СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01V9/00 

Способ относится к геофизике, в частности к оперативному прогнозу землетрясений, и может быть использован для прогноза времени, энергии и координат предстоящего землетрясения.

Среди способов оперативного прогноза землетрясений, основанных на приборной регистрации физических полей, известен способ прогнозирования времени наступления землетрясений, включающий измерение мощной инфранизкочастотной составляющей тока в земной коре и суждение по полученным данным о времени предстоящего землетрясения, отличающийся тем, что с целью повышения точности предсказания измеряют мощность инфранизкочастотной составляющей тока, а вывод о времени предстоящего землетрясения делают по аномальному возрастанию и скорости возрастания указанной составляющей тока (см. авторское свидетельство №1182462, МКИ G 01 V 3/14).

Однако существующий способ позволяет предсказать только время предстоящего землетрясения, тогда как для принятия решения о начале подготовительных защитных мероприятий, необходимо знать не только время, но и энергию землетрясения, территорию, которая может подвергнуться разрушению. Задача прогноза любого геодинамического события должна обязательно включать прогноз времени, энергии и координат этого события.

Известен также способ, основанный на измерении напряженности электромагнитного поля Земли в сейсмоактивном районе (см. авторское свидетельство №1193620, МКИ G 01 V 3/12). В данном способе для исключения вариаций электромагнитного поля Земли, не связанных с подготовкой землетрясения, в точке наблюдения периодически проводят не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, производят статистическую обработку данных и сравнивают полученные значения с заданными пороговыми значениями. Для определения координат предстоящего землетрясения сравнивают напряженности электромагнитного поля при сканировании сейсмоактивного района приемным устройством, перемещаемым с помощью летательного аппарата над поверхностью Земли. По этому способу будут пропущены многочисленные случаи подготовки событий, не сопровождающихся возрастанием напряженности электромагнитного поля. К возрастанию напряженности электромагнитного поля наряду с процессами подготовки землетрясений могут приводить суточные и годовые вариации полей, грозовые процессы, техносферные помехи и др. Ошибки, связанные с этими факторами, нельзя исключить на основании анализа двух последовательных измерений. Поэтому такой способ приводит не только к пропуску многих событий, но и к частым случаям "ложных тревог". Определение координат очага готовящегося землетрясения по данному способу на практике осуществить невозможно, так как это потребует непрерывного облета территории радиусом порядка 1000 км. Полученный результат в большинстве случаев будет ошибочным также и потому, что пространственные изменения напряженности электромагнитного поля в значительной мере зависят не от процессов подготовки геодинамического события, а от геологического строения земной коры. Неоднократные попытки, предпринимавшиеся различными исследователями, не подтвердили существование какой-либо связи между величиной максимума напряженности электромагнитного поля, энергией предстоящего события и расстоянием до эпицентра. Поэтому по данному способу не может быть предсказано ни время, ни энергия, ни координаты готовящегося землетрясения.

Наиболее близким техническим решением задачи оперативного прогноза землетрясений является способ, основанный на регистрации интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) (см. статью Малышкова Ю.П., Джумабаева К.Б., Омуркулова Т.А., Гордеева В.Ф. Влияние литосферных процессов на формирование импульсного электромагнитного поля Земли, прогноз землетрясений, журнал Вулканология и сейсмология, 1998, №1, с.92-105).

