СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике, в частности к сейсмологии, и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования сейсмической опасности.

Общеизвестно, что в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов на дне океанов постоянно вытекает магма, которая при контакте с холодным морским дном (температура воды на дне океанов около 5^oС) остывает, раздвигая базальтовые плиты океана. Непрерывный поток магмы двигает океанские плиты по обе стороны от рифтовой зоны срединно-океанических хребтов со скоростью до 16 см в год.

Энергия деформации, накапливаемая в тектоноразломных областях геодинамических зон, в любую минуту может высвободиться из-за взаимного смещения плит в виде мощных сейсмических волн.

Кроме того, при значительных выплавках магмы на морском дне во время солнечной активности происходит перемещение объемов воды, приводящие к изменению сил тяжести планеты. Момент количества движения земного шара вращения дает старт крипу - течению высокопластичной мантии на границе мантия-литосфера. Порции вещества мантии при своем движении вздымают или опускают участки земной коры, задевают корни гор, активизируют существующие или образуют новые трещины в хрупкой литосфере, генерируют сейсмические волны.

Понимание этих закономерностей облегчает мониторинг и прогнозирование процессов. Действительно, пока идет подкачка солнечной энергии, на земном шаре задействованы все геодинамические процессы. Как только заканчивается максимум солнечной активности, они в основном прекращаются. Однако с возобновлением максимума солнечного цикла все процессы в земной коре активизируются. Причем, подчас, в тех участках, где накопилась достаточная деформация от предыдущих процессов, т.е. земная кора сохраняет наследственность напряженно-деформированного поля.

Необходимо учитывать техногенные процессы, связанные со строительством крупных объектов типа водохранилищ, гидроэлектростанций и т.д. Вторичные процессы могут быть вызваны неравновесными состояниями структуры земной коры, которые, в свою очередь, могут вызвать катастрофические землетрясения.

Таким образом, движущие силы эволюции земной коры включают в себя сейсмические, тектонические и другие геодинамические процессы.

Известен способ прогноза землетрясений, включающий регистрацию низкочастотного электромагнитного излучения с борта космического аппарата, дополнительного сканирования участков подстилающей земной поверхности в момент превышения излучения фонового уровня в рентгеновском диапазоне с энергией 2-2,5 кэВ и уточнение местоположения землетрясения по наличию и интенсивности превышающих ее фоновое значение не менее чем на 20 стандартных отклонений (см. RU, патент 2045086, кл. G 01 V 9/00, 1995).

Данный способ имеет низкую эффективность прогноза, т.к. измерения сейсмических возмущений электромагнитного поля Земли затруднены высоким уровнем его естественных и техногенных вариаций, которые обусловлены, например, возмущениями ионосферы или грозовой активностью.

Известен способ прогнозирования землетрясений, включающий определение приземной температуры и давления, проведение диагностики волнового режима атмосферы по данным об общем содержании озона в атмосфере и сравнение складывающихся изменений волнового режима атмосферы по низким и высоким частотам с типичными сейсмогенными тенденциями, выявленными по данным сети метеорологических наблюдений, по которым судят о примерной силе землетрясений (RU, патент 2170448, кл. G 01 V 9/00, 2001).

Однако данный способ имеет низкую достоверность прогноза, т.к. наличие большой сети метеостанций в сейсмоопасной зоне невозможно в условиях сложной орографии сейсмического пояса Земли.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сейсмического микрорайонирования, включающий регистрацию сейсмических характеристик, в том числе структуру тектонических разломов и суждение о наличии сейсмических опасностей в процессе сравнения исследуемой территории с эталонной моделью (RU, патент 2162606, кл. G 01 V 1/00, 2001).

Данный способ имеет низкую достоверность прогнозирования сейсмической опасности, т.к. при сравнении исследуемой территории с эталонной моделью не учитывается полностью все количество параметров данной территории.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности прогнозирования сейсмической опасности. Техническим результатом является повышение достоверности краткосрочного прогнозирования сейсмической опасности за счет измерения сейсмических характеристик исследуемой территории, которые являются следствием напряженно-деформированного состояния тектоноразломной обстановки данной территории.

