СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2002 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 инфраструктуры. На настоящий момент известно счетное множество литосферных и ионосферных признаков возможного землетрясения, такие как сдвиговые деформации земной коры, изменение соотношения скоростей распространения продольных и поперечных литосферных волн, изменение удельного электрического сопротивления земной коры, наличие локальных областей неоднородностей ионосферы над гипотетическим очагом землетрясения и др. (см., например, Т. Рикитаке, перевод с японского, М., Мир, 1979 г., стр.242, 314, таблица 15.13, а также Липеровский В.А., Шалимов Л.С., Похотелов O.А. "Ионосферные признаки землетрясений", М., Наука, 1992 г., стр.163).

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

Для регистрации сейсмических колебаний применяют сейсмографы, гравиметры, акселерометры 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 г., стр. 83...86). Составной частью известных устройств является, как правило, инерционная масса на упругой подвеске, эффективно преобразующая ускорение в линейное смещение на высоких частотах.

Недостатками перечисленных устройств являются амплитудные, фазовые, нелинейные искажения в области низких частот, менее 1 Гц. Кроме того, регистрация сигналов с периодами единицы и десятки секунд является вообще проблематичной (см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред" под редакцией Сорокина В.Н., научный сборник АН СССР, Институт общей физики, М., 1991 г., стр.267).

Наиболее достоверным признаком-предвестником предстоящего землетрясения является появление за 5-7 часов до толчка сверхнизких литосферных волн с периодом в несколько тысяч секунд (см., например, "Способ предсказания землетрясений", патент РФ 2130195, кл. G 01 V 1/00, 9/00 - аналог).

В способе-аналоге осуществляют преобразование сейсмических волн в электрический сигнал посредством прямоугольной решетки из N без инерционных измерителей, размещенной на протяженном по пространству (х, у) измерительном полигоне, взятие дискретных отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства, формирование из них цифровой матрицы размерностью |m×n| элементов зависимости амплитуды А (х, у) от пространственных координат и восстановление пространственных волн

путем вычисления двумерного пространственного спектра Фурье от функции А (х, у), где F_x, F_y - пространственные спектры Фурье по соответствующим координатам.

Недостатками известного аналога являются:
- трудности создания измерительного полигона с узлами прямоугольной решетки, отстоящими друг от друга на расстоянии λ/4. При скорости распространения литосферных волн 1,1-2,4 км/с, периоде Т (до 10000 с) это расстояние составит несколько тысяч км, что затруднительно даже при использовании волоконно-оптической техники;
- трудность калибровки (тарирования) всего измерительного тракта при таких протяженных расстояниях;
- возможность обрыва соединительных волоконно-оптических кабелей при распространении в литосфере сверхнизких волн накануне толчка.

Одним из признаков-предвестников ожидаемого землетрясения может быть также изменение спектральных характеристик сейсмического фона непосредственно перед событием вследствие появления сверхнизких литосферных волн, генерируемых очагом.

В технике, при диагностировании объектов, широко используют математические процедуры обработки функций электрических эхо-сигналов откликов. Наибольшее распространение получили математические методы разложения функций сигналов в дискретные либо непрерывные ряды. Известны разложения функций в степенные либо ортогональные ряды Тейлора, Маклорена, Фурье и т.д. При этом коэффициенты разложения функций в ряд могут иметь какой-либо физический или информационный смысл. В частности, при анализе ударных процессов чаще всего используют разложение функций в гармонический ряд.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому способу является метод спектрального анализа путем разложения ударной функции в ряд Фурье (см. , например, "Ударные процессы" в книге "Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара". Справочник под редакцией В.В. Клюева, кн.1, M., Машиностроение, 1976 г. стр. 25-26 - ближайший аналог).

