СПОСОБ ОЦЕНКИ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЖИДАЕМОГО СИЛЬНОГО ЦУНАМИГЕННОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при прогнозе катастрофических сейсмических явлений, в том числе цунамигенного землетрясения при определении времени, места и магнитуды ожидаемого сильного землетрясения и контроля изменений параметров прогноза при поступлении новых данных о форшоках для выделенной очаговой области в режиме реального времени с использованием многопроцессорной вычислительной техники.

Известен способ предсказания землетрясений, который состоит из комбинированных шагов наблюдения и определения зоны образования ядра землетрясения на поверхностной глубине в 100-часовой промежуток времени, предшествующий появлению основного толчка, наблюдению и изучению углубления зоны образования ядра со временем для предсказания, с удовлетворяющей точностью, будущего среднеразмерного возникающего от резервуара землетрясения и эпицентра, которые могут появиться в течение двух суток с момента наблюдения кластеризации предварительных толчков (Заявка на изобретение США 2003182065, МПК G01V 1/00, Method of short term forecasting of moderate size earthquakes).

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает и не описывает формальную процедуру оценки степени кластеризации слабых землетрясений, предшествующих основному толчку, с целью оценки прогностических параметров, поэтому неизвестна практическая точность предсказания времени и места сильнейшего землетрясения, что касается оценки магнитуды, то из описания не ясно, как по степени кластеризации низкоэнергетических событий оценивается энергия (магнитуда) сильнейшего землетрясения. В период времени наблюдений 100 часов признак «кластеризация форшоков для выделенной очаговой зоны» не может гарантированно дать прогноз на двое суток вперед до основного толчка, поскольку, как показывает опыт, перед ожидаемым сильным землетрясением происходят единичные слабые сейсмические события, которые не свидетельствуют о нарастании сейсмической активности, т.е. наступает «сейсмическое затишье, именно поэтому землетрясение всегда возникает неожиданно.

Известна система, включающая в себя измерители наблюдаемого параметра, разнесенные на измерительной базе полигона, подключенные к вычислительной сети компьютеров (Патент РФ №2335000, приоритет 22.03.2007, МПК G01V 1/00 «Система измерений предвестника землетрясений»). Каждый из измерителей содержит тракт приема акустических волн из последовательно подключенных гидрофона с поворотной антенной кругового обзора, помещенных в естественный водоем полигона, политрона, спектроанализатора, детекторной секции, усилителя и аналого-цифрового преобразователя, подключенного на вход компьютера.

Недостатками известной системы, снижающими ее надежность и ограничивающими область применения, является то, что она не обеспечивает точность результата прогнозирования искомых параметров цунамигенного землетрясения, поскольку существуют объективные трудности получения данных от систем гидрофизического мониторинга в исследуемых морских акваториях в части обработки и анализа акустических сигналов в широком спектре частот. В этой связи возникают трудности выполнения практических исследований по калибровке акустических сигналов от изучаемых очаговых зон для заданных пунктов приема этих сигналов с целью построения соответствующих прогностических номограмм.

Известны способ и система для его осуществления, выбранные в качестве прототипа (Патент РФ на изобретение №2370790, приоритет 16.06.2008, МПК G01V 1/00 «Способ определения времени, места и магнитуды землетрясения»).

Известный способ включает определение времени, места и магнитуды землетрясения. Сущность известного технического решения заключается в том, что осуществляют выявление сейсмогенерирующих зон, потенциально опасных для оснований сооружений различного назначения. Размещают в этих зонах набор пунктов измерений геофизических величин, проводят измерения, в результате которых обнаруживают аномалии, обусловленные деформированием горных пород вышеуказанных зон, проводят пространственно-временной анализ с картированием аномалий, выделяют предвестников (форшоков) землетрясений, затем определяют эпицентр, время и магнитуду прогнозируемого сильного землетрясения (ПСЗ), при этом в состав измеряемых геофизических величин дополнительно включены записи стационарных сейсмических станций и для землетрясений умеренной силы параметры перемещений в пунктах измерений, определенных с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, при этом деформационные процессы сейсмогенерирующих зон оценивают путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм, при которой анализируют параметры землетрясений умеренной силы ЗУС в окрестностях вышеупомянутых зон: спектры волновых форм; глубину очага h; ориентировку осей главных напряжений Р в очагах ЗУС, после чего по параметрам ЗУС определяют место, время и магнитуду сильного землетрясения. Известная система для осуществления известного способа выполнена содержащей следующие блоки. Блок проведения регистрации изучаемых полей путем размещения в исследуемых зонах набора пунктов измерений определенных геофизических величин, а также использованием стационарных сейсмостанций, где параметры перемещений в пунктах измерений определяются с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS. Блок обработки и анализа данных для выявления сейсмогенерирующих зон, потенциально опасных для оснований сооружений различного назначения, и обнаружения аномалий, обусловленных деформированием горных пород вышеуказанных зон, а также проведения пространственно-временного анализа с картированием аномалий и выделением предвестников (форшоков) землетрясений. Блок прогнозирования, где для выбранных форшоков рассчитываются корреляционные зависимости между моментной магнитудой Mw для прогнозируемого сильного землетрясения, числом форшоков N и временным интервалом Т от начала проявления последних до текущего момента времени, определяют местоположение эпицентра прогнозируемого сильного землетрясения на карте.

