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

Предлагаемый способ относиться к геофизике, в частности к сейсмологии, и может быть использован для предсказания времени, места и силы предстоящего землетрясения на основе результатов диагностики волнового режима атмосферы. В прогнозировании землетрясений известны способы, основанные на использовании электромагнитных явлений, предшествующих и сопровождающих землетрясения (авт. свид. СССР NN 499543, 913311, 1080099, 1171737, 1193620; патенты РФ NN 1806394, 2037162 и другие). Среди этих явлений - аномально высокочастотное электромагнитное излучение, обусловленное изменением структуры трещиноватости деформируемого вещества литосферы на стадии начавшегося разрушения. Однако надежные измерения и идентификация сейсмогенных возмущений электромагнитного поля Земли затруднены высоким уровнем его естественных и техногенных вариаций, обусловленных грозовой активностью, возмущениями ионосферы, радиотехническими средствами коммуникации и другими факторами. Кроме того, указанные методы относятся к краткосрочным, поэтому для их эффективного использования и выделения прогностического сигнала важно заранее выделить сейсмоопасные периоды времени, что проблематично.

Изменения электромагнитного поля Земли использованы в физическом объяснении эффекта нарушения уравнения Клапейрона-Менделеева перед землетрясением, ставшего основой способа краткосрочного прогнозирования землетрясений (авт. свид. N 1247808, G 01 V 9/00, 1985).

Уравнение Клапейрона-Менделеева связывает давление атмосферы P, объем V и температуру T идеального газа [1]: PV = mRT, что вполне применимо к атмосфере, или, учитывая, что плотность ρ = m/V: P = ρ RT, где m - масса, R - универсальная газовая постоянная.

При наличии достаточно густой сети метеостанций в сейсмоопасном районе этот эффект может быть использован для диагностики и прогнозирования места и силы землетрясения. Однако выполнение этого требования затруднено в условиях сложной орографии сейсмического пояса Земли. К тому же результативность этого способа существенно зависит от высоты метеостанции над уровнем моря, сезона и ряда других факторов.

Отмеченный эффект является свидетельством нарушения гидростатического равновесия атмосферы. Учитывая механизм взаимодействия литосферы с атмосферой через акустико-гравитационные волны [2], сейсмогенные изменения волнового режима атмосферы должны соответствовать особенностям эволюции зон подготовки землетрясений [3]. Поэтому их можно диагностировать в характеристиках волнового режима атмосферы. Полученные результаты могут быть использованы для активизации наблюдений на сети метеостанций с целью прогнозирования землетрясений по данным о температуре и давлении.

Цель изобретения - повышение эффективности и достоверности краткосрочного прогнозирования землетрясений по метеорологическим данным за счет дополнительной диагностики сейсмогенных тенденций в волновом режиме атмосферы по данным об общем содержании озона в атмосфере.

Выбор данных озонометрии для диагностики сейсмогенных тенденций в волновом режиме атмосфере обусловлен промежуточным положением озоносферы между литосферой и ионосферой, где также диагностируются краткосрочные предвестники землетрясений, ростом амплитуды сейсмогенных АГВ с высотой, что увеличивает вероятность их проявления с высотой, а также наличием мировой сети озонометрии.

Для выделения сейсмогенных тенденций в волновом режиме озоносферы необходимо рассчитать по архивным данным спектры вариаций в скользящем по данным озонометрии временном окне методом Фурье-анализа. По набору этих спектров провести диагностику изменений энергетического вклада ряда частот и выделить из них, например, пару сигнальных сейсмогенных диапазонов частот на основе известных в сейсмологии эффектов "сейсмического затишья" перед землетрясением и последующей активизации очаговой области подготовки землетрясения. Изменение их энергетического вклада предполагается использовать для выявления сейсмогенных ситуаций по оперативным данным озонометрии на основе сравнения с "обобщенным сейсмогенным портретом", полученным по архивным данным.

Характер "обобщенного сейсмогенного портрета" в данных озонометрии проявляется в том, что в большинстве случаев сильное землетрясение происходит через 10-25 суток после минимума вклада высоких частот на этапе их роста с одновременным уменьшением вклада низких частот. Чем четче выполняется эта закономерность, тем сильнее ожидается землетрясение. При общей размытости этих эффектов во времени увеличивается вероятность серии менее сильных землетрясений. Выбор диагностируемых диапазонов частот должен определяться для каждой станции озонометрии сейсмоактивного региона и регулярно уточняться.

Выбранная для прогнозирования характеристика, учитывая особенности распространения АГВ [3] , позволяет диагностировать сейсмогенные тенденции в радиусе до 1500-2000 км от станции озонометрии, а также целесообразность использования в расчетах и в прогнозировании типизированных данных озонометрии по повторяемости локальных экстремумов. Такой подход к типизации обусловлен тем, что об амплитуде сейсмогенных ВГВ в вариациях ОСО сложно сказать что-либо определенное. Этот прием позволяет уменьшить влияние сезонного хода и повысить однородность используемых данных.