В способе ближайшего аналога регистрируют функцию отклика объекта на ударное воздействие, аналитически либо аппаратурно, посредством системы резонаторов или спектроанализаторов определяют текущий ударный спектр и по форме спектра судят о характеристиках ударного процесса,
Недостатками ближайшего аналога являются:
- невозможность непосредственного использования ввиду временной несоразмерности отслеживаемых процессов,
- трудность идентификации отдельного признака процесса в общем спектре;
- отсутствие аппаратурной реализации фильтров-резонаторов на частоты ниже 0,1 Гц.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении возможности достоверного выделения призанка-предвестника из сейсмического фона, регистрируемого станциями системы геофизических измерений путем текущей программной обработки регистрируемых измерений.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала А(t), находят спектр Фурье от зарегистрированной функции, дополнительно регистрацию осуществляют в двух разнесенных по координатам пунктах, спектр Фурье рассчитывают от последовательности выборок измерений с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2F_max/σ,, вычисляют автокорреляционные функции B(τ) сигналов выборок и определяют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δτ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага

определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиуса векторов пунктов с косинусом угла при вершине

вычисляют период Т₀ параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду M ≅ 110/T20

(ч) и время удара t_x ≅ 2,3T₀, где F_max - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц, σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений; a - длина базы между двумя пунктами, м, v - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с; В₁(0), B₂(0) - значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта.

Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - стандартная реализация записи сейсмического фона, регистрируемая станцией;
фиг. 2 - развернутая во времени реализация сейсмического фона и последующего удара;
фиг. 3 - амплитудный спектр Фурье выборок измерений: 1 - невозмущенного фона, 2 - возмущенного фона;
фиг. 4 - автокорреляционные функции сигналов выборок измерений соответственно: 1 - невозмущенного, 2 - возмущенного фона;
фиг. 5 - динамика изменения параметра τ накануне удара по двум реализациям;
фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств способа, как:
- высокую достоверность, поскольку масштабные изменения спектра сейсмического фона связаны непосредственно с поведением очага перед ударом;
- достаточный временной запас для оповещения о предстоящем землетрясении;
- возможность реализации в сложившейся системе геофизических измерений.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Очаг землетрясения аккумулирует очень большую потенциальную энергию сжатия породы. Накануне удара при достижении предельных деформаций породы сила упругой отдачи становится соизмеримой с силой сжатия. Взаимодействие этих двух сил, при условии их несимметричности приложения относительно разлома, образует момент, что приводит к раскачке очага накануне удара. Движение тел под действием восстанавливающей силы в соответствии со вторым законом Ньютона носит колебательный характер. Общим решением дифференциального уравнения второго порядка является функция вида A•sinωt+B•cosωt.
Раскачка очага сопровождается распространением от гипоцентра сверхнизких литосферных волн с периодом 10³...10⁴ секунд.

Скорость сейсмических волн в земной коре зависит от плотности породы и составляет от 1,1...2,5 км/с для глинистого сланца и песчаника до 2...4 км/с для базальта и гранита (см., например, К. Уотерс "Отражательная сейсмология", перевод с англ., М., Мир, 1981 г., стр.31). При указанных скоростях и периоде длина волны сверхнизких литосферных волн соизмерима с длиной экватора, т.е. сферой их досягаемости является вся земная поверхность. В пространстве распространения таких волн можно выделить (по закону синуса) участки сжатия, разрежения, а также участок непрерывного, почти линейного изменения плотности среды. Дисперсия плотности породы приводит к дисперсии скоростей распространения литосферных волн, а последняя - к изменению формы колебательного процесса. На частотном языке рассмотренный процесс эквивалентен параметрической модуляции сейсмического фона, что приводит к изменению амплитудных соотношений между его спектральными составляющими.

По мере распространения сейсмических волн в такой среде спектр колебаний становится все более обогащен низкочастотными составляющими. Об объективной реальности описанного физического процесса смотри, например, Давыдов В.Ф. и др. "Явление поглощения спектральных составляющих волнового процесса уединенной волной", Сборник кратких описаний научных открытий за 1998 год, РАЕН, М. , 1999 г., Открытие 62. Таким образом, накануне землетрясения, за 5...7 часов до удара, в литосфере распространяются сверхнизкие волны от очага предстоящего землетрясения, что приводит к существенному изменению спектральных характеристик сейсмического фона в любой точке земной поверхности.