Недостатками известных способа и системы является то, что их применение, в настоящее время, не дает надежный результат, т.к. пока не существует адекватной единой модели процессов в очаге готовящегося землетрясения, поскольку в конкретной сейсмоактивной очаговой зоне одновременно присутствует уникальный набор эндогенных воздействий различной природы и действуют различные конкурирующие механизмы возможной разрядки напряженно-деформированного состояния среды. Все это снижает точность оценок искомых параметров прогнозируемого сильного землетрясения при применении указанного способа, даже при использовании комбинации различных данных, полученных различными системами наблюдений, поскольку в указанном способе и системе непосредственно прогноз параметров ожидаемого сильного землетрясения основан на использовании только корреляционных (статистических) зависимостей, проверка на адекватность которых для каждой конкретной исследуемой очаговой области требует также длительного периода наблюдений, т.е. для применения указанного способа требуется учет особенностей каждого изучаемого очага, что резко снижает степень универсальности этого способа и его эффективность.

Перед авторами ставилась задача разработать способ и систему для его реализации для оценки основных параметров ожидаемого сильнейшего цунамигенного землетрясения путем построения и контроля выявленных основных прогностических признаков процесса подготовки главного сейсмического события на основе применения новых процедур обработки и анализа каталога «индикаторных» сейсмических событий (форшоков) для обнаруженной и выделенной сейсмоактивной и цунамигенной очаговой области по инструментальным данным комплексного сейсмического мониторинга и повышения точности этих оценок.

Поставленная задача решается тем, что в способе оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения, включающем следующие этапы: выявление сейсмогенерирующих зон, построение геотектонической модели для выделенной сейсмогенерирующей зоны, определение параметра перемещений в пунктах измерений для землетрясений умеренной силы (форшоков) с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, при этом выделяют и описывают деформационные процессы сейсмогенерирующих зон, оценивание деформационных процессов путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм, проведение пространственно-временного анализа картированием аномалий сейсмической активности и выделением предвестников (форшоков) землетрясений, выделение структурных особенностей в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоков) для каждой выделенной сейсмогенерирующей зоны, оконтуривание области подготовки сильного цунамигенного землетрясения для исследуемой сейсмоактивной и цунамигенной зоны на основе анализа пространственного распределения землетрясений умеренной силы (форшоков), проведение пространственно-временного анализа для выделения очаговой области подготовки сильного землетрясения, дополнительно выполняются этапы контрастного выделения «прогностических признаков» на основе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области (зоны), восстановления данных инструментальных наблюдений по формуле для построения искомых аппроксимационных функций для магнитуды землетрясения М в зависимости от времени возникновения этого землетрясения t, которая имеет вид:

где t - вход (аргумент функции), М - выход (искомая функция), подстроечные коэффициенты функции - b, с, φ_j, w_j (j=1, 2, 3) определяются методом наименьших квадратов в результате выполнения нелинейной регрессии.

Используется формула наименьших квадратов с М и M_i, при этом минимизируется функционал:

где i - номер точки наблюдения с аргументом t_i; M_i - наблюдаемое значение искомой функции; - аппроксимирующая функция, которая, рассчитывается по формуле (1); - вектор подстроечных коэффициентов функции (b, с, φ_j, w_j (j=1, 2, 3)), контролируется время наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события как поведение точки пересечения восстановленных линий путем обработки на каждом последующем временном шаге данных о новых индикаторных землетрясениях для изучаемой очаговой области. А также оценивание местоположения гипоцентра (широта, долгота и глубина) и магнитуды ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения по мере развития сейсмических событий в наблюдаемой очаговой области на основе контроля времени наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события и оценки характеристик второго основного прогностического признака - возникновение на «кончике энергетического клина» аномально низкоэнергетического землетрясения, за которым следует возникновение сильнейшего землетрясения, причем координаты положения эпицентра основного толчка приблизительно совпадают с координатами эпицентра аномального сейсмического события, а магнитуду основного толчка оценивают по величине различия средней магнитуды процесса подготовки ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения от магнитуды аномально слабого землетрясения. А также проводится пространственно-временной анализ картированием аномалий в виде «энергетического клина» и при построении «прогностического признака» используется оценка времени путем пересечения регрессии M(t) для спадающей высокоэнергетической составляющей и, соответственно, возрастающей низкоэнергетической составляющей изучаемого сейсмического процесса для выделенной очаговой области.

