СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения при обработке данных геофизических наблюдений для прогнозирования землетрясений.

Существует множество долговременных признаков подготовки землетрясения, регистрируемых системами наземных наблюдений. Систематизированный перечень известных признаков (см., например, Данные о предвестниках, в кн. Т.Рикитаке «Предсказание землетрясений» пер. с англ. М., Мир, 1979, табл.15.13, с.314-333). Известные признаки имеют продолжительные интервалы существования (годы), но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара.

Другой класс - краткосрочные признаки-предвестники. Они появляются за несколько суток (часов) до удара, но в силу своей скрытности не могут быть зарегистрированы существующими техническими средствами. Среди краткосрочных признаков-предвестников наиболее значимым является раскачка очага землетрясения перед ударом, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн с периодом 3,2-4,0 ч. (см., например, «Способ предсказания землетрясений» Патент РФ №2170446, 2001 г., G 01 V 9/00 - аналог).

В способе-аналоге размещают в сейсмоопасном регионе приемные станции космической навигационной системы (GPS), разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат (x_i, у_i, z_i) точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений Δx_i, Δу_i, Δz_i координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют гипотетический фазовый центр волн как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых определяют из соотношений:

и отождествляют его с центром очага, а время удара, t_x, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду (М) ожидаемого землетрясения вычисляют на основе регрессионных зависимостей где Т - период отклонений координат, dekr - натуральный логарифм отклонения координаты двух смежных периодов, d, l - коэффициенты регрессии.

Недостатками аналога являются:

- наличие скрытого участка нечувствительности, «мертвой зоны», ограниченной среднеквадратической ошибкой средств измерений GPS, сокращающих интервал упреждающего предсказания времени землетрясения;

- математическая неточность регрессионных зависимостей, в частности, чем больше период Т, тем больше время существования предвестника, и в соответствии с зависимостью Гутенберга-Рихтера магнитуда ожидаемого удара должна быть больше. Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ краткосрочного предсказания землетрясений», Патент РФ №2181205, G 01 V 9/00, 2002 г. В способе ближайшего аналога регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала A(t) в двух, разнесенных по координатам, пунктах, рассчитывают спектр Фурье 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, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания 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 с косинусом угла при вершине вычисляют период Т₀ параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду (час) 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; α - длина базы между двумя пунктами, v - скорость сейсмических волн в земной коре; B₁(0) В₂(0) - значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- математическая некорректность регрессионных зависимостей для расчета времени и магнитуды удара, в частности, чем больше время существования предвестника, тем магнитуда ожидаемого удара должна быть больше;

- большой объем массивов выборок измерений сейсмостанций, подлежащих передаче и непрерывной обработке, отсутствие стандартных программ их корреляционного анализа, затрудняющих техническую реализацию способа.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в расширении интервала времени упреждающего прогнозирования, повышении точности и достоверности расчета прогнозируемых параметров.

Поставленная задача решается тем, что в способе предсказания землетрясений, при котором создают в сейсмоопасном регионе систему из нескольких измерителей наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительных базах (b_i), регистрируют момент наступления периодических отклонений амплитуды сигнала A_i(t) наблюдаемого параметра для каждого измерителя, прогнозируют характеристики ожидаемого землетрясения по функции сигнала отслеживаемого параметра во времени, дополнительно в качестве наблюдаемого параметра используют дебит воды оборудованных скважин с нескольких горизонтов, формируют массив измерений сигнала наблюдаемого параметра, по массиву измерений специализированной программой вычисляют характеристики переходного процесса: постоянную времени Т огибающей амплитуды периодических отклонений установившееся значение огибающей амплитуды время запаздывания сигнала Δt_i в разнесенных точках измерителей, прогнозируют характеристики землетрясения из соотношений: время удара, отсчитываемое от начала периодических отклонений амплитуды t_у=4,7Т, магнитуду удара М как lgt_у[сут]=0,54M-3,37; гипотетический центр очага как точку пересечения линий, проведенных от середины баз, направляющие которых где D₁, D₂, D₃ - значения огибающей сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃; ϑ - скорость сейсмических волн в земной коре; α_i - угол между направлением прихода сейсмических волн и траверзой базы b_i.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - литосферные волны очага зарегистрированного землетрясения в способе-аналоге;

