СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2010 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано при создании сети геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.

Установлено [см., например, Гуфельд И.Л. Сейсмологический процесс. Физико-химические аспекты, Королев, ЦНИИМАШ, РАН, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта, 2007 г., стр.10-18], что первопричиной землетрясений следует считать общепланетарную дегазацию земной коры и ядра планеты. Эстафетный механизм передачи давления восходящего потока газов сопровождается накачкой земной коры дополнительной энергией и образованием неустойчивой зоны подготавливаемого землетрясения. Факт эманации различных газов из земной коры в атмосферу: водорода, гелия, метана, радона накануне сейсмического удара, см. Патенты RU №2.204.852, 2003 г., №2275659, 2006 г., №2302020, 2007 г.

Эманация радона (период полураспада 3,82 суток) сопровождается γ-излучением, которое, взаимодействуя с газовыми молекулами воздуха, приводит к их ионизации и образованию нескомпенсированного заряда кулоновского электричества в виде электростатического «купола» над гиноцентром очага с диаметром основания 100-150 км [см, например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», сборник, Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. Шмидта, стр.27-28].

Одновременно распад радона сопровождается повышением радиационного фона над зоной подготавливаемого землетрясения на один-два порядка [см. Патент RU №2310894, 2007 г., лист 5].

Существуют различные методы обнаружения и контроля радиоактивных веществ.

Известен «Способ измерения радиоактивности воздуха» Патент RU №2096860, 1997 г., H.01J 47/00 - аналог.

В способе-аналоге в объеме цилиндрического ионизационного детектора, заполненного атмосферным воздухом, с внутренним и внешним (радиуса r) электродами вблизи внутреннего электрода создают область, в которой напряженность электрического поля достаточна для осуществления ударной ионизации, осаждают электрическим полем дочерние продукты радона и аэрозолей на электроды, регистрируют альфа-частицы, проходящие через область ударной ионизации, и по их числу за определенный промежуток времени с учетом объема детектора и выбранного отношения r/R (где R - пробег альфа-частиц) определяют радиоактивность воздуха.

Недостатками аналога являются:

- способ позволяет определять радиоактивность воздуха только в месте установки детектора, поскольку длина пробега альфа-частиц в воздухе составляет от 2 до 12 см;

- способ измеряет радиоактивность дочерних продуктов распада радона, т.е. естественную радиоактивность довольно инерционного процесса, период полураспада радона 3,82 суток.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ прогнозирования землетрясений» Патент RU №2309438, G01V 9/00, 2007 г.

Способ ближайшего аналога включает одновременную регистрацию на последовательных витках пролета космического аппарата над сейсмоопасными регионами планеты электронной концентрации ионосферы и радиационного фона в пороговом режиме, вычисление максимума кривизны регистрограмм радиационного фона и отождествление максимума кривизны с гипоцентром очага землетрясения, расчет дисперсии сигналов-предвестников на каждом витке и составление их суммы, определение постоянной времени изменения суммы дисперсий:

T=Δt/ln[(Д₀-Д₁)/(Д₀-Д₂)]

прогноз времени ожидаемого удара как t_y=4,7T, магнитуды М как lgt_y=[сут]=0,54M-3,37, где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между последовательными измерениями на витках, Д₁, Д₂, Д₃ - значения сумм дисперсий сигналов в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

Д₀ - предельное значение суммы дисперсий сигнала накануне удара Д₀=Д₂ ²-Д₁*Д₃/2Д₂-Д₁-Д₃.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- ограничение времени упреждающего прогноза из-за соизмеримости времени полураспада радона с временем существования самого предвестника;

- незначительный уровень дополнительного радиационного фона от распада радона на высоте орбит полета космического аппарата (300 км), убывающего, как известно, пропорционально квадрату расстояния от источника излучения;

- большая скважность измерений из-за ухода орбиты космического аппарата от обнаруженной зоны подготавливаемого землетрясения

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в увеличении интервала времени упреждающего прогноза, повышении достоверности и точности расчетных параметров сейсмического удара путем инициирования распада радона активным зондированием его над зоной подготавливаемого землетрясения пучком элементарных частиц.