Для реализации этого подхода к прогнозированию землетрясений была проведена диагностика сейсмоозонных эффектов в архивных данных озонометрии на станции Петропавловск-Камчатский для наиболее активного в сейсмическом отношении региона России. Типизация данных озонометрии на наличие локальных экстремумов проводилась в скользящем трехдневном окне, а диагностика спектра - в скользящем по ряду типизированных данных озонометрии спектральном окне с шириной в 50 суток. Полученные в скользящем окне периодограммы энергетического вклада первых 25 гармоник присваивались правой границе окна. По полученному временному ряду спектров и датам землетрясений методом наложения эпох был рассчитан "обобщенный портрет" осредненного изменения энергетического вклада гармоник до и после землетрясения. Основное внимание уделялось предвестниковым эффектам.

Результаты первичной диагностики периодограмм "обобщенного портрета" повторяемости локальных экстремумов для 28 сильных землетрясений Камчатки 1974-89 гг. с магнитудой не менее 4,8-5,0, согласно табл. 1, обусловивших ощутимые (более 2-3 баллов) движения в г. Петропавловск-Камчатском, представлены для среднефокусных землетрясений - фиг. 1(а, б) и для мелкофокусных землетрясений - фиг. 1(в, г) соответственно по локальным максимумам и локальным минимумам. Для среднефокусных землетрясений по локальным максимумам энергетический вклад гармоники с Т = 21 суток на 2 порядка превышает уровень фона, рассчитанного по 100 случаям. Для локальных минимумов эффекты выражены слабее.

Для оценивания значимости предполагаемых сейсмогенных выбросов в "обобщенных портретах" изменения осредненного вклада гармоник использовалось сравнение с фоновыми вариациями, которые рассчитывались для реперных дат, определяемых датчиком случайных чисел. Но предварительно было проведено уточнение полученных результатов по данным озонометрии 1974-77 гг., а данные 1987-89 гг. использовались для обучения распознаванию сейсмогенных ситуаций. По региональному каталогу данных о сейсмическом режиме 1974-77 гг. было выделено 40 сильных землетрясений без уточнения положения их эпицентров относительно Камчатки и без деления на главные, форшоки и афтершоки. Для этих землетрясений была составлена сейсмогенная выборка изменения вклада первых 25 гармоник в интервале до -50 суток от землетрясения. Фоновая выборка была сформирована из 70 событий, не перекрывающихся на отрезке такой же продолжительности. Удовлетворить требованию отсутствия какого-либо землетрясения региона в течение 50 суток в фоновой выборке не удалось. Сейсмическая активность в 1974 г. была аномально высокой, а в 1977 г. - низкой.

Анализ вида закона распределения ежедневных средних оценок вклада по каждой гармонике, полученных методом наложения эпох в каждой выборке, показал его соответствие нормальному закону с уровнем значимости не ниже 0,1. Поэтому для проверки значимости предполагаемых сейсмогенных эффектов было использовано t-распределение Стьюдента для (70+40-2) степеней свободы, с помощью которого подтвердился аномальный всплеск гармоники с Т = 14 суток за 6-8 суток до землетрясения, не случайный с вероятностью более 98% по сравнению с фоновыми вариациями - фиг. 2(а). Для локальных минимумов подтвердилась аномальность изменения периода Т = 10 суток за 8-12 суток до землетрясения с вероятностью не менее 95% - фиг. 2(г).

В повторяемости знака первых производных изменения вклада гармоник спектра выделяется необычное поведение гармоник с периодами Т = 7, 9, 19 и 23 суток, не случайное по сравнению с фоновыми вариациями. Эта особенность может быть использована для уточнения времени землетрясений. Для локальных максимумов по Т = 19 суток выделяется близкая к нулю повторяемость отрицательного знака производной за 9...18 суток до землетрясения - фиг. 2(б), для Т = 23 суток - значительный минимум за 39 суток до землетрясения, а для Т = 7 суток - околонулевые значения за 15...25 суток до землетрясения с достаточно резкими изменениями за 8...12 суток до землетрясения, отличающимися от фоновых вариаций с вероятностью более 95-98%. Для локальных минимумов выделяются гармоники с Т = 7 и 9 суток - фиг. 2(д).

Достаточно очевидным было значительное изменение коэффициента корреляции на этапе сейсмического затишья между гармониками низких и высоких частот, что может быть использовано в диагностике сейсмоопасных периодов. Общее представление об этом эффекте для суммы вкладов трех низких и трех высоких частот, каждая из которых нормировалась по своему минимаксу, дает фиг. 2(в) и фиг. 2(е). Суммирование по трем периодам является попыткой расширения анализируемых частотных полос, чтобы учесть возможное изменение сигнальных периодов за счет активизации нелинейных эффектов перед землетрясением. Активизация высоких частот перед землетрясением соответствует представлениям [3] о процессе подготовки землетрясения.

