СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕСРОЧНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01V9/00 

Область техники

Изобретение относится к способам определения предвестников землетрясений, в частности к определению среднесрочных предвестников сейсмических ударов.

Известен ряд способов диагностики и прогноза землетрясений [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7], которые, как показано в работах [1, 2], можно разделить на несколько основных типов (классов):

- статистическое прогнозирование, основанное на предположении о том, что последовательность землетрясений имеет статистический не меняющийся во времени характер.

Как показано в работе [1], этот тип способов прогноза применим лишь к долгосрочным прогнозам:

- тектоническое прогнозирование, как показано в работе [1], основная цель этих методов - изучение географического распределения сейсмического риска на некоторой территории или в стране;

- физическое прогнозирование "должно быть основано на четком понимании природы землетрясений". В качестве предсейсмических аномалий ранее пытались использовать изменение геомагнетизма, электрических токов и электросопротивлений, сейсмоколебаний и т.п.

Однако в действительности вероятность того, что какое-то аномальное изменение является предвестником землетрясения, не известно [1]. В частности, например, предсейсмические аномалии часто отмечались и при изучении многих других геофизических явлений в дополнение к необычному поведению рыб и животных [2]. Совпадение с последующими землетрясениями отмечено лишь в ~30%, причем не один из предлагавшихся способов за время их исследования и проверки не обеспечил ни одного достоверного прогноза катастрофического землетрясения, то есть предсказания места, силы и времени упреждения населения о надвигающемся сейсмическом событии с допусками, приемлемыми для практического использования [8, 9, 10, 11, 12]. Поэтому большинство сейсмологов и геофизиков, анализируя проведенные исследования, пришло к выводу о том, что современное состояние науки не позволяет дать точный прогноз землетрясений или даже к выводам о принципиальной невозможности подобного прогноза, поскольку землетрясения относятся к критическим явлениям в системе выведенной на грань неустойчивого равновесия [9, 10].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [3]. Сущность этого способа основана на измерении длительности аномальных сигналов, по которым определяют характеристики прогнозируемого землетрясения (по зависимостям, указанным в патенте). Недостатками прототипа и остальных известных авторам способов прогнозов являются:

- недостаточно высокий для практической эксплуатации коэффициент охвата аварийных ситуаций α (в нашем случае - процент достоверных прогнозов катастрофических землетрясений) и слишком высокие коэффициенты ложных прогнозов β; (β=1-α);

- малые различия величин диагностических параметров (признаков) при спокойном состоянии области эпицентра будущего землетрясения и во время, предшествующее надвигающемуся сейсмическому событию.

Малая величина отмеченного выше различия приводит (из-за влияния помех) к увеличению коэффициента β, а следовательно, к громадным убыткам, а главное к падению доверия населения к достоверности работы системы оповещения. Поэтому при очередном достоверном предупреждении часть населения может не принять его во внимание и погибнуть при сейсмическом ударе.

Сущность изобретения

Целью изобретения является увеличение достоверности определения среднесрочных предвестников землетрясений. Указанная цель достигается, если в принципе изменить схему выбора диагностических параметров системы прогнозирования.

Принципы построения подобных параметров могут быть поняты исходя из положений нелинейной, неравновесной термодинамики и созданных лауреатом Нобелевской премии И.Р.Пригожиным - теории открытых диссипативных и интерактивных систем, т.е. систем, управляемых положительными обратными связями и состоящих из большого количества взаимодействующих субсистем (именно такими и являются любые сложные, технические, природные и биологические системы, в том числе и организм человека) и теории бифуркаций, дифференцируемых на обратимые (равновесные) и необратимые (неравновесные) [13, 14, 15].

Подобный параметр можно построить используя, например, явления фликкер-шума (открытое в середине 20 века) и бифуркации (открытые Пуанкаре и Пригожиным), характеризующих развитие хаоса в системе перед ее катастрофическим разрушением.

Как известно фликкер-шум представляет собой избыточный (по сравнению с теоретически рассчитанным уровнем теплового шума системы) низкочастотный шум, мощность которого обратно пропорциональна частоте колебаний f (т.е. 1/f^z). Следовательно, огибающая спектральной плотности мощности фликкер-шума является гиперболой, а его мощность характеризует степень неравновесности системы - чем дальше система от состояния равновесия, тем больше степень хаоса в системе, а следовательно, тем больше мощность порождаемого фликкер-шума. Кроме того, известно, что мощность фликкер-шума не стабильна во времени - по мере эволюции системы к катастрофе его нарастание сопровождается апериодическими всплесками мощности. Например, на фиг.1 показана типичная запись сейсмографа (1), а на фиг.2 - амплитудно-частотный спектр сейсмического удара (остров Сахалин в 1997 году) (шифр землетрясения 97339). Как видно из фиг.2, спектр этого сейсмического удара полностью соответствуют отмеченным выше особенностям фликкер-шума. Поэтому изменение спектра виброколебаний и регистрация фликкер-шумов позволяет прогнозировать возможность катастрофы системы.