Для обнаружения и регистрации отмеченного физического явления осуществляют непрерывную запись сейсмического фона А(t) станциями геофизического наблюдения. Вычисляют спектр Фурье F(jω) от непрерывно регистрируемой функции сейсмического фона в соответствии с зависимостью (см., например, "Ряды Фурье" в учебнике для ВТУЗов Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления", Наука, М., 1964 г., стр.240)

где t₂-t₁ = Δt - интервал выборки измерений из N отсчетов. В соответствии с теорией спектрального оценивания (см. , например, Марпл С.П, "Цифровой спектральный анализ и его приложения", пер. с англ., Мир., М., 1990 г. , стр. 161) устойчивые результаты (малые флуктуации и высокая точность) достигаются при условии, когда σ•Δt•2•F_max>1, где σ - среднеквадратическая ошибка спектрального оценивания, F_max - максимальная частота спектра сигнала. Сложившаяся система геофизических наблюдений включает сеть государственных станций, на которых осуществляют регистрацию сейсмических волн в цифровой форме. При существующих параметрах сейсмических станций устойчивые оценки текущего спектра сейсмического фона достигаются при числе отсчетов в выборке объемом 256. Процедура вычисления спектра Фурье от дискретной последовательности цифровых отсчетов представляется стандартной математической операцией, реализуемой программным расчетом на ПЭВМ (см., например, "Специализированное программное обеспечение MATH САД 6.0 PLUS, издание 2-е стереотипное, М., Информ. изд. дом "Филинъ", 1997 г., стр.411). Расчетные значения огибающих спектра Фурье невозмущенного (1) и возмущенного (2) сверхнизкими волнами очага сейсмического фона иллюстрируются графиками фиг.3. Как следует из графиков фиг.3, соотношение между амплитудами низкочастотных и высокочастотных гармоник в возмущенном спектре существенно изменилось. Количественной статистической характеристикой широкополосности какого-либо процесса служит автокорреляционная функция его сигнала. По определению (см., например, Заездный А.М. "Основы расчетов по статистической радиотехнике", М. , Связь, 1969 г., стр.93), автокорреляционная функция B(τ) сигнала связана с его энергетическим спектром Е(F) обратным преобразованием Фурье:

Обратное Фурье-преобразование также является стандартной операцией специализированного программного обеспечения MATH САД 6,0 PLUS. Вычисление автокорреляционной функции осуществляют программным расчетом на ПЭВМ, для чего предварительно рассчитывают энергетический спектр сигнала выборки E(F) по его амплитудному спектру F(jω).
По определению (см., там же Заездный А.М., стр.93)

Δt- интервал времени формирования выборки (объемом 256 отсчетов в рассматриваемом случае).

На фиг. 4 воспроизведены графики автокорреляционных функций выборок соответственно 1 - невозмущенного и 2 - возмущенного сейсмического фона.

Аргументом автокоореляционной функции B(τ) является интервал корреляции в секундах, при котором амплитуда функции уменьшается до величины 0,05В_max.