Технический результат достигается в способе прогнозирования сейсмической опасности, включающем сейсморайонирование исследуемой территории, регистрацию сейсмических характеристик и линейных облачных аномалий с заданным интервалом, определение их плотности и энтропии, расстояния между двумя последовательными линейными облачными аномалиями и температуры той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, определение амплитуды упругих волн из соотношения:

где Т - период колебаний упругих волн по данным сейсморайонирования, м;
М - магнитуда по данным сейсморайонирования;
Т^o - температура той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, град;
τ₁ - длительность прохождения упругой волны через регистрирующую аппаратуру, с;
C_ν - плотность линейных облачных аномалий, ккал/с•м;
L - расстояние между двумя последовательными линейными облачными аномалиями, м;
t - интервал регистрации линейных облачных аномалий, с;
Р - энтропии линейных облачных аномалий, ккал/град;
τ - длительность сейсмической опасности, с.

и суждение о наличии сейсмической опасности при достижении амплитудой упругой волны величины амплитуды упругой волны, при которой достигается магнитуда, определяемая по данным сейсморайонирования.

Замеры температуры поверхности исследуемой территории осуществляют путем инфракрасного сканирования поверхности с борта космического аппарата. Регистрационную аппаратуру устанавливают в местах пересечения тектонических разломов и проекции линейных облачных аномалий.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в регистрации линейных облачных аномалий, в определении их плотности, энтропии, расстояния между двумя последовательными линейными облачными аномалиями и температуры той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, в определении амплитуды упругих волн из соотношения, приведенного выше, и суждении о наличии сейсмической опасности при достижении амплитудой упругой волны величины порогового значения. Это позволяет повысить достоверность краткосрочного прогнозирования сейсмической опасности. В предлагаемом способе пространственное положение активизировавшихся тектонических разломов определяют по двум сейсмическим характеристикам: линейным облачным аномалиям и температуре той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии.

Линейные облачные аномалии (общепринятое определение метеослужбами) - протяженные гряды облаков на фоне безоблачного пространства или в облачных полях безоблачные каньоны с резкими границами (Морозова Л.И. Облачные индикаторы геодинамики земной коры. //Физика Земли, 1993, 10, С. 108-112).

Время существования ЛОА определяется длительностью импульса возмущения геофизических полей, а также геохимическим выносом летучих в зоне активизировавшихся разломов. При напряженно-деформированном воздействии на тектоноразломную обстановку территории повышается ее энергетическое поле, что, в конечном счете, повышает также температуру поверхности данной территории.

При повторном обнаружении линейных облачных аномалий или при увеличении их количества судят о нарастании тектонической активности на территории, где также наблюдается повышение температуры ее поверхности, что фиксируется, например, тепловизорной съемкой земной коры с борта космического аппарата. Предлагаемый способ позволяет оценить истинные размеры территории, охваченной сейсмическим процессом, т.к. динамика температурных полей поверхности земной коры и линейных облачных аномалий в атмосфере является следствием динамики сейсмотектонических процессов.

Земная кора имеет разломно-блоковое строение. По краям блоков возрастает тектоническая активность, которая в зоне контакта блоков, на ее границах, достигает максимума, поскольку по разломам происходит перемещение и взаимодействие блоков. Планетарная сеть мегатрещинноватости создает условия наблюдать тектоническую активность на больших площадях, а локально-вытянутые облачные аномалии позволяют судить о сейсмической опасности.

Определение температуры поверхности исследуемой территории путем инфракрасного сканирования поверхности с борта космического аппарата и регистрации линейных облачных аномалий с того же аппарата позволяет одновременно наблюдать физические процессы, происходящие в различных геосферах, имеющих различную динамику.

Установка регистрирующей аппаратуры в местах пересечения тектонических разломов и проекции линейных облачных аномалий позволяет получать более достоверные данные геофизических наблюдений в активных геодинамических зонах, которые дают точечные координаты.