Способ реализуется с помощью системы, включающей следующие блоки: блок регистрации сейсмических событий комплексом сейсмических станций и приема информации в обрабатывающем центре, блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга, блок специализированного сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий, состоящий из регистрирующего узла для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS и узла оценки деформационных процессов, блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения, состоящий из узла оконтуривания и узла сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий. Дополнительно система оснащена блоком оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения, состоящим из узла контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения, узла оценки местоположения гипоцентра и узла оценки магнитуды основного толчка. А блок специализированного анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения дополнительно оснащен узлом построения основного прогностического признака, узлом оценки параметра «время», а также узлом пространственно-временного анализа, узлом контрастирования «прогностических признаков» и узлом восстановления данных инструментальных наблюдений.

Таким образом, для обнаруженной и выделенной сейсмоактивной и цунамигенной очаговой области по инструментальным данным сейсмического мониторинга на основе применения новых процедур обработки и анализа каталога «индикаторных» сейсмических событий (форшоков) решается задача повышения точности оценки основных параметров ожидаемого сильнейшего цунамигенного землетрясения путем построения и контроля выявленных основных прогностических признаков процесса.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в том, что способ и система для его реализации позволяют повысить точность оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения - местоположение, время и магнитуда. Это обеспечивается тем, что заявляемое изобретение позволяет предсказать время сильного цунамигенного землетрясения за одни сутки с точностью до 6 часов, местоположение эпицентра с точностью до 5 км от ожидаемого и магнитуду этого землетрясения с точностью до 0.25 балла от ожидаемого значения, что позволяет заблаговременно оценить степень цунамигенности ожидаемого землетрясения, степень сейсмической опасности для защищаемой территории, промышленных объектов и объектов инфраструктуры, а также в случае необходимости выполнить необходимые мероприятия по предупреждению населения об опасности цунами и провести эвакуацию людей из опасной прибрежной зоны.

Заявляемый способ реализуется с помощью системы, которая поясняется блок-схемой, представленной на фиг.1, где 1 - заявляемое устройство, 2 - блок регистрации сейсмических событий системой сейсмических станций и приема информации в обрабатывающем центре, 3 - блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга в обрабатывающем центре, 4 - блок сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий, 5 - регистрирующий узел для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, 6 - узел оценки деформационных процессов, 7 - блок специализированного анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения, 8 - узел оконтуривания, 9 - узел сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий, 10 - узел построения основного «прогностического признака», 11 - узел контрастирования «прогностического признака», 12 - узел пространственно-временного анализа, 13 - узел восстановления данных инструментальных наблюдений, 14 - узел оценки параметра «время», 15 - блок 5 оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения, узел 16 - контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения, узел 17 - оценки местоположения гипоцентра, узел 18 - оценки магнитуды основного толчка, 19 - комплекс сейсмических станций, 20 - спутниковая навигация ГЛОНАСС-GPS. Фиг.2 - карта района Курильской гряды и прилегающих областей с указанными эпицентрами землетрясений 15.11.2006 и 13.01.2007. Фиг.3 - очаговые области сильнейших землетрясений Курило-Камчатской зоны за период 1900-2005. Фиг.4 - выделение очаговых областей на основе предлагаемого способа исследуемого района Центральных Курил. Фиг.5 - визуализация данных сейсмического мониторинга для очаговых областей в районе Центральных Курил в период с сентября 2006 г.по январь 2007 г. Фиг.6-7 - процедура численного анализа данных о форшоках в процессе подготовки катастрофического землетрясения от 15.11.2006 и построение аппроксимационной функции. Фиг.8 - выделение «энергетического клина», предшествующего катастрофическому землетрясению в районе Центральных Курил от 15.11.2006. Фиг.9-10 - результаты компьютерной обработки данных сейсмического мониторинга в процессе подготовки сильного землетрясения 23.06.2008 путем кластеризации форшоков для выделенной очаговой области. Фиг.11-13 - процедуры адаптивного прогноза сильного землетрясения 23 июня 2008 г.