В данном способе для прогноза землетрясений проводят измерения суточных вариаций интенсивности потока электромагнитных импульсов в двух взаимно перпендикулярных направлениях приема. Дату события определяют по аномальному снижению интенсивности электромагнитных импульсов, а энергию и расстояние до очага готовящегося землетрясения приблизительно оценивают по степени такого снижения и длительности периода пониженной скорости счета. По данному способу будут пропущены землетрясения, не сопровождающиеся снижением интенсивности импульсного потока в точке наблюдения. И степень снижения, и длительность периода с пониженной интенсивностью определяются двумя факторами: энергией предстоящего землетрясения и расстоянием до эпицентра, которые неизвестны на стадиях подготовки события. Поэтому при составлении прогноза из-за невозможности разделения эти факторов найденные значения энергии могут отличаться от истинных значений на четыре порядка, т.е. в 10000 и более число раз. Выполненный нами статистический анализ показывает, что по данному способу можно оценить только предельные значения расстояний, сделать вывод о том, что землетрясение произойдет в определенной зоне. Для сильных землетрясений, которые представляют опасность, эта зона достигает 1000 и более километров. То есть землетрясение может произойти как на удалении в 1000 километров от станции наблюдения, так и на любом меньшем расстоянии. Такая неопределенность не позволяет обосновать решение о целесообразности или нецелесообразности объявления тревоги, проведения защитных мероприятий по обнаруженным предвестникам. При таком способе прогноза вероятность обнаружения процессов подготовки событий не превышает 80%, а вероятность ложных тревог составляет порядка (25-35) %.

Предлагаемым изобретением решается задача прогноза землетрясений в полном объеме: более точный прогноз времени, энергии и координат эпицентра предстоящего землетрясения.

Указанная цель достигается путем регистрации обнаруженных авторами изобретения строго закономерных волн напряжений и деформаций в земной коре (включающих и приливные деформации), имеющих строго определенный суточный ход, зависящий от географических координат местности, календарной даты и геологических особенностей территории. Эти волны обуславливают в каждой географической точке Земли свой, строго закономерный суточный и годовой ход движений Земной коры и ее структурных элементов, определенную периодичность в процессах взаимодействия структурных элементов между собой, увеличение или уменьшение сил их взаимодействия. Далее для обозначения этих процессов будем использовать термин интенсивность естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ).

Заключительный этап подготовки землетрясения начинается с момента нарушения (разрегулирования) ритмов суточного хода ЕИЭМПЗ в некоторой ее области. В период разбалансировки этой части земной коры из относительно подвижной, гибкой в малоподвижную громоздкую систему происходит возмущение и постепенное возрастание потенциальной энергии в такой нарушенной области. Землетрясение является актом возвращения системы в свое первоначальное состояние путем выделения накопленной потенциальной энергии в виде энергии землетрясения.

Из-за относительно небольшой толщины земной коры по сравнению с площадью территории, на которой происходят нарушения суточного хода ВИЭМПЗ при прогнозе энергии события в качестве меры накопленной энергии, вместо объема можно использовать значение площади территории с обнаруженными изменениями суточного хода ЕИЭМПЗ. Координаты эпицентра предстоящего землетрясения будут, как правило, близки к координатам центра территории, в которой произошли нарушения ритмов. В некоторых случаях возможно частичное отклонение координат эпицентра от центра территории с аномальными значениями ЕИЭМПЗ. Поэтому на стадии прогнозирования координат готовящегося процесса необходимо не только определить геометрический центр этой зоны, но и проанализировать возможность отклонения эпицентра события от центра зоны аномалии. Такие отклонения возможны из-за присутствия в этой зоне каких-то особых структурных нарушений, например мощных геологических разломов, концентрирующих напряжения.

Авторами изобретения установлено, что энергия события будет определяться также длительностью времени пребывания возмущенной зоны в разрегулированном состоянии. Поскольку на момент составления прогноза точное время события еще неизвестно, то прогнозируемую энергию события предварительно оценивают по площади "аномальной" территории и времени, прошедшему от начала обнаружения аномалии до момента составления прогноза. Затем, если событие еще не произошло, то прогнозируемую энергию события постепенно увеличивают в соответствии с увеличением размеров регистрируемой аномалии и длительностью ее существования. Сильное землетрясение обычно происходит не ранее 4-5 суток после начала образования консолидированной системы и нарушения суточного хода ЕИЭМПЗ. Длительность всего процесса от момента образования до распада консолидированных структур обычно не превышает 10-15 суток. Радиус территории с нарушенным суточным ходом ЕИЭМПЗ для опасных землетрясений, как правило, превышает 400-500 км.

Для прогноза землетрясений, в принципе, может использоваться любой метод, обладающий достаточной чувствительностью к глубинным деформационным процессам в земной коре, позволяющий выделить ритмы движения земной коры на фоне помех.