Способ прогнозирования сейсмической опасности осуществляется следующим образом. Регистрируют с заданным интервалом линейные облачные аномалии. Определяют их плотность, энтропию и расстояние между двумя последовательными линейными облачными аномалиями. Регистрацию линейных облачных аномалий (ЛОА) осуществляют, например, с борта космического аппарата, а заданный интервал регистрации ЛОА - время смещения ЛОА между двумя последовательными витками космического аппарата. Затем определяют температуру той части поверхности, над которой зарегистрированы ЛОА, например, путем сканирования поверхности с борта космического аппарата. После чего определяют амплитуду упругих волн из соотношения

где Т - период колебаний упругих волн по данным сейсморайонирования, м;
М - магнитуда по данным сейсморайонирования;
Т^o - температура той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, град;
τ₁ - длительность прохождения упругой волны через регистрирующую аппаратуру, с;
C_ν - плотность линейных облачных аномалий, ккал/с•м;
L - расстояние между двумя последовательными линейными облачными аномалиями, м;
t - интервал регистрации линейных облачных аномалий, с;
Р - энтропии линейных облачных аномалий, ккал/град;
τ - длительность сейсмической опасности, с.

Период колебания упругих волн и магнитуду берут из данных сейсморайонирования исследуемой территории, проведенного раннее, при котором была проведена регистрация сейсмических характеристик.

Для улучшения результатов прогнозирования сейсмической опасности регистрирующую аппаратуру устанавливают в местах пересечения тектонических разломов и проекции линейных облачных аномалий. После чего делают вывод о наличии сейсмической опасности при достижении амплитудой упругой волны величины порогового значения.

В основу метода оценки тектонической активности исследуемой территории в реальном времени (по оперативным спутниковым снимкам) с целью анализа космических снимков приняты литосферно-атмосферные связи, выраженные в появлении над активизирующимися разломами линейных облачных аномалий.

Поскольку максимум тектонической активности разломов наблюдается перед землетрясениями, сделан вывод о связи появления большого количества линейных облачных аномалий в регионе с последующими сейсмическими процессами, которые могут заканчиваться землетрясениями. Линейные облачные аномалии позволяют вычислять их линейные координаты.

По результатам наблюдений большинство протяженных линейных облачных аномалий на отдельных участках совпадают с фотолинеаментами подстилающей поверхности, выделенными на космических снимках по ее спектральным характеристикам. В процессе мониторинга отмечено, что узлы пересечения линеаментов совпадают с эпицентрами сильных землетрясений. Часть фотолинеаментов, не подтвержденных разломами, соответствуют скрытым тектоническим нарушениям. Именно в этих зонах идут процессы перестройки ранее возникших блоков земной коры. Таким образом, фотолинеаменты и линейные облачные аномалии - суть различные проявления одной или нескольких геофизических аномалий в литосфере.

Известно также, что количество выделившейся энергии в разломе прямо пропорционально протяженности его активного участка, поэтому при движении крупных блоков земной коры, над границами которых возникают линейные облачные аномалии, выделение такого количества энергии должно сопровождаться разрядкой напряженно-деформированного состояния сейсмотектонической обстановки в литосфере, сопровождающейся землетрясениями.

Мелкомасштабные космические снимки позволяют обозревать за несколько минут огромные пространства, включающие не одну тектоническую плиту, а также рои линейных облачных аномалий, достигающие в поперечнике несколько сотен км.

Таким образом, линейные облачные аномалии на космических снимках делают геодинамику "видимой". Оперативные метеорологические снимки являются оптимальными для спутникового мониторинга геодинамических процессов, в частности сейсмических. Организация мониторинга комплексных наблюдений, включая наземные, например сейсмические, позволяет во временном интервале от трех часов до трех дней предсказывать землетрясения.

Например, регион Ближнего Востока определяется сочетанием контрастных геодинамических режимов с достаточно сложным геологическим строением. Район характеризуется высокой сейсмической активностью, причем ее распределение по площади крайне неравномерно. Строение этого региона определяется мозаикой микроплит, возникших на границе крупных Африканской и Евроазиатской плит в мезозое-кайнозое (Морозова Л.И. Атмосферные индикаторы землетрясений Ближнего Востока. //Исследование Земли из космоса, 1993, 6, С.81-83).

