной информацией, тактовая частота выбирается низкой, с циклом опроса единицы секунд. Отслеживаемыми параметрами в дежурном режиме наблюдения являются величина и знак отклонения координат точек, а также величина производной этих отклонений. Отслеживаемые параметры непрерывно отображаются на экранах дисплея 12 и периодически документируется распечаткой на принтере 11. В случае одинакового знака отклонения координат точек всех систем и равенства производных этих отклонений во всех плоскостях, что свидетельствует о приходе литосферных волн, система переводится в режим слежения. В режиме слежения (сервисной программой) устанавливают технически возможный темп выдачи данных от систем хранения координат. Осуществляют оперативный расчет параметров по операциям способа и выдачу информации о предстоящем землетрясении в ИНТЕРНЕТ 15 и систему оповещения 16.

Устройство может быть реализовано на существующих средствах измерений и элементной базе. Так, буфер-накопитель может быть выполнен на стандартной интегральной плате типа контроллера ЛА-32-12 (или П. 12.05), совместимой со стандартными шипами ОЗУ ПЭВМ IBM PC 485/487. К настоящему времени известно множество модификаций и видов гироскопических систем: механические, лазерные, атомные. В соответствии с интервалом значений периода сверхнизких литосферных волн (фиг. 2), этому требованию удовлетворяет, например, гироскопическая система - шифр ADXL-150.

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими показателями, как достоверность, точность, надежность. Благодаря тому что при измерениях и вычислениях используются значения приращений функций к сумме приращений, не накладываются ограничения на абсолютные значения измеряемых величин и их размерности. Кроме того, метод отношений обеспечивает устойчивость результатов оценок, компенсируя ошибки флуктуаций.

Использование заявляемого способа позволит организовать своевременное оповещение населения и снизить размеры ущерба.

Использование: сейсмология, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: под воздействием литосферных волн координаты точек на земной поверхности испытывают периодические аномальные отклонения относительно состояния покоя. Амплитуды таких отклонений достаточны, чтобы их можно было достоверно регистрировать с помощью гироскопических систем хранения координат. В зарегистрированном сигнале содержится вся информация о предстоящем землетрясении: координатах очага, магнитуде, времени главного толчка. Технический результат: повышение достоверности, точности и надежности прогнозирования и оповещения. 1 табл., 3 ил.

Способ предсказания землетрясений, при котором осуществляют измерение сверхнизких литосферных волн, генерируемых очагом землетрясения накануне главного толчка, определяют направление прихода этих волн, отличающийся тем, что в сейсмоопасном районе размещают системы хранения координат (x₁, y₁, z₁ . . . x_n, y_n, z_n) точек на земной поверхности, разнесенных на измерительных базах, регистрируют момент появления периодических отклонений (Δx_l, Δy_l, Δz_l ... Δx_n, Δy_n, Δz_n) координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют фазовый центр волн как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых рассчитывают из соотношений




отождествляют его с гипотетическим центром очага, а время удара t_x, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду M ожидаемого землетрясения оценивают из регрессионных зависимостей:

M = a / lgT - b,
где T - регистрируемый период отклонения координат, ч;
k - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координат двух смежных периодов;
a, b - коэффициенты регрессии.