Использование импульсных электромагнитных полей основано на том, что движение и связанное с ним взаимное перемещение элементов земной коры сопровождается процессами преобразования механической энергии в электромагнитную. Следствием механоэлектрических преобразований энергии в массивах горных пород является поток электромагнитных импульсов из литосферы. Изменение во времени интенсивности этого потока воспроизводит ритмы движения земной коры и может быть использовано как инструмент обнаружения момента нарушения такого движения накануне землетрясения. Повышение точности достигается тем, что в отличие от прототипа для прогноза землетрясений используются не временные, а пространственно-временные вариации естественного импульсного электромагнитного поля Земли. О характеристиках предстоящего землетрясения судят по геометрическим размерам территории, на которой обнаружены предвестники, характеру изменения размеров этой территории с течением времени и характеристикам предвестников в различных точках такой территории. За наиболее вероятный эпицентр события принимают точку, находящуюся в центральной части выявленной аномальной территории, расположенную на ближайшем к центру активном геологическом разломе или на ближайшей к центру точке пересечения нескольких разломов. Предполагаемый эпицентр события должен также отличаться от остальных точек наиболее сильными и наступившими раньше, чем в других точках отклонениями регистрируемого суточного хода от типичного хода естественного импульсного электромагнитного поля Земли.

Отличия заключаются еще и в том, что признаком начала заключительных стадий подготовки события и образования области подготовки землетрясения является не просто факт снижения интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли, а факт очень быстрого (в течение нескольких часов), скачкообразного изменения интенсивности в несколько раз по сравнению с предыдущими часами. В качестве предвестника землетрясения принимаются случаи, когда такие изменения интенсивности произошли хотя бы по одному из направлений приема сигнала, одному каналу станции, регистрирующей ЕИЭМПЗ. Медленное, постепенное снижение интенсивности в течение нескольких суток с сохранением типичного суточного хода ЕИЭМПЗ не считается предвестником землетрясения и является результатом воздействия на электромагнитные поля физических процессов, не связанных с подготовкой землетрясения. Необходимость измерения электромагнитных полей не менее чем в двух направлениях регистрации сигнала обусловлена тем, что в некоторых случаях элементы земной коры теряют только часть степеней свободы, например, по направлению действия главных тектонических напряжений. Поэтому при регистрации движений земной коры только в одном пространственном направлении часть событий будет пропущена.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

на фиг.1 показаны типичные суточные изменения интенсивности ЕИЭМПЗ (январь - июнь);

на фиг.2 - то же, что и на фиг.1 для июля - декабря месяцев;

на фиг.3 - аномальное поведение электромагнитных полей перед землетрясениями;

на фиг.4 - результаты работы станции по наблюдению за вариациями ЕИЭМПЗ в Прибайкалье;

на фиг.5 - пример определения границы зоны обнаружения предвестников в зависимости от энергетического класса предстоящего землетрясения;

на фиг.6 показан реальный пример обнаружения предвестников землетрясения двумя станциями наблюдения;

на фиг.7 показана зависимость степени снижения интенсивности импульсного потока от удаленности очага предстоящего землетрясения;

на фиг.8 показана зависимость длительности предвестника от энергетического класса предстоящего землетрясения.

Примеры прогноза времени землетрясения

Наблюдения за вариациями интенсивности импульсных электромагнитных полей велись непрерывно в течение 12 лет (1978-1990) на территории Северного Тянь-Шаня и начиная с июня 1997 года по настоящее время вблизи станции Слюдянка (сейсмостанция Талая) Иркутской области с помощью разработанных нами станций наблюдения. В качестве приемников импульсов служили две ферритовые магнитные антенны. Импульсы регистрировали в диапазоне очень низких частот. Ритмичное движение земной коры хорошо выявляется только при определенной оптимальной чувствительности станций. Чувствительность выбирали в соответствии с местными геофизическими условиями так, чтобы регистрируемая станцией интенсивность сигнала была близка по своим значениям к интенсивности "типичного" суточного хода (фиг.1, 2).