фиг.2 - функции сигналов дебита скважин;

фиг.3 - пеленгация очага по времени запаздывания сигналов в точках измерителей, разнесенных на базе b_i;

фиг.4 - огибающие сигналов для различных М;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. Из механики известно, что системы с большой потенциальной энергией, имеющие несколько степеней свободы, статически неустойчивы. К таким системам относится очаг землетрясения, т.к. деформированный объем породы очага не ограничен в своем движении по координатам. Накануне удара сила упругой отдачи становится соизмерима с силой сжатия. Вследствие асимметрии приложения этих сил относительно разлома в земной коре возникает момент, приводящий к раскачке очага землетрясения. Раскачка очага сопровождается распространением от него сверхнизких литосферных волн. Зарегистрированные литоферные волны очага накануне землетрясения в способе-аналоге иллюстрируются графиками фиг.1. Скорость распространения литосферных волн зависит от плотности породы земной коры и составляет: песчаник, глина, известняк от 0,7 до 2,5 км/с (см., например, К.Уотерс, «Отражательная сейсмология», пер. с англ., Мир, М., 1981 г., стр. 29-30). Литосферные волны характеризуются изменением давления (сгустки-разряжения) во фронте волны. Поскольку давление передается во все стороны одинаково, то изменение давления приводит к изменению дебита воды в специально пробуренных для этих целей водозаборных скважинах. Для повышения достоверности и устойчивости регистрации отслеживаемого параметра (дебита воды) скважины располагают на разной глубине от 600 м до 2,5 км, а для преобразования отслеживаемого параметра в электрический сигнал используют современные высокоточные (погрешность менее 1%) счетчики-расходомеры типа «Метран - 310 p - М 300 ПР-25» - ИО (ТУ 4218-027-12580824-98, концерн Метран, Россия, г. Челябинск, 454138, Http://www.metran/ru).

Счетчик-расходомер «Метран» состоит из виброакустического преобразователя «Метран-300 ПР» и вычислителя расхода «Метран-310 ВР». В указанной комплектации обеспечивается индикация следующих величин: объемного и массового расхода, накопленных объема и массы жидкости, текущего времени, суммарного времени работы. Диапазон измерений 100...250 см³/с, относительная погрешность ±0,72%. Данные выдаются на жидкокристаллический индикатор по запросу пользователя. Предусмотрена возможность программирования вычислителя с его клавиатуры и связь с ПЭВМ по каналу RS 232. Реализация функций сигнала дебита скважин иллюстрируется фиг.2. Раскачка очага и распространяющиеся от него литосферные волны представляют собой переходный колебательный процесс с нарастающей амплитудой от состояния покоя (момента возникновения) до удара («вспарывания» очага). Параметры переходного процесса содержат информацию о характеристиках ожидаемого землетрясения. Известно (см., например, Н.С.Пискунов, Дифференциальное и интегральное исчисление, учебник для вузов, том.1, издание 5-е, Наука, М., 1964 г., стр. 442-451), что искомая функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первой степени, а общим решением дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Следовательно, огибающая амплитуды раскачки очага представляет собой экспоненту. Начальные условия для решения дифференциального уравнения и вычисления постоянной экспоненты (Т) определяют путем обработки массива регистрируемых измерений наблюдаемого параметра. Программа обработки представлена в примере реализации. Графики огибающих переходного процесса иллюстрируются фиг.4. Экспоненциальная зависимость вида достигает максимального значения с вероятностью 0,99 при t_у=4,7Т, которое принимают за время ожидаемого удара (t_у), отсчитываемого от начала периодических отклонений наблюдаемого параметра. В соответствии с зависимостью Гутенберга-Рихтера (см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998, стр. 10) при известном времени существования предвестника в виде сейсмических волн магнитуду ожидаемого удара вычисляют из соотношения: lgt_у[сут]=0,54M-3,37.