Заявляемый способ для оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения и система 1 для его реализации предназначены для прогноза катастрофических сейсмических явлений, в том числе цунамигенного землетрясения, при определении времени, места и магнитуды ожидаемого сильного землетрясения и контроля изменений параметров прогноза при поступлении новых данных о форшоках для выделенной очаговой области в режиме реального времени с использованием многопроцессорной вычислительной техники.

Принцип работы заявляемого способа и системы для его реализации можно пояснить на основе сигнала, поступающего от сейсмических станций в 2 блок регистрации сейсмических событий системой сейсмических станций, и приема информации в обрабатывающем центре. Регистрацию землетрясений осуществляют на основе созданного комплекса 19 сейсмических станций, расставленных на сейсмоактивной территории для наблюдения за сейсмическим режимом известных очаговых зон.

Дополнительные датчики, расположенные в местах установки 19 сейсмоприемников, осуществляют регистрацию сопутствующих геофизических полей, что позволяет контролировать определенные виды предвестников ожидаемого сильного землетрясения.

В результате в 2 создают наборы цифровых данных (сейсмограмм) с записями регистрации сейсмических событий, а также записи регистрации (цифровые данные) сопутствующих эффектов наблюдаемых геофизических полей.

Далее информация поступает в 3 блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга, где выполняют стандартную первичную обработку данных и сводную обработку данных сейсмического мониторинга и геомониторинга сопутствующих геофизических полей и создают каталог землетрясений и номограмм развития сопутствующих геофизических полей.

Далее анализ полученной информации выполняют в 4 блоке сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий, состоящем из 5 регистрирующего узла для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием 20 спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS и узла 6 оценки деформационных процессов.

По полученному в 3 каталогу землетрясений и номограммам развития сопутствующих геофизических полей в узле 6 оценивают сейсмическую обстановку на исследуемой сейсмоактивной территории и делают вывод о степени активности различных очаговых зон сильных землетрясений, расположенных на изучаемой территории. Ранжирование соответствующих очаговых зон по степени сейсмической опасности (по количеству сейсмической энергии, выделившейся за данный период наблюдений) позволяет перейти к детальному анализу зоны, для которой наблюдается повышенный фон сейсмической активности и которая представляет существенную угрозу для защищаемой территории и объектов, таким образом, выявляют определение местоположения сейсмогенерирующих зон для последующего прогнозирования.

Для выделенной очаговой (сейсмогенерирующей) зоны, для которой зарегистрированы и выделены сейсмические предвестники - землетрясения умеренной силы (форшоки), в узле 5 выполняют определение параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, далее в узле 5 выделяют и описывают деформационные процессы сейсмогенерирующих зон. Далее в узле 6 выполняют оценивание деформационных процессов путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм по этим форшокам.

Также для выделенной очаговой области на основе информации, полученной в 3, в узле 6 осуществляют анализ имеющихся сейсмотектонических данных для выявления и уточнения местоположения «сейсмических брешей» (геометрические размеры, ориентация, диапазон магнитуд и другие параметры наблюдаемых землетрясений) - зоны аномального сейсмического затишья (регистрируется уменьшение магнитуды высокоэнергетических землетрясений) для изучаемого выделенного очага.

Далее в узле 6 выполняют построение геотектонической модели области изучаемого очага и выделенных сейсмогенерирующих структур с учетом имеющихся результатов анализа особенностей современной сейсмотектонической обстановки в этой области, полученных из различных источников. Построение моделей сейсмогенерирующих структур осуществляют с применением средств современных ГИС-технологий. Далее проводится пространственно-временной анализ картированием аномалий сейсмической активности и выделение предвестников (форшоков) землетрясений, а также выделение структурных особенностей в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоков) для каждой выделенной сейсмогенерирующей зоны.

На заключительном этапе в 4 в узле 6 определяют эпицентр, время и магнитуду прогнозируемого сильного землетрясения в среднесрочном плане (месяцы) по известным апробированным моделям среднесрочного прогноза и информацию передают в 7.

7 блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения состоит из 8 узла оконтуривания, узла 9 сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий, узла 10 построения основного «прогностического признака», узла 11 контрастирования «прогностического признака», узла 12 пространственно-временного анализа, узла 13 восстановления данных инструментальных наблюдений, узла 14 оценки параметра «время».

В 7 блоке анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения, проводят анализ комплекса данных по выделенной очаговой области для того, чтобы непосредственно начать процедуру адаптивной оценки (прогноза) параметров ожидаемого сильного землетрясения. Здесь формируется пространственно-временной образ последовательности индикаторных сейсмических событий (форшоков), качество которого (полнота и точность) обеспечивает качество оценок искомых параметров основного сейсмического события.