На фиг.1 показаны типичные суточные изменения интенсивности ЕИЭМПЗ (январь - июнь), полученные нами на основании многолетних наблюдений за вариациями ЕИЭМПЗ в Прибайкалье.

На фиг.2 - то же (июль - декабрь).

При настройке чувствительности после одного или нескольких часов работы станции определяли среднечасовые значения интенсивности регистрируемого сигнала (количество импульсов, зарегистрированных за один час наблюдений). Полученные значения сравнивали с соответствующими значениями интенсивности на фиг.1, 2. Если зарегистрированная интенсивность была меньше, чем должна быть в соответствующий месяц года и соответствующий час измерений, то чувствительность станции повышали, если больше - снижали. Повторяя эту операцию, добивались, чтобы разница между измеряемыми и рекомендуемыми нами значениями интенсивности не отличалась более чем в полтора-два раза.

Далее вели непрерывные наблюдения за временными вариациями естественного импульсного электромагнитного поля Земли. Моменты нарушения ритмов, связанных с подготовкой землетрясения, определяли по резкому снижению интенсивности счета импульсов или существенному, достаточно длительному (не менее 2-3 суток) отклонению суточных ходов, регистрируемых станцией от нормального для данного времени года суточного хода.

На фиг.3. показаны примеры аномального поведения электромагнитных полей перед некоторыми землетрясениями в Прибайкалье, направление приема сигнала Север-Юг.

Для исключения субъективизма при оценке эффективности определения времени предстоящего землетрясения обычно пользовались программой автоматического выявления предвестников "МС-1".

На фиг.4. показан фрагмент работы программы, где приведены результаты первых 16 месяцев работы одной из станций наблюдения за вариациями ЕИЭМПЗ в Прибайкалье. Затемненными прямоугольниками отмечены интервалы времени, когда программа "МС-1" обнаруживала в показаниях станции аномальные участки в вариациях электромагнитных полей. Станция имеет два канала для приема полей в направлении Север - Юг и Запад - Восток. Прямоугольники выше нулевой линии - аномальные интервалы, обнаруженные при анализе показаний одного канала станции, а ниже нулевой линии - другого канала. Предвестниками считали случаи, когда хотя бы по одному из каналов выявлялись аномальные интервалы.

На основе анализа работы станции в Прибайкалье установлено, что предвестники обнаруживаются, если затем произойдет землетрясение, приводящее к смещениям почвы в Талой (в S-волне) свыше 0,3 мкм (интенсивность землетрясения выше 0,4-0,5 балла). Все наиболее значимые для Талой землетрясения, давшие смещения свыше 0,3 мкм, нанесены на фиг.4. в виде вертикальных черточек (98 землетрясений). Высота черточек, поставленных в момент прихода сейсмической волны, соответствует смещениям почвы, зафиксированным сейсмостанцией "Талая", геофизической службы СО РАН (сейсмостанция и наша станция наблюдений располагались в одном помещении).

Мы также учитывали, что землетрясение обычно происходит не раньше полусуток после обнаружения предвестника и не позднее трех последующих суток после окончания предвестника.

Итак из 98 наиболее значимых для нашего пункта наблюдений землетрясений программой "МС-1" накануне события обнаружены предвестники для 71 событий (в число обнаруженных включены все землетрясения, отмеченные на фиг.4. вертикальными черточками, произошедшие не ранее полусуток после обнаружения предвестника и не позднее трех последующих суток после его окончания).

Не обнаружены предвестники для 27 событий. Следовательно, вероятность правильного обнаружения процессов подготовки события составила 72%. Вероятность пропуска событий - около 28%. Общее число сделанных прогнозов (выявленных программой аномальных интервалов времени) составило 53 случая. Ложных тревог (когда программа выделяла предвестники, а землетрясения не происходили ни в дни предвестников, ни в последующие трое суток) было 14 случаев (22 и 27-29 августа, 12-13 и 15-16 сентября, 30 октября - 4 ноября 1997 г. и т.д.).