Технический результат достигается тем, что способ краткосрочного прогноза землетрясений, включающий измерение радиационного фона атмосферы над зоной подготавливаемого землетрясения, отслеживание динамики изменения сигнала предвестника на интервале его существования, прогноз характеристик сейсмического удара по параметрам регистрируемого сигнала, дополнительно для увеличения скорости деления радона осуществляют активное зондирование атмосферы коллимированным пучком элементарных частиц с подвижного носителя, работающего в режиме сканирующего обзора и патрулирования контролируемой зоны, синхронизирует тракты зондирования и приема путем введения порогового напряжения в тракт приема, осуществляет временную и энергетическую селекцию частиц мгновенной реакции радона на пучок зондирования. Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг 1 - изменение концентрации радона в атмосфере воздуха перед состоявшимся землетрясением;

фиг 2 - изменение электростатического поля над зоной подготавливаемого землетрясения, вызванного распадом радона;

фиг 3 - последовательность управляющих импульсов, формирующих структурированный пучок зондирования;

фиг 4 - сигнал мгновенной реакции радона на пучок зондирования;

фиг 5 - семейство регистрограмм измерений по пространству;

фиг 6 - динамика изменения сигнала мгновенной реакции радона во времени;

фиг 7 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Развитие сейсмического процесса сопровождается эманацией радона в сейсмоопасной области. Поскольку радон имеет плотность 9,81 г/литр (т.е. на порядок больше плотности воздуха), то выделение радона в виде «стелющегося тумана» приурочено в основном к очаговой зоне. Эманация радона в атмосферу воздуха накануне Ташкентского (1980 г.) землетрясения иллюстрируется графиком фиг.1 [см., например, Сборник «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, стр.28]. Последующий распад радона (период полураспада 3,82 суток) сопровождается увеличением радиационного фона над сейсмоактивной областью.

Для увеличения скорости деления радона и увеличения интервала времени упреждающего прогноза используют активное зондирование его пучком элементарных частиц. Метод активного зондирования характеризуется чувствительностью, под которой понимают минимальную массу делящегося вещества (десятки грамм), дающего мгновенный отклик (реакцию вещества на облучение), который может быть измерен детектором при приеме. Концентрация радона, создающего «купол» электростатического поля из ионизированных газов напряженностью несколько кВ/м (фиг.2) составляет порядка 10^-2 г/м³. При отражающей поверхности зондирующего луча на дальностях до 2-х км (100*100) м² масса облучаемого радона составит сотни (г), что превышает чувствительность существующих детекторов гамма-нейтронного излучения [см. Патент RU №2264674, Н01J 43/02, 2003 г.].

Воздействие пучка элементарных частиц на радон вызывает ускоренную реакцию ядерных превращений:

₈₆Rn²²²+₀n¹→₈₄Ро²¹⁰+γ

₈₆Rn²²²+₁H¹→₈₄Ро²²⁰+γ

Энергия связи ядра радона составляет 7,69 МэВ на один нуклон, т.е. при распаде радона излучаются гамма-кванты высокой энергии, которые селектируются в приемном канале по времени и энергии. По динамике изменения сигнала радиационного фона прогнозируют характеристики сейсмического удара.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства, реализующего способ, содержит подвижный носитель 1, осуществляющий патрулирование сейсмоопасной зоны, с размещенными на нем трактом зондирования 2 и приемным трактом 3, установленными соосно на подвижной сканирующей платформе 4. Тракт зондирования 2 содержит модулятор 5, источник элементарных частиц 6, коллиматор пучка 7. Приемный тракт 3 содержит детектор-дискриминатор гамма-нейтронного излучения 8, пороговое устройство 9, усилитель заряда 10, пиковый детектор 11, аналогово-цифровой преобразователь 12, буферное запоминающее устройство 13. Синхронизацию работы трактов зондирования и приема осуществляет программируемая схема выборки измерений 14, в которую пересылается программа зондирования, управляющая работой модулятора 5, и программа обработки сигнала, управляющая работой элементов 9, 12, 13.