Учитывая изложенные выше теоретические соображения и полученные экспериментальные данные для решения подобной задачи, можно предложить диагностические параметры, характеризующие степень хаоса в системе, например:

где А_gн, А_gв - соответственно амплитуды виброперегрузок виброскоростей, или других величин в низкочастотных и высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров.

В большинстве случаев вместо диагностических параметров R₂ целесообразно использовать более эффективный параметр аналогичной структуры R₃, представляющий собой отношение спектральных плотностей мощности виброколебаний S в тех же частотных полосах, что и при применении параметра R₂, т.е.

где S - спектральная плотность виброколебаний:

н и в - индексы, обозначающие характерные для данной диагностируемой системы частотные диапазоны виброколебаний (в области низкой и высокой частоты).

Способ определения среднесрочных предвестников землетрясений реализуется следующим образом:

- фиксируемые сейсмостанциями в реальном масштабе времени цифровые данные измерений амплитуд виброскоростей (или виброперегрузок) сейсмоколебаний преобразуют (например, с помощью быстрого преобразования Фурье) в последовательность амплитудно-частотных спектров;

- для каждого спектра в реальном масштабе времени по формуле (1 или 2) вычисляются значения диагностических параметров R₂ или R₃, характеризующие степень хаоса в системе в данный момент времени;

- при достижении параметрами R₂ или R₃ значений, превышающих предельнодопустимые значения (пороговых R_2п.д. или R_3п.д.) выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического удара землетрясения;

- предельно допустимые значения R_2п.д. или R_3п.д вычисляются по формуле (3) как верхние доверительные границы распределений текущих значений R_2i(R_3i) с вероятностью Р и доверительной вероятностью γ заданными техническим заданием (Т.З).

где E(R_2i), σ(R_2i) и Е(R_3i), σ(R_3i), оцененные по экспериментальным данным сейсмостанций выборочной оценки математических ожиданий и стандартных отклонений значений R_2i(R_3i), измеряемых в относительно спокойные отрезки времени между землетрясениями:

K=f(N, α, γ):

где К - толерантный множитель, компенсирующий возможные ошибки в оценках R_2п.д (или R_3п.д), возможные при малом количестве экспериментов N, α=Р_т.з. - вероятность успешной работы системы диагностики землетрясений, установленная Т.З.

Чертежи иллюстрируют изменения сейсмограмм и диагностических параметров во времени по мере приближения землетрясения. На фиг.1 показана стандартная сейсмограмма, а на фиг.2 - амплитудно-частотный спектр в момент сейсмического удара Кронотского землетрясения в 1997 г. На фиг.3 и 4 показаны типичные формы структур суточного распределения диагностических параметров R₃ на протяжении первого и последующих дней записей Кронотского землетрясения на Южно-сахалинской и Турецкой сейсмостанциях.

Сведения, подтверждающие возможности осуществления изобретения

Для подтверждения возможности использования предлагаемого изобретения для среднесрочного прогнозирования землетрясений произведен компьютерный анализ цифровых записей виброскоростей и виброускорений 12 землетрясений с магнитудами от 5,9 до 8,4 баллов по шкале Рихтера, из которых 10 записей с длительностью от 10 часов до одного месяца (на Сахалине, Курилах и Камчатке). Каждое землетрясение записывалось на трех сейсмостанциях: Южно-Сахалинской, Магаданской и Петропавловской. Два землетрясения - одно в Греции и одно в Турции записаны на Кисловодской сейсмостанции, а одно в 1999 г. - Турецкой сейсмостанцией (17 дней). Среднесрочные предвестники надвигающихся землетрясений отмечены во всех проанализированных случаях.

Наибольшие времена упреждений - 16 и 29 дней получены при землетрясениях в Турции и на Сахалине (фиг.3, 4).

Источники информации

1. К. Моги. Предсказание землетрясений, - М.: Мир, 1988 г.

2. К. Касахара. Механика землетрясений, - М.: Мир, 1985 г.

3. М.А. Садовский, В.А. Моргунов. Способ оперативного прогнозирования землетрясении, патент №2075096 от 10.03.97, №7 - прототип.

4. А.Н. Марчук, В.Н. Дурчева и др. Способ прогнозирования землетрясений, патент №2068185 от 20.10.96, №29.