Таким образом, вероятность ложных тревог не превышает 0,25-0,3.

Приведем еще один вид проверки эффективности предложенного способа. Подсчитаем на фиг.4. число опасных дней, когда программа обнаруживала предвестники (не забудьте добавить трое опасных суток после окончания предвестника) и число неопасных дней, когда предвестники не обнаруживались. Опасных дней окажется 260, неопасных 201. Их даты указаны в соответствующих столбцах на фиг.4. В опасные дни произошло 71 значимое для нашего района землетрясение, а в неопасные 27. Делим число землетрясений на число соответствующих дней, получаем, что вероятность землетрясения в опасные дни более чем в 2 раза превышала вероятность такого землетрясения в неопасные дни. Аналогичные цифры получаются и при анализе других периодов работы станции в Прибайкалье.

Примеры прогноза энергии предстоящего землетрясения

Оценку возможности определения энергии землетрясения по площади или радиусу (R) территории с аномальными вариациями интенсивности электромагнитных полей выполним по результатам наших многолетних наблюдений за вариациями ЕИЭМПЗ в сейсмоактивных районах Северного Тянь-Шаня (фиг.5).

На фиг.5 показан пример определения границы зоны обнаружения предвестников в зависимости от энергетического класса предстоящего землетрясения. Светлые кружочки - землетрясения не дали предвестников, темные кружочки - предвестники регистрировались. Зависимость получена на основании анализа результатов наблюдения ЕИЭМПЗ в Киргизии в период с 1980 по 1984 годы и доказывает явную взаимосвязь размеров зоны аномального поведения полей с энергией предстоящего землетрясения. Представленная зависимость может быть использована для определения энергетического класса (К) готовящегося землетрясения либо непосредственно по графику на фиг.5, либо по эмпирической зависимости

K=3,45lg(R/R₀)+1,59

где R - радиус зоны с нарушенными вариациями ЕИЭМПЗ в километрах; R₀ - коэффициент, имеющий размерность "километр" и равный единице.

Как видно из представленного чертежа, радиус территории с нарушенными ритмами движения земной коры может достигать для сильных разрушительных землетрясений 1000 и более километров. Поэтому сеть станций наблюдения, необходимая для оперативного прогноза землетрясений по данному способу, должна охватывать достаточно большую территорию, выходящую за пределы наиболее активных сейсмических районов.

На фиг.6. показан реальный пример обнаружения предвестников одного и того же землетрясения двумя станциями наблюдения, разнесенными между собой на расстояние 270 километров. Одна станция наблюдения располагалась в Талой, другая на окраине г. Улан-Удэ. Землетрясение 12 энергетического класса произошло 30 сентября 1998 года в 20 часов 7 минут по Гринвичу.

Если существующее число станций не позволяет точно определить площадь территории с нарушенными ритмами движения земной коры, то в такой ситуации прогноз энергии и координат предстоящего события можно осуществить путем сравнения показаний различных станций наблюдения. Вначале выбирается станция, наиболее близко расположенная к эпицентру события. Для этого сравниваются времена появления аномалии на каждой из существующих станций и степень снижения интенсивности ЕИЭМПЗ в период аномалии (ΔN). Степень снижения определяется как

ΔN=N_{ср.предш} - N_{ср.текущ}

где N_{ср.предш} - средние значения интенсивности ЕИЭМПЗ за 5-7 дней, предшествующих аномалии; N_{ср.текущ} - средние значения интенсивности ЕИЭМПЗ в период аномалии.

Ближайшей к эпицентру считается та станция, где аномалия проявилась раньше, чем на других станциях, а ΔN имела наибольшие значения по сравнению с другими станциями. Возможное удаление эпицентра от этой ближайшей станции оценивается по кривой на фиг.7 по найденным значениям ΔN. На фиг.7 показана зависимость степени снижения интенсивности импульсного потока от удаленности очага предстоящего землетрясения.