Управляющие программы формируются на ПЭВМ 15 в стандартном наборе элементов: процессора 16, оперативного запоминающего устройства 17, винчестера 18, дисплея 19, принтера 20, клавиатуры 21. На ПЭВМ 15 формируют также программу сканирования и обзора окружающего пространства телеуправляемой платформы 4, пересылаемую в блок управления 22.

Путем изменения текста программ, формируемых на ПЭВМ, имеется возможность оперативно изменять длительность и скважность зондирующих импульсов, т.е. обеспечивать регулирование мощности зондирования. Последовательность управляющих импульсов, формирующих структурированный пучок зондирования, иллюстрируется графиком фиг.3.

Поворотная платформа выполнена двухосной, в автоматическом или ручном управлении она обеспечивает круговой обзор в горизонтальной плоскости с углами прокачки от 0 до 75° в вертикальной плоскости.

Углы поворота платформы автоматически отображаются на дисплее 19 ПЭВМ 15, что позволяет фиксировать пеленг на обнаруженную зону повышенной радиации.

Второй пеленг на обнаруженную зону определяют после перемещения подвижного носителя. Таким образом, координаты гипоцентра очага определяют путем пеленгации с двух разнесенных в пространстве точек остановки (для измерений) подвижного носителя 1.

Сигнал мгновенной реакции радона на облучение пучком элементарных частиц иллюстрируется фиг.4. На этом же рисунке иллюстрирована величина выбираемого порога по амплитуде и время осреднения пачки импульсов отклика. Осреднение пачки импульсов осуществляют пиковым видеодетектором (11). На момент зондирования приемный тракт (3) заперт напряжением от программируемой схемы выборки измерений (14).

Для обеспечения достоверности обнаружения сигнала отклика пороговое напряжение устанавливают по одному из критериев риска: Байеса, Зигерта-Котельникова, Наймана-Пирсона [см., например, С.А.Вакин, Л.Н.Шустов «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: Сов. Радио, 1968 г., стр.20-21].

Усредненный на интервале длительности пачки зондирующих импульсов сигнал отклика после усиления усилителем (10) преобразуют в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем (12) и записывают в буферном запоминающем устройстве (13). Обработку последовательности сигналов откликов осуществляют на ПЭВМ (15) на основе анализа динамики изменения регистограмм измерений по пространству и времени. Изменение регистограмм измерений относительно обнаруженного максимума по пеленгу иллюстрируется на фиг.5. Увеличение размеров зоны подготавливаемого землетрясения (радиуса R зоны) является селектируемым признаком ригистограммы фиг.5. Информационным признаком сигнала является длина кривой функции зависимости амплитуды сигнала А от пеленга А(φ). Длина кривой А(φ), заданной в декартовых координатах, вычисляется через интеграл;

[см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальные и интегральные исчисления для ВТУЗов», учебник, 5-е изд., М.: Наука, 1964 г., стр.419]. Поскольку сама функция представляется последовательностью дискретных цифровых отчетов, то вычисление проводят по специализированной математической программе [см. Патент RU №2337382, 2008 г.].

Интегральной оценкой очаговой зоны и величины радиационного фона может служить длина (l) кривой регистрограммы фиг.5. Накануне удара наблюдается увеличение размеров зоны из-за увеличения объема поступающего в атмосферу радона. При этом наблюдается как увеличение амплитуды регистрограммы, так и ее пространственная протяженность.