Другим примером является западная часть Альпийско-Гималайского орогенического пояса, простирающегося от Гибралтара, на участке от Альп и Апеннин до Ирана, которая также является высокосейсмичной. Северной границей Альпийской складчатой области является зона глубинных разломов Кавказ-Копетдаг (Бунэ В.И., Скарятин В.Д., Полякова Т.П., Широкова Е.А. Схема тектонических линеаментов и распределение очагов землетрясений с М>6,3 в центральном участке Альпийской складчатой области. //Доклады АН СССР, 1976, Т. 230, 6, С. 13-23).

Эрзинджанский участок Северо-Анатолийской зоны разломов отличается значительными контрастами контактирующих горных пород при сложном тектоническом строении. Сдвиговые механизмы очагов крупных землетрясений в системе Анатолийских разрывов в Турции находятся в полном согласии с тектоникой этих областей. Здесь установлена субгоризонтальная ориентация как осей сжатия, так и осей растяжения. Однотипность в ориентации осей сжатия свидетельствует о некоторой связности тектонических процессов, охватывающих этот район. Ее следствием было возникновение за короткий срок последовательности крупных землетрясений на разных участках в районах: в 1988 г. - Спитакском, в 1990 г. - Рудбарском, в 1991 г. - Рачинском, в 1992 и 1999 г. - Эрзинджанском. Взаимодействие эпицентров землетрясений объясняется тем, что все даже мелкие разломы региона связаны с крупнейшими разломами Ближнего Востока в единую систему.

Оперативные метеорологические снимки оптимальны для спутникового мониторинга геодинамических процессов, в частности сейсмических.

В результате испытания метода оценки сейсмической активности территорий по атмосферным индикаторам установили специфическую для данного региона особенность облачных аномалий: рой линейных облачных аномалий (ЛОА) имеет вид пучка коротких ЛОА, возникающих над эпицентром слабых землетрясений. Этот признак присущ и сильным землетрясениям.

Крупномасштабные космические снимки не позволяют видеть фоновое пространство региона, но на них хорошо видны детали строения облачных аномалий, поэтому их целесообразно использовать в изучении природы ЛОА. Они, несомненно, должны дополнять мелкомасштабные космические снимки (КС) и использоваться с той же полнотой, что и режимные КС (до 8 сеансов в сутки).

Изучение последних является предметом спутниковой метеорологии - самостоятельного раздела физики атмосферы, поэтому дешифрированием облачных аномалий на КС пристало заниматься метеорологам (Морозова Л.И. Спутниковый мониторинг землетрясений. //Вестник ДВО РАН, 2001, 2, С.18-27).

Предлагаемый метод спутникового мониторинга, основанный на литоатмосферных связях, является высокотехнологичным, эффективным и экологически чистым.

В настоящее время интенсивно развиваются GPS-измерения, созданы специальные сети наблюдений, ориентированные на мониторинг деформаций ряда сейсмоактивных районов, накоплен опыт применения GPS-измерений для решения задач оценки сейсмической опасности и риска, а также определения характера скорости современных тектонических движений, прогноза опасности сильного развития деформаций земной поверхности, их связи с готовящимися сильными землетрясениями.

С целью определения сигнала сейсмической опасности рассчитывают шкалу сейсмоприемника на пороговое значение амплитуды упругих волн согласно микрорайонированию для данной территории.

Согласно 1-му и 2-му началу термодинамики внутреннюю энергию сейсмической территории можно представить в виде равенства
E-δQ-δA = 0,
в котором δQ - теплота рассеяния элементарным объемом сейсмической территории, δА - работа рассеяния механических сил элементарным объемом сейсмической территории (Б.М. Яворский, А.А. Детлаф, "Справочник по физике", М., Наука, 1980, стр.130).

Внутреннюю энергию сейсмической территории можно считать эквивалентной энергии, которая связана с величиной магнитуды следующим соотношением:
lgЕ(эрг)=аМ+b,
где а и b - коэффициенты, соответственно равные а=1,5; b=11,8.