Как следует из приведенных графиков фиг.4, параметр-признак τ изменяется в несколько раз. Это позволяет достоверно отслеживать динамику изменения параметра-признака τ на всем интервале его наблюдения. На фиг.5 представлена динамика изменения параметра-признака за несколько часов до удара, рассчитанная по двум реализациям сейсмограмм, снятых соответственно накануне землетрясений в Греции и Турции. Как и следовало ожидать, параметр-признак τ является функцией периодической, совпадающей по фазе с периодом Т₀ сверхнизких литосферных волн очага. Предсказать землетрясение - это значит определить гипоцентр очага, магнитуду и момент удара. Информация о гипоцентре очага содержится в фазовом фронте сферических волн, распространяющихся от очага. Вектор переноса энергии волной перпендикулярен фазовому фронту волны в любой точке пространства. Проекция вектора переноса энергии волной на оси чувствительности приемно-регистрирующей станции определяет положение станции относительно центра сферической волны. Координаты гипоцентра в пространстве рассчитывают как точку пересечения двух радиус-векторов. Известно, что значение автокорреляционной функции в нуле B(τ = 0) равно средней мощности процесса, что определяет длину радиус-вектора. Вычисляя значения В₁(0) и В₂(0), определяют длину векторов для каждого пункта регистрации. Косинус угла между двумя векторами в пространстве (см., например, "Векторная алгебра" в книге Г. Корн, Т. Корн "Справочник по математике для научных работников и инженеров", Наука, М., 1970 стр.159) равен отношению их длин:

Положение гипоцентра очага на поверхности Земли определяется двумя координатами. Чтобы задача определения гипоцентра очага имела однозначное решение, необходимо вычислить другой независимый параметр. Таким параметром является время запаздывания изменения фазы признака Δτ между двумя пунктами регистрации (см., например, "Принцип и методы измерения угловых координат" в книге "Теоретические основы радиолокации" под редакцией В.Е. Дулевича, Сов. радио, М. , 1964 г., стр.36-37). При известном расстоянии между двумя пунктами регистрации (длине базы a) и расчетных значениях

однозначно рассчитывают положение гипоцентра очага.

Величина накопленной в очаге потенциальной энергии сжатия породы определяет магнитуду землетрясения (М). В соответствии с общим физическим принципом частота собственных колебаний механической системы (см., например, "Вибрации в технике". Справочник под редакцией Фролова, М., Машиностроение, 1981 г., стр.172) задается выражением

где ε - жесткость упругого элемента, m - колебательная масса, Т₀ - период. Чем больше механические напряжения в очаге, тем больше сила упругой отдачи или жесткость породы, тем выше частота "вибраций" очага. Следовательно, период сверхнизких литосферных волн связан с магнитудой ожидаемого землетрясения. В примере реализации приводится эмпирическая зависимость между периодом и магнитудой, полученная обработкой данных 8 зарегистрированных землетрясений.

Колебательные процессы описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями, независимо от того, механическая, электрическая или радиотехническая колебательная система. Одним из параметров колебательного процесса является время установления колебаний t_уст., которое зависит от характеристик колебательной системы (см. , например, Н. В. Зернов, В.Г. Карпов "Теория радиотехнических цепей", учебник для ВТУЗов, М.-Л.: Энергия,1963 г., стр.407).

Время установления колебаний определяет, примерно, момент удара. Оно связано с периодом сверхнизких литосферных волн очага зависимостью t_уст.=2,3 T₀.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован устройством по схеме фиг.6 Функциональная схема устройства содержит станции геофизического наблюдения 1, разнесенные в пространстве на базу 2, осуществляющие регистрацию литосферных волн от очага землетрясения 3. Зарегистрированная информация по каналам связи 4 передается в Центр 5 хранения сейсмических данных, где ведется База всех регистрируемых сейсмограмм. База данных выводится на сервер 6 сети "Интернет" с электронным адресом www.ceme.gsras.ru.

Любой пользователь, имеющий пароль доступа к данным, может перекачать файлы сейсмической информации через "Интернет". Постоянным пользователем данных является Государственный Центр Мониторинга МЧС 7. В Центре Мониторинга 7 организован долговременный архив 8 по всем сейсмоопасным районам на основе стриммеров типа FT-120. Обработку информации по операциям заявляемого способа осуществляют на ПЭВМ 9 типа CYN в комплекте со стандартным набором элементов: процессора 10, оперативного ЗУ 11, винчестера 12, дисплея 13, принтера 14, клавиатуры 15. Специализированное программное обеспечение MATH САД 6.0 PLUS предварительно записывают на винчестер 12. Обработку сейсмических данных осуществляют блоками объемом 256 отсчетов в выборке. Стандартными процедурами программной обработки на ПЭВМ рассчитывают автокорреляционные функции выборок и величину параметра τ. При обнаружении начала изменения параметра τ осуществляют его непрерывное отслеживание, расчет периода Т₀, а также расчет значений В₁(0) и В₂(0).