5. И.А. Кривошеев, Г.А. Иванов. Способ геофизического контроля горного массива, патент №2090905 от 20.09.97, №26.

6. В.Ф. Давыдов, А.С. Щербаков и др. Способ предсказания землетрясении, патент №2130195 от 15.02.2000.

7. “Природа”, №2. 1999 г. раздел “Сейсмология: Япония меняет сейсмологическую стратегию”.

8. “Природа”, №7. 1997 г., раздел “Сейсмология: Сейсмологическое прогнозирование безнадежно?”. Перепечатано из “New Scientist”, 1996 г, 152, №2056.

9. А.А. Никонов. Сейсмическая катастрофа в Турции, “Природа”, №11. 1999 г.

10. И.Р. Пригожин. Стенгерс. Изабелла “Новый диалог человека с природой”. - М.: Прогресс, 1986 г., 431 с.

11. И.Р. Пригожин. Постижение реальностей, “Природа”, №6, 1998 г.

12. П. Диаконис. Б. Эфрон. Статистические методы с интенсивным использованием Э.В.” Американская наука, №7.

13. Л.Н. Большев, К.В. Смирнов. Таблицы математической статистики.

Изобретение относится к области среднесрочного определения предвестников катастрофических сейсмических ударов, способных привести к крупным человеческим жертвам и убыткам. Согласно одному из вариантов заявленного изобретения способ включает регистрацию сейсмоколебаний и использование цифровых записей сейсмоколебаний в реальном масштабе времени. Цифровые записи сейсмоколебаний в реальном масштабе времени преобразуют в диагностический параметр R₂, характеризующий степень хаоса в системе в данный момент времени. Данный диагностический параметр определяют из отношения амплитуды виброперегрузок, виброскоростей или других величин в низкочастотных областях амплитудно-частотных спектров к значениям этих же величин в высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров. При достижении диагностическим параметром значений, превышающих предельно допустимые значения, выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического удара катастрофического землетрясения. Согласно второму варианту заявленного изобретения в качестве диагностического параметра используется величина, определяемая как отношение спектральных плотностей виброколебаний в низкочастотных областях амплитудно-частотных спектров к значениям этих же величин в высокочастотных областях амплитудно-частотного спектра. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ среднесрочного определения предвестников землетрясения, включающий регистрацию сейсмоколебаний, использование цифровых записей сейсмоколебаний в реальном масштабе времени, отличающийся тем, что цифровые записи сейсмоколебаний в реальном масштабе времени преобразуют в диагностический параметр R2, характеризующий степень хаоса в системе в данный момент времени,

R2=A_gB/A_gH,

где A_gB, A_gH - соответственно амплитуды виброперегрузок, виброскоростей или других величин в низкочастотных и высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров,

при достижении параметрами R2 значений, превышающих предельно-допустимые значения (R2_п.д.), выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического удара катастрофического землетрясения, причем предельно допустимые значения R2_п.д. вычисляют как верхние доверительные границы распределения текущих значений R2_i с заданной вероятностью Р и доверительной вероятностью γ по формуле

R2_п.д.=E(R2_i)+Кσ(R2_i),

где E(R2_i), σ(R2_i) - оцененные по экспериментальным данным сейсмостанций выборочные оценки математического ожидания и стандартного отклонения значений R2_i, измеряемых в относительно спокойные отрезки времени между землетрясениями,

K=f(N, α, γ),

где К - толерантный множитель, компенсирующий возможные ошибки в оценке Р2_п.д.;

α=Р - заданная вероятность успешной работы системы диагностики катастрофических землетрясений;

γ - заданная доверительная вероятность;

N - количество экспериментов.

R3=S_в/S_н,

где S_B и S_H - спектральные плотности виброколебаний в низкочастотных и высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров,

при достижении параметрами R3 значений, превышающих предельно допустимые значения (R3_п.д.), выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического удара катастрофического землетрясения, причем предельно допустимые значения R3_п.д. вычисляют как верхние доверительные границы распределения текущих значений R3_i с заданной вероятностью Р и доверительной вероятностью γ по формуле

R3_п.д.=E(R3_i)+Kσ(R3_i),

где Е(R3_i), σ(R3_i) - оцененные по экспериментальным данным сейсмостанций выборочные оценки математического ожидания и стандартного отклонения значений R3_i, измеряемых в относительно спокойные отрезки времени между землетрясениями,

K=f(N, α, γ),

где К - толерантный множитель, компенсирующий возможные ошибки в оценке R3_п.д.; α=Р - заданная вероятность успешной работы системы диагностики катастрофических землетрясений;

γ - заданная доверительная вероятность;

N - количество экспериментов.