В свою очередь магнитуда с амплитудой и периодом упругой волны связана соотношением:
М=lg(А/Т)+BlgΔ+ε,
где Δ - длина пути прохождения упругой волны до регистрирующей аппаратуры;
В, ε - константы, зависящие от условий расположения станции регистрации ("Природные опасности России, часть Сейсмические опасности". Изд. "КРУК", М. , 2000, стр.14, 16).

Соотношения между магнитудой М и энергией сейсмической территории представлены в табл.1.

Величину энергии рассеяния механических сил сейсмической территории можно связать с общей энергией излученных очагом упругих волн:
Е_c=С(А/Т)²t,
где А, Т - амплитуда и период колебаний в волне; t - длительность прохождения упругой волны через регистрирующую аппаратуру.

Величину энергии рассеяния теплоты линейных облачных аномалий можно связать с энтропией - теплотой рассеяния:
e_q=РТ^o,
где Р - энтропия линейных облачных аномалий.

Известна зависимость величины площади сейсмической территории, например, для 7-бальной зоны в зависимости от магнитуды (см. табл.2).

Таким образом, с учетом данных сейсморайонирования для каждой исследуемой территории сейсмического риска задают пороговое значение величины амплитуды упругой волны, при которой достигается магнитуда, определяемая по данным сейсморайонирования как сигнал наступления сейсмической опасности.

Величину абсолютной температуры Т^o определяют по данным тепловизорной спутниковой съемки как следствие возросшего напряженно-деформированого состояния тектонических плит, а величину скорости распространения напряжения определяют по смещению линейных облачных аномалий за один виток метеорологического спутника.

Итак, на основе полевых наблюдений и расчетов значения амплитуды упругих волн на шкале, например, сейсмоприемника задается полоса риска, при достижении которой подается сигнал сейсмической опасности.

Использование: в геофизике, в частности в сейсмологии для краткосрочного прогнозирования сейсмической опасности. Сущность: регистрируют с заданным интервалом линейные облачные аномалии (ЛОА). Определяют их плотность и энтропию, расстояние между двумя последовательными ЛОА. Затем определяют температуру той части поверхности, над которой зарегистрированы ЛОА. После чего определяют амплитуду упругих волн из заданного соотношения. Определение температуры поверхности исследуемой территории осуществляют путем сканирования поверхности с борта космического аппарата. Регистрацию ЛОА осуществляют с борта космического аппарата. Регистрирующую аппаратуру устанавливают в местах пересечения тектонических разломов и проекции ЛОА. О наличии сейсмической опасности судят при достижении величины амплитуды упругой волны, при которой достигается магнитуда, определяемая по данным сейсморайонирования. Технический результат: повышение эффективности прогнозирования сейсмической опасности. 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ прогнозирования сейсмической опасности, включающий сейсморайонирование исследуемой территории, регистрацию сейсмических характеристик и суждение о наличии сейсмической опасности, отличающийся тем, что регистрируют с заданным интервалом линейные облачные аномалии, определяют их плотность и энтропию, расстояние между двумя последовательными линейными облачными аномалиями и температуру той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, после чего определяют амплитуду упругих волн из соотношения

где Т - период колебаний упругих волн по данным сейсморайонирования, м;
М - магнитуда по данным сейсморайонирования;
Т^o - температура той части поверхности исследуемой территории, над которой зарегистрированы линейные облачные аномалии, град;
τ₁ - длительность прохождения упругой волны через регистрирующую аппаратуру, с;
C_ν - плотность линейных облачных аномалий, ккал/с•м;
L - расстояние между двумя последовательными линейными облачными аномалиями, м;
t - интервал регистрации линейных облачных аномалий, с;
Р - энтропии линейных облачных аномалий, ккал/град;
τ - длительность сейсмической опасности, с
и судят о наличии сейсмической опасности при достижении амплитуды упругой волны величины амплитуды упругой волны, при которой достигается магнитуда, определяемая по данным сейсморайонирования. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение температуры поверхности исследуемой территории осуществляют путем сканирования поверхности с борта космического аппарата. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию линейных облачных аномалий осуществляют с борта космического аппарата. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрирующую аппаратуру устанавливают в местах пересечения тектонических разломов и проекции линейных облачных аномалий.