Большинство землетрясений рассматриваемого региона происходит в Тихоокеанском глубоководном желобе. Реальную же угрозу Камчатке представляют сильные землетрясения с эпицентрами в непосредственной близости от полуострова. С учетом этого критерия был проведен отбор потенциально опасных для Камчатки землетрясений с фильтрацией форшоков и афтершоков. За указанный период 1974-77 гг. было отобрано 9 среднефокусных (за счет наклона сейсмофокальной зоны) землетрясений, произошедших под восточным побережьем Камчатки, 6 подводных, произошедших восточнее, и 3 мелкофокусных, произошедших западнее от Тихоокеанского побережья полуострова.

Уменьшение выборки внесло коррективы в проявлении сигнальных периодов, среди которых оказались Т = 7, 9, 18, 23 и другие, менее значимые периоды, согласно данным таблиц 2, 3. Именно эти периоды были использованы для диагностики сейсмоопасных отрезков времени в данных озонометрии 1987-89 гг. Пропуски в таблицах означают уровень значимости, определенный по критерию Стьюдента в сравнении с фоновыми вариациями, не менее 95%. Включение периода Т = 7 суток в перечень обусловлено большим коэффициентом корреляции с периодом Т = 23 суток и его проявлением для мелкофокусных землетрясений.

В среднем через 5-15 суток после выраженного разбаланса в изменении вклада гармоник на низких и высоких частотах в 1989 г. произошло 9 из 14 камчатских землетрясений - фиг. 3 либо через 15-25 суток после минимума вклада гармоники с Т = 7 суток по локальным максимумам с последующим ее ростом и преимущественно после достижения максимальных значений и на ветви спада. Указанной заблаговременности достаточно, чтобы оповестить и активизировать традиционные наземные сети сейсмического мониторинга.

В двух случаях была объявлена "ложная тревога". Однако в оценивании оправдываемости прогноза на 1989 г. по этим данным следует учесть, что некоторые землетрясения происходили в виде серии из основного землетрясения, форшоков и афтершоков. Важно предсказать основное, наиболее сильное землетрясение.

Таким образом, по сейсмогенным ситуациям в спектральных характеристиках озонометрии можно прогнозировать время, место и примерную интенсивность ожидаемого землетрясения региона с последующим уточнением этих результатов с помощью рассмотренного метода контроля метеопараметров. Уточнение сейсмоопасных периодов времени позволяет повысить эффективность прогнозирования сильных землетрясений.

Технико-экономическое обоснование
Таким образом, предложенный способ прогнозирования землетрясений по сравнению с известными и существующими позволяет уточнить сейсмоопасные периоды времени по данным озонометрии, регулярно проводимой в рамках Глобальной Службы Атмосферы Всемирной Метеорологической Организации. Для его реализации не требуется дополнительной аппаратуры и изменения порядка наблюдений. Одна станция озонометрии позволяет контролировать сейсмогенные тенденции на территории в радиусе до 1500-2000 км, что не сравнимо с другими методами геофизических измерений. Дополнительная информация о сейсмогенных тенденциях диагностируемого региона позволяет повысить эффективность функционирования традиционных сетей сейсмологического мониторинга, рассматриваемую с позиций оперативности, ресурсоемкости и результативности.

Литература
1. Госсард Э., Хук У. Волны в атмосфере. - М.: Мир, 1978. С. 532.

2. Липеровский В. А. , Похотелов О.А., Шалимов С.Л. Ионосферные предвестники землетрясений. - М.: Наука, 1992. 304 с.

3. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. - М.: ИФЗ АН СССР, 1991. 224 с.

Использование: в геофизике, в частности в сейсмологии для предсказания времени, места и силы предстоящего землетрясения. Сущность: определяют значения приземной температуры и давления. Дополнительно проводят диагностику волнового режима атмосферы по данным об общем содержании озона в атмосфере. Для прогнозирования используется сравнение складывающихся изменений волнового режима атмосферы по низким и высоким частотам с типичными сейсмогенными тенденциями, выявленными по архивным данным, с последующим уточнением прогностических выводов по данным сети метеорологических наблюдений. Технический результат - повышение эффективности и достоверности краткосрочного прогнозирования землетрясений. 3 табл., 3 ил.

Способ прогнозирования землетрясений, включающий одновременную регистрацию в атмосфере давления и температуры, определение в каждой выбранной точке суммы приращений амплитуд функции давления и температуры от времени, выявление зоны со значениями указанного параметра, не равного нулю, суждение о времени возникновения землетрясения по времени появления этих зон, о месте землетрясения - по пространственному положению таких зон, отличающийся тем, что в одном из пунктов сейсмоопасного региона дополнительно диагностируют изменения волнового режима атмосферы по данным регулярных измерений общего содержания озона в атмосфере в скользящем временном окне методом Фурье-анализа, сравнивают характер изменения сейсмогенных диапазонов частот в данных оперативной озонометрии, заранее определенных по архивным данным, с эталонными сейсмогенными тенденциями активизации высоких частот на фоне спада низких частот, что позволяет выделить сейсмоопасные периоды времени и уточнить время возникновения землетрясения, а по четкости проявления этих эффектов и их длительности - примерную силу землетрясения, по особенностям пространственной структуры спектральных эффектов - положение эпицентральной зоны.