Ориентировочные значения энергии предстоящего землетрясения определяются по найденной нами зависимости длительности предвестника (Δt), определенной на момент составления прогноза, от энергетического класса (К) или магнитуды (М) предстоящего события (фиг.8). На фиг.8 показана зависимость длительности предвестника Δt (в часах) от энергетического класса (К) предстоящего землетрясения.

Если землетрясение еще не произошло, а станция продолжает фиксировать аномальные значения электромагнитных полей, то прогнозируемую энергию ожидаемого землетрясения постепенно увеличивают в соответствии с увеличением фактической длительности регистрируемого предвестника.

Наши многолетние наблюдения и анализ процессов подготовки землетрясения показывает, что на некоторых участках территории с нарушенным суточным ходом ЕМЭМПЗ могут происходить кратковременные подвижки отдельных элементов земной коры и их повторные более прочные зацепления. Такие подвижки будут сопровождаться кратковременным (не более 10-15 часов) повышением интенсивности ЕИЭМПЗ. При оценке длительности предвестника такие непродолжительные всплески интенсивности полей необходимо игнорировать и включать такие часы в общую длительность предвестника, а при оценке степени снижения ΔN наоборот исключать из рассмотрения такие часы и рассчитывать N_{ср.текущ} без этих часов.

Изобретение относится к геофизике, в частности к оперативному прогнозу землетрясений, и может быть использовано для прогноза времени, энергии и координат предстоящего землетрясения. Согласно заявленному способу осуществляют проведение синхронных измерений интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ) в нескольких пунктах контролируемого региона. Измерения в каждой точке ведут не менее, чем в двух различных направлениях приема сигналов. Чувствительность регистрирующей станции выбирают в соответствии с местными геофизическими условиями таким образом, чтобы регистрируемая станцией интенсивность ЕИЭМПЗ была близка по своим значениям к интенсивности типичного суточного хода ЕИЭМПЗ. Выделяют аномальную территорию по наличию скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ по сравнению с суточными вариациями ЕИЭМПЗ полей, измеренных накануне или в предыдущие годы в эти же календарные дни, в относительно сейсмически спокойные периоды. Отождествляют положение эпицентра прогнозируемого землетрясения с координатами точки, расположенной в центральной части аномальной территории и характеризующейся наиболее сильными и наступившими раньше, чем в других точках изменениями интенсивности ЕИЭМПЗ. Прогнозируют начало землетрясения через 10-15 суток после начала регистрации скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ. Оценивают энергетический класс (К) прогнозируемого землетрясения. Технический результат - более точный прогноз времени, энергии и координат эпицентра предстоящего землетрясения. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ оперативного прогноза землетрясений, включающий проведение синхронных измерений интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ) в нескольких пунктах контролируемого региона, при этом измерения в каждой точке ведут не менее чем в двух различных направлениях приема сигналов, а чувствительность регистрирующих станций выбирают в соответствии с местными геофизическими условиями таким образом, чтобы регистрируемая станциями интенсивность ЕИЭМПЗ была близка по своим значениям к интенсивности типичного суточного хода ЕИЭМПЗ, выделяют аномальную территорию по наличию скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ по сравнению с суточными вариациями ЕИЭМПЗ, измеренными накануне или в предыдущие годы в эти же календарные дни, в относительно сейсмически спокойные периоды, отождествляют положение эпицентра прогнозируемого землетрясения с координатами точки, расположенной в центральной части аномальной территории и характеризующейся наиболее сильными и наступившими раньше, чем в других точках изменениями интенсивности ЕИЭМПЗ, прогнозируют возможность слабого землетрясения в течение ближайших нескольких суток, а сильного через 5-10 суток после начала регистрации скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ, оценивают энергетический класс (К) прогнозируемого землетрясения по формуле

К=3,45lg(R/R₀)+1,59,

где R - радиус аномальной территории с зарегистрированным скачкообразным изменением интенсивности ЕИЭМПЗ в километрах;

R₀ - коэффициент, имеющий размерность километр и равный единице,

прогнозируют сильное землетрясение при R больше 500 км, прогнозируют катастрофическое землетрясение при R более 1000 км, уточняют прогноз по мере изменения размеров и времени существования аномальной территории.