Гипотетический центр очага землетрясения определяют методом пеленгации (см., например, «Теоретические основы радиолокации» под редакцией В.Е.Дулевича, учебник, Сов. Радио, М., 1964 г., стр. 34-48). Для чего предварительно вычисляют время запаздывания сигнала Δt_i в разнесенных на базе b_i точках измерителей. Разность хода литосферных волн, как это иллюстрируется фиг.3, составляет ΔR=R₁-R₂=b_i·sinα_i. Время прихода литосферных волн в каждом пункте вычисляют программным методом, путем сравнения относительного изменения амплитуды сигнала с пороговой величиной. За величину порога принимают среднеквадратическую ошибку измерителя «Метран», т.е. Временная задержка равна разности времен прихода сигнала в точках измерителей Δt_i=t₂-t₁. Отсчет проводят по синхронизованным таймерам компьютеров измерителей. Поскольку то направление на центр очага соответственно: где ϑ - скорость литосферных волн в земной коре, которую измеряют сейсмическими методами при создании измерительного полигона (см., там же, К.Уотерс, «Отражательная сейсмология»). Гипоцентр очага находят как точку пересечения нескольких линий, проведенных от середины баз под углами α_i к соответствующим базам. Чем больше база, тем выше крутизна пеленгационной характеристики и тем точнее результат определения гипоцентра очага.

Нарастающая амплитуда волн раскачки очага землетрясения приводит к увеличению дебита скважин, а именно появлению переменной составляющей сигнала. Полной характеристикой возникающего процесса является его мощность. По физическому смыслу мощность переменной составляющей есть дисперсия сигнала. Отслеживая изменение среднеквадратического значения дисперсии, получают функцию переходного процесса.

Расчетными параметрами переходного процесса являются: постоянная времени огибающей Т и ее установившееся значение Д_о. Из свойств экспоненты следует, что для любых двух моментов времени t₁, t₂ справедливо соотношение или Поскольку предельная прочность земной коры величина примерно постоянная, то и «вспарывание» очага землетрясения, определяемое динамическим напором колебательной массы, происходит при одном и том же D_o≅const. Разница в магнитуде ожидаемых землетрясений проявляется в разности постоянной времени огибающих, т.е. М₂>M₁ при T₂>T₁. Если измерения проводить через равные интервалы Δt=t₂-t₁=t₃-t₂, то значение D_o можно вычислить аналитически: Функции переходного процесса иллюстрируются графиком фиг.4.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема устройства фиг.5 содержит измерительный полигон 1 (типа Геофизической службы РАН, Камчатка), включающий несколько измерителей наблюдаемого параметра 2, разнесенных на измерительных базах 3 в составе водозаборных станций 4 (типа Морозная, Пиначево, Паратунка...), находящихся в различных геолого-структурных условиях с глубиной обсадных скважин 5 от 600 м до 2,5 км, с дебитом воды от 0,1 до 0,25 л/с. В каждой их обсадных скважин 5 установлен преобразователь-расходомер 6 (типа Метран-300 ПР) и вычислитель массового расхода воды 7 (типа Метран 310 ВР), подключенных к ПЭВМ 8 в стандартном наборе элементов: процессора-вычислителя 9, винчестера 10, оперативного ЗУ 11, таймера 12, дисплея 13, принтера 14, клавиатуры 15. Все ПЭВМ объединены в локальную сеть 16 полигона 1 и обеспечена синхронизация их таймеров.

Селектируемыми признаками сигнала-предвестника землетрясения являются: момент возникновения периодических отклонений (превышение сигналом установленного порогового уровня) и скорость изменения огибающей сигнала во времени. Скрытая информация о характеристиках предстоящего удара содержится в модулирующей функции сигнала-предвестника, изменяющейся синфазно с раскачкой очага. Выделение модулирующей функции сигнала-предвестника осуществляют по массиву регистрируемых измерений. Для чего в непрерывно получаемых выборках измерений определяют момент появления сигнала-предвестника. Затем вычисляют параметры переходного процесса. Извлечение скрытой информации из массива получаемых измерений реализуется следующей программой (см. в конце описания).

Текст программы записывают на винчестер 10 каждой ПЭВМ системы 16. В исходном состоянии система находится в дежурном режиме. При превышении амплитудой сигнала порогового уровня (задаваемого программой) в одном из измерительных пунктов программа формирует сигнал «Вызов оператора». Оператор вводит программу в режим слежения. Далее вычисляются задержки сигнала в точках размещения измерителей Δt₁, Δt₂, Δt₃. По результатам обработки массива измерений эти задержки составили величину Δt₁=6 сек, Δt₂=20 сек, Δt₃=24 сек. Средняя скорость литосферных волн для Камчатского полигона равна ϑ=1,7 км/с. Направляющие углы линий визирования Пиначево-Морозная, Пиначево-Паратунка, Морозная-Паратунка α₁=59°, α₂=71°, α₃=80°.

Расчетный гипотетический центр очага, определяемый как точка пересечения линий визирования соответствующих баз, находится в Охотском море, ≈100 км восточнее г.Оха, о.Сахалин.

По результатам обработки массива измерений вычислены параметры: Т=6 час, ожидаемое время удара t_у=4,7Т=1,18 сут, ожидаемая магнитуда удара М=6,1.

Элементы устройства выполнены на существующей технической базе. Эффективность способа определяется такими показателями, как достоверность, точность, оперативность. Чтобы не пропустить ожидаемое событие, система должна круглосуточно находиться в дежурном режиме. Достоверность способа определяется количеством независимых измерителей, а чувствительность - пороговым напряжением программы обработки. Устройство, реализующее способ, имеет возможность адаптации к измеряемому процессу путем изменения программ обработки, закладываемых в ПЭВМ системы.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при прогнозе катастрофических явлений. Согласно заявленному способу в качестве наблюдаемого параметра используют дебит воды оборудованных скважин с нескольких горизонтов. Формируют массив измерений сигнала наблюдаемого параметра. Вычисляют характеристики переходного процесса. Прогнозируют время, магнитуду и гипотетический центр очага землетрясения. Технический результат: повышение точности прогноза. 5 ил.

Способ предсказания землетрясений, при котором создают в сейсмоопасном регионе систему из нескольких измерителей наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительных базах (b_i), регистрируют момент наступления периодических отклонений амплитуды сигнала A_i(t) наблюдаемого параметра для каждого измерителя, прогнозируют характеристики ожидаемого землетрясения по функции сигнала отслеживаемого параметра во времени, отличающийся тем, что в качестве наблюдаемого параметра используют дебит воды оборудованных скважин с нескольких горизонтов, формируют массив измерений сигнала наблюдаемого параметра, по массиву измерений специализированной программой вычисляют характеристики переходного процесса: постоянную времени Т огибающей амплитуды периодических отклонений:

установившееся значение огибающей амплитуды D₀:

время запаздывания сигнала Δt_i в разнесенных точках измерителей;

прогнозируют характеристики землетрясения из соотношений: время удара, отсчитываемое от начала периодических отклонений амплитуды t_y=4,7Т; магнитуду удара М как lgt_у[сут]=0,54М-3,37, гипотетический центр очага как точку пересечения линий, проведенных от середины баз, направляющие которых

где D₁, D₂, D₃ - значения огибающей сигнала в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

Δt - интервал между моментами измерений t₁, t₂,t₃;

υ - скорость литосферных волн в земной коре;

α_i - угол между направлением прихода сейсмических волн и траверзой базы b_i.