Известна статистическая зависимость ожидаемой магнитуды (М) сейсмического удара от размеров радиуса R зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, Моргунов В.А. «Электрические явления, предшествующие Шикотанскому землетрясению и его афтершокам», Д.А.Н., 1998 г., т.359, стр. 102-105].

lgR(км)=0,5М-0,27

Отсчет размеров зоны осуществляют непосредственно из семейства регистрограмм, по пеленгу размеров зоны, фиг.5. Динамика переходного к удару процесса характеризуется скоростью изменения длины l регистрограммы. Из математики известно [см., например, Пискунов Н.С. «Дифференциальное и интегральное исчисление для ВТУЗов», учебник, т.1, 5-е издание, М. Наука, 1964 г., стр.457-458], что сама функция и скорость ее изменения описываются дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента. Решение дифференциального уравнения (для граничных условий t=0, l=0 и t→∞, l→∞) иллюстрируется фиг.6. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по ее трем дискретным отсчетам можно восстановить всю функцию и определить постоянную времени (Т) динамического процесса:

T=Δt/ln[(l₀-l₁)/(l₀-l₂)],

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между двумя соседними измерениями; l₁, l₂, l₃ - расчетные длины регистограмм, соответствующие моментам времени t₁, t₂, t₃, l₀ - длина регистрограммы:

l₀=l₂ ²-l₁l₂/2l₂-l₁-l₃

Время ожидаемого удара (t_y) прогнозируют по операциям ближайшего аналога как интервал, за который экспоненциальная функция с вероятностью 0,99 достигает своего установившегося (l₀) значения, т.е. t_y≈4,7T.

Все элементы измерителя выполнены по известным электронным схемам и на существующей элементной базе. Новыми элементами по сравнению с аналогом являются:

Источник элементарных частиц: [см. Блок облучения объекта коллимированным пучком быстрых нейтронов, патент US N5076993, G21G 1/06, 1993 г., РЖ ИСМ N7, М. 1993 г.].

Пороговое устройство [см., Справочник по электронным устройствам, т.1 под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968 г., стр. 1339-346].

Усилитель заряда, модель 2635 [см. Комплект виброизмерительной аппаратуры, фирма Bruel & Kjair, Endevco, Дания].

Пиковый детектор [Справочник по радиоэлектронике, т.2. Под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1978 г., стр 136-137].

Программируемая схема выборки измерения и АЦП, стандартная плата типа ЛА-20, выполненная в виде контроллера, совместимого по стандартным шинам с IBM PC [см. Якубовский и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», Справочник, Радио и связь, М, 1990 г.].

Поворотная платформа [см. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией В.Е.Дулевича, Сов. М.: Радио, 1964 г., стр.62-65. Радиолокационные станции растрового обзора с механическим сканированием].

Эффективность способа характеризуется интервалом времени упреждающего оповещения о предстоящем землетрясении. По сравнению с известными аналогами этот интервал увеличивается на несколько суток.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано при создании сети геофизических наблюдений в сейсмоопасных районах планеты. Сущность: измеряют радиационный фон атмосферы над зоной готовящегося землетрясения. Отслеживают динамику изменения сигнала предвестника на интервале его существования. Прогнозируют характеристики сейсмического удара по параметрам регистрируемого сигнала. При этом для увеличения скорости деления радона используют активное зондирование атмосферы коллимированным пучком элементарных частиц с подвижного носителя. Подвижный носитель настраивают на режим сканирующего обзора и патрулирования контролируемой зоны. Синхронизируют тракты зондирования и приема путем введения порогового напряжения в тракт приема. Осуществляют временную и энергетическую селекцию частиц мгновенной реакции радона на пучок зондирования. Технический результат: повышение оперативности прогноза, повышение точности расчетных параметров сейсмического удара за счет инициирования распада радона активным зондированием его над зоной готовящегося землетрясения пучком элементарных частиц. 7 ил.

Способ краткосрочного прогноза землетрясений, включающий измерение радиационного фона атмосферы над зоной подготавливаемого землетрясения, отслеживание динамики изменения сигнала предвестника на интервале его существования, прогноз характеристик сейсмического удара по параметрам регистрируемого сигнала, отличающийся тем, что для увеличения скорости деления радона используют активное зондирование атмосферы коллимированным пучком элементарных частиц с подвижного носителя, работающего в режиме сканирующего обзора и патрулирования контролируемой зоны, синхронизируют тракты зондирования и приема путем введения порогового напряжения в тракт приема, осуществляют временную и энергетическую селекцию частиц мгновенной реакции радона на пучок зондирования.