Проверка достоверности заявляемого способа осуществлялась путем апостериорной обработки сейсмограмм по 8 зарегистрированным землетрясениям. В таблице приведены характеристики землетрясений, по которым осуществлялась апостериорная обработка данных.

Во всех 8 землетрясениях устойчиво обнаруживались изменения признака-предвестника τ. На фиг.3 представлены огибающие спектра сейсмического фона и соответствующие им автокорреляционные функции выборок для невозмущенного 1 и возмущенного (за 12 минут до удара) фонов. На фиг.5 представлены графики изменения параметра τ, рассчитанные по сейсмограммам двух землетрясений: а) Греция, шифр 99250, в) Турция, шифр 99229.

При расчете гипоцентра предварительно, по времени запаздывания (Δτ) разницы фаз параметра τ между двумя пунктами регистрации, вычисляют направляющий косинус траверзы прихода литосферных волн:

где v - скорость распространения литосферных волн, a - расстояние между пунктами регистрации.

Затем рассчитывают косинус угла между векторами:

вычисляют оба угла и отсчитывают от базы (a) по карте, находят гипоцентр ожидаемого землетрясения.

Как следует из таблицы и графиков фиг.5, время от начала изменения параметра-признака τ до момента удара составляет от 8 часов до 10,3 часов, в зависимости от магнитуды, а период Т₀ параметра τ составляет от 3,5 до 4,4 часов, откуда эмпирическая зависимость между магнитудой землетрясения (М) и периодом Т₀ соответствует М=110/T₀ ² ч. Момент удара соответствует примерно времени установления и вычисляется как t_уст.=2,3Т₀.

Эффективность заявляемого способа определяется высокой достоверностью предсказания момента удара, что позволяет оповестить население и принять меры по минимизации ущерба. Заявляемый способ не требует для его реализации создания новых измерительных комплексов и может быть реализован в рамках существующей государственной системы геофизических наблюдений.

Использование: сейсмология, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: накануне землетрясения за 5...7 ч до удара в литосфере распространяются сверхнизкие волны от очага предстоящего землетрясения, что приводит к существенному изменению спектральных характеристик сейсмического фона в любой точке земной поверхности. Для обнаружения и регистрации этого физического явления осуществляют непрерывную запись сейсмического фона А (t) станциями геофизического наблюдения. Вычисляют спектр Фурье F(jω) от непрерывно регистрируемой функции сейсмического фона. Вычисляют автокорреляционные функции B(τ) сигналов выборок и определяют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ. Вычисляют период Т_о параметра τ и значения автокорреляционных функций в нуле В₁(0) и В₂(0) каждого пункта и по их величине и соотношению судят о гипоцентре очага, магнитуде и моменте удара. Технический результат: повышение достоверности. 6 ил., 1 табл.

Способ краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала А(t), находят спектр Фурье от зарегистрированной функции, отличающийся тем, что регистрацию осуществляют в двух разнесенных по координатам пунктах, спектр Фурье рассчитывают от последовательности выборок измерений с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2F_max/σ, вычисляют автокорреляционные функции B(τ), сигналов выборок и определяют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δ τ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага

определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиус векторов пунктов с косинусом угла при вершине

вычисляют период Т₀ параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду M ≅ 110/T20

(ч) и время удара t_x= 2,3 Т₀, где F_max - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц; σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений; а - длина базы между двумя пунктами, м; v - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с; В₁(0), В₂(0) - значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта.