СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике и может найти применение в сейсмологии при создании полигонов геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.

На настоящий момент выявлено множество долговременных признаков-предвестников землетрясения. Данные о предвестниках [см., например, в кн. Т.Рикитаке «Предсказание землетрясений», перев. с англ. М.: Мир, 1979 г., табл.15.13, стр.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 отсутствия постоянно действующих систем их измерений и круглосуточных дежурных смен эксплуатации таких систем, не могут быть своевременно обнаружены. Среди наиболее значимых краткосрочных признаков-предвестников, выявленных и измеренных средствами глобальной навигационной системы позиционирования (GPS, NAVSTAR) является раскачка очага землетрясения перед ударом. Раскачка сопровождается распространением от гипоцентра очага сверхдлинных литосферных волн с периодом 3...3,5 час [см., например, «Способ предсказания землетрясений», Патент RU №2170446, G01V 9/00, 2001 г.]. Известен и такой признак-предвестник землетрясения, как изменение спектра шумов сейсмического фона, так называемое «затишье», непосредственно перед ударом. Последнее явление объясняется взаимодействием в инерционной среде, которой является земная кора, сверхдлинных литосферных волн раскачки очага землетрясения и волнового спектра исходного сейсмического фона.

Известен «Способ поглощения шумов», Патент RU №2078477, G10K 11/16, 1997 г. - аналог, в котором используется явление поглощения звуковых волн инфразвуковым тоном. Способ-аналог включает выявление источников сверхнормативного шума, размещение на расстоянии λ/6 от выявленного источника излучателей инфразвукового тона с длиной волны λ, при удалении друг от друга d>λ/π, излучение в окружающее пространство инфразвуковой волны, интенсивность которой определяют из соотношения:

где ΔL - величина превышения уровня шумов над санитарной нормой, дБ,

Р - интенсивность звукового давления, создаваемого излучателем инфразвукового тона, дБ,

P_ш - максимальная интенсивность шума на гармонике, дБ,

λ, λ_ш - длины волн инфразвукового тона и выявленной гармоники сверхнормативного шума, м.

Недостатком аналога является невозможность непосредственного использования ввиду разнородности происходящих физических процессов и целей по извлечению полезной информации из спектра сейсмического фона.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ предсказания землетрясений», Патент RU №2270465, G01V 9/00, 2006 г. Функциональная схема ближайшего аналога содержит измерительный полигон, включающий несколько измерителей наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительных базах в составе водозаборных станций с глубиной обсадных скважин до 2,5 км и дебитом воды до 0,25 л/с, в каждой из которых установлен расходомер с вычислителем расхода воды, подключенным к ПЭВМ в стандартном наборе элементов: процессор, оперативное ЗУ, винчестер, дисплей, принтер, клавиатура. Все ПЭВМ объединены в локальную сеть полигона и обеспечена синхронизация их таймеров. Недостатками ближайшего аналога являются:

- отсутствие во многих сейсмоопасных регионах планеты источников с непрерывным дебитом воды из глубоких скважин и, как следствие, невозможность непосредственного использования;

- существенный интервал нечувствительности измерителя на начальной стадии процесса в силу малых амплитуд раскачки очага и инерциальности носителя информации (расхода воды).

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

Технический результат достигается тем, что система измерений предвестника землетрясений, включающая измерители наблюдаемого параметра, разнесенные на измерительной базе полигона, каждый из которых содержит глубокую обсадную скважину с установленным в ней датчиком-преобразователем, подключенные к сети синхронизированных по времени ПЭВМ обработки регистрируемой информации, дополнительно скважины пробурены до коренной породы геолого-структурного образования, в каждую из скважин на твердое основание опущена инерционная масса с прикрепленными к ее граням датчиками сейсмического фона, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях по координатам х, y, причем плоскость грани х совпадает с направлением измерительной базы, каждый из датчиков подключен на вход тракта обработки, состоящего последовательно из усилителя, анализатора спектра, детекторной секции, аналогово-цифрового преобразователя и ПЭВМ.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - функциональная схема системы измерений;

фиг.2 - спектр а) невозмущенного и б) возмущенного сейсмического фона;

фиг.3 - сверхдлинные литосферные волны раскачки очага землетрясения;

фиг.4 - динамика изменения результирующей мощности сейсмического процесса накануне удара;

фиг.5 - определение гипоцентра очага методами аналитической геометрии.

Система измерений предвестника землетрясений фиг.1 содержит: оборудованный на соответствующем геолого-структурном образовании полигон 1 с пробуренными обсадными скважинами 2, разнесенными на измерительной базе 3. В каждую из скважин на твердое основание коренной породы опущена инерционная масса 4 с прикрепленными датчиками сейсмического фона 5, 6, расположенными на взаимно перпендикулярных гранях инерционной массы 4, со встроенными усилителями 7, 8 сигналов датчиков. На поверхности Земли (снаружи обсадных скважин) каждый усилитель подключен к тракту обработки 9 из последовательно подключенных анализатора спектра 10, детекторной секции 11, аналогово-цифрового преобразователя 12, устройства ввода 13, ПЭВМ 14 в стандартном наборе элементов: процессора 15, оперативного ЗУ 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Инерционные массы внутри обсадных скважин ориентированы так, чтобы плоскость грани х совпадала с направлением базы 3. Выходы усилителей 7, 8 подключены также ко входу устройства ввода 13. Все ПЭВМ полигона объединены в сеть, а их таймеры синхронизированы по времени.

Динамика взаимодействия элементов системы при прогнозе землетрясений состоит в следующем. В исходном, не возмущенном состоянии за счет форшоков в литосфере распространяются слабые сейсмические волны, образующие стационарный сейсмический фон, со спектром акустических шумов в интервале от 0 до 30 Гц. Спектр шумов сейсмического фона иллюстрируется фиг.2 (распечатка со спектроанализатора). Для исключения влияния наземных источников на характеристики стационарного сейсмического фона его измерения проводят в толще земной коры, в специально пробуренной до коренной породы обсадной скважине глубиной больше 1 км. В частности, для Камчатского геофизического полигона (РАН), в проведенном эксперименте глубина скважины составила 1020 м. Накануне удара в литосфере за счет раскачки очага землетрясения от него распространяются сверхдлинные литосферные волны, иллюстрируемые графиком фиг.3 [см., например, ближайший аналог, а также Патент RU №2170446, 2001 г.]. Взаимодействие в инерционной среде (к которой относится земная кора, имеющая удельную плотность 1,3...2,5 т/м³) уединенной волны очага землетрясения и спектра сейсмического фона приводит к поглощению высокочастотных составляющих уединенной волной, т.е. среда действует как фильтр нижних частот. О физической сущности происходящего процесса см., например, Потоцкий В.В. «Регистрация научных открытий», Санкт-Петербург, Изд-во «Сударыня», 2004 г., стр.134-135. Открытие №62 «Явление поглощения спектральных составляющих волнового процесса уединенной волной». Как и при модуляции, мощность сейсмического фона переносится из одной области частот в другую, в данном случае в область сверхнизких частот. Поскольку частота несущей составляет ˜10^-4 Гц, а шкала измерений известных регистрирующих приборов начинается с 2 Гц (см., например, Bruel & Kjair, ENDEVCO, Дания, Комплект виброизмерительной техники), то сейсмический фон просто пропадает из диапазона измерений или наблюдается так называемое «затишье». Чем больше амплитуда сверхнизких литосферных волн раскачки очага, тем интенсивнее поглощение спектральных гармоник сейсмического фона. Согласно аналогу поглощение пропорционально логарифму отношений амплитуд и длин волн очага и сейсмического фона, а согласно ближайшему аналогу нарастание амплитуды волн раскачки очага происходит по экспоненте. Подставляя аналитическую зависимость амплитуды раскачки в исходную функцию аналога, получают выражение для динамики изменения результирующей мощности сейсмического процесса, измеряемого на выходе детекторной секциии 11. График функции отслеживаемого процесса иллюстрируется фиг.4. Он представляет собой убывающую экспоненту. Из свойств экспоненты известно, что касательная к ней в любой точке отсекает от оси абсцисс отрезок, равный постоянной времени экспоненты (Т). Сигнал с выхода детекторной секции 11 поступает для оцифровки в аналогово-цифровой преобразователь 12 и далее вводится в ПЭВМ. Имеется возможность контролировать начало изменения сейсмического фона визуально по изменению спектра на спектроанализаторе и количественно по изменению оцифрованных значений амплитуды результирующей мощности на экране ПЭВМ. После обнаружения изменения стационарности сейсмического процесса рассчитывают характеристики ожидаемого удара, для чего вычисляют постоянную времени (Т) переходного процесса. Геометрический смысл первой производной - это тангенс угла наклона касательной к графику функции в точке ее вычисления. Тангенс угла наклона фиг.4 определяют через приращения

где ΔА=A₁-A₀ - разница двух оцифрованных отсчетов функции переходного процесса,

Δt=t₁-t₀ - интервал времени изменения результирующей мощности сигнала на величину ΔА.

Касательная в точке ее пересечения с осью времени (фиг.4) отсекает от оси отрезок, равный постоянной времени переходного процесса (Т). По расчетной величине (Т) и регрессионным зависимостям ближайшего аналога прогнозируют время ожидаемого удара t_у≈4,7Т и магнитуду удара М из соотношения . Координаты очага землетрясения определяют методами аналитической геометрии.

Известно, что направление переноса энергии волновым процессом совпадает с фазовым фронтом волны в данной точке. Направление вектора переноса энергии (мощности) в местах расположения обсадных скважин задают направляющие косинусы, вычисляемые относительно измерительной базы. Полная длина вектора в каждой из точек расположения обсадных скважин составляет:

где , , , - амплитуды сигналов в трактах измерений по координатам x, y соответственно.

Направляющие косинусов луча на очаг землетрясения относительно измерительной базы для первой и второй скважин соответственно составят:

Нанося на карту местности направление измерительной базы и направления косинусов, находят точку пересечения лучей. Найденная точка характеризует мнимый фазовый центр очага возмущения. В невозмущенном состоянии амплитуды сигналов в измерительных каналах по x и y примерно равны. В возмущенном состоянии амплитуды сигналов в каналах измерений зависят от направления прихода литосферных волн очага землетрясения. Максимум поглощения сейсмического фона или минимум сигнала в тракте измерений наблюдается при совпадении направления его распространения с направлением продольной литосферной волны очага. Годограф вектора переноса энергии в пространстве представляется эллипсом. Гипотетический центр очага находят как пересечение перпендикуляров к главным осям эллипсов, построенных на концах измерительной базы. За главные оси эллипсов принимают полную длину векторов в точках расположения обсадных скважин. Определение гипоцентра очага землетрясения методами аналитической геометрии иллюстрируется фиг.5.

Все элементы системы измерений выполнены по известным типовым схемам и на существующей технической базе. В системе измерений использован комплект виброизмерителей аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO (Дания):

- датчики вибраций, модель «дельтотрон», со встроенным усилителем типа 4370 S, 4381 S в полосе измерений от 0,1 до 4800 Гц;

- измерительный усилитель, модель 2635;

- анализатор спектра, детекторная секция, аналогово-цифровой преобразователь - многофункциональный блок, модель 3560;

- устройство ввода представляет стандартный модем ПЭВМ.

Процесс поглощения спектра сейсмического фона продольными литосферными волнами очага происходит в земной коре и не зависит от наблюдателя. Уже при малых амплитудах волн раскачки очага происходит поглощение сейсмического фона. При этом интервал времени упреждающего прогноза расширяется на один-два периода волн раскачки (3-7 час) по сравнению с ближайшим аналогом.

Изобретение относится к геофизике и может найти применение в сейсмологии при создании полигонов геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты. Сущность: система включает измерители наблюдаемого параметра, разнесенные на измерительной базе полигона, подключенные к сети синхронизированных по времени ПЭВМ обработки регистрируемой информации. Каждый измеритель содержит глубокую обсадную скважину с установленным в ней датчиком-преобразователем. Скважины пробурены до коренной породы геолого-структурного образования. В каждую из скважин на твердое основание опущена инерционная масса с прикрепленными к ее граням датчиками сейсмического фона, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях по координатам х, y. Причем плоскость грани х совпадает с направлением измерительной базы. Каждый из датчиков подключен на вход тракта обработки, состоящего последовательно из усилителя, анализатора спектра, детекторной секции, аналого-цифрового преобразователя и ПЭВМ. Технический результат: повышение достоверности прогноза. 5 ил.

Система измерений предвестника землетрясений, включающая измерители наблюдаемого параметра, разнесенные на измерительной базе полигона, каждый из которых содержит глубокую обсадную скважину с установленным в ней датчиком-преобразователем, подключенные к сети синхронизированных по времени ПЭВМ обработки регистрируемой информации, отличающаяся тем, что скважины пробурены до коренной породы геолого-структурного образования, в каждую из скважин на твердое основание опущена инерционная масса с прикрепленными к ее граням датчиками сейсмического фона, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях по координатам х, y, причем плоскость грани х совпадает с направлением измерительной базы, каждый из датчиков подключен на вход тракта обработки, состоящего последовательно из усилителя, анализатора спектра, детекторной секции, аналогово-цифрового преобразователя и ПЭВМ.