В узле 8 проводят оконтуривание области подготовки сильного цунамигенного землетрясения для исследуемой сейсмоактивной и цунамигенной зоны, для заданного набора сейсмических событий в определенном диапазоне по широте, долготе и глубине гипоцентров землетрясений анализируемого каталога землетрясений, осуществляют на основе данных из 6 путем построения модели пространственного и временного распределения «индикаторных» событий (форшоков), которые выделены ранее и характеризуют процесс подготовки ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения, с учетом дополнительных сведений о проявлениях предвестников различной природы для этой области, полученных существующими системами геомониторинга, которые отображены на соответствующих номограммах, построенных ранее.

На основе данных, построенных в 8, в узле 9 выполняют сопоставительный анализ и построение модели пространственного и временного распределения сейсмических событий, выделение структурных особенностей в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоках) для этой области на основе каталога землетрясений в указанном диапазоне величин их характеристик, с визуализацией этих структурных особенностей в заданных пространственно-временных плоскостях, путем применения методов статистического и численного анализа пространственно-временных рядов для выяснения типа стадии сейсмического процесса для выделенной очаговой области и оценки функции распределения вероятности последовательности сейсмических событий процесса подготовки нового сильного землетрясения с учетом известных критериев: для «нормального» сейсмического режима, стадии «сейсмического роя» и стадия возникновения «форшоков» - «индикаторных» землетрясений, предшествующих главному толчку.

Далее в узле 10 выполняют построение основного «прогностического признака», так называемого «энергетического клина», в случае обнаружения стадии возникновения форшоков для изучаемой очаговой области. Построение осуществляют на основе данных из 9 путем выделения и визуализация соответствующей временной последовательности в рамках диаграммы «магнитуда-время» индикаторных низкоэнергетических и высокоэнергетических сейсмических событий с учетом особенностей, которые характеризуют спадание сейсмической активности в части сильных землетрясений в этой последовательности и, соответственно, возрастание сейсмической активности в серии слабых землетрясений.

Далее на основе данных из 8 в узле 11 осуществляют контрастирование «прогностического признака» на базе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области, где обнаружен и наблюдается процесс подготовки сильного цунамигенного землетрясения, для получения эффекта большей контрастности наблюдаемого «энергетического клина», путем сканирования и фильтрации (по широте, долготе и глубине гипоцентров) имеющихся данных каталога сейсмических событий, принадлежащих исследуемой области и ее окрестности. Итак, выполняют контрастное выделение «прогностических признаков» на основе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области (зоны).

В узле 12 пространственно-временного анализа выполняют завершающий этап пространственно-временного анализа параметров землетрясений умеренной силы (форшоков) для выделенной очаговой области подготовки сильного землетрясения, и осуществляют анализ на основе данных из 11 путем визуализации методом упругих сеток выделенной очаговой области и путем визуализации методом оболочек базовой прогностической модели - «энергетический клин» для последующей оценки параметров ожидаемого цунамигенного землетрясения.

Далее в узле 13 восстанавливают данные инструментальных наблюдений на основе разработанных процедур численного анализа данных, выполняют построение аппроксимационных функций и осуществляют на основе данных из 12 оценку особенностей поведения аппроксимационных функций (линий) для выделенных экстремальных индикаторных сейсмических событий (форшоков) путем расчета местоположения точки пересечения этих линий на оси времени изучаемой последовательности сейсмических событий, рассматриваемой как процесс подготовки сильного сейсмического события, с учетом новых поступающих данных инструментальных наблюдений сейсмического мониторинга.

Восстановление данных инструментальных наблюдений осуществляют по формуле для построения искомых аппроксимационных функций для магнитуды землетрясения М в зависимости от времени возникновения этого землетрясения t, которая имеет вид:

где t - вход (аргумент функции), М - выход (искомая функция), подстрочные коэффициенты функции - b, c, φ_j, w_j (j=1, 2, 3) определяются методом наименьших квадратов в результате выполнения нелинейной регрессии. Используется формула наименьших квадратов с M и M_i, при этом минимизируется функционал:

где i - номер точки наблюдения с аргументом t_i; M_i - наблюдаемое значение искомой функции; - аппроксимирующая функция, которую рассчитывают по формуле (1); - вектор подстрочных коэффициентов функции (b, с, φ_j, w_j (j=1, 2, 3)).

Таким образом, на координатной плоскости «магнитуда-время» построенную модель «энергетического клина» аппроксимируют двумя функциями: для спадающей высокоэнергетической составляющей и для возрастающей низкоэнергетической составляющей, и далее решается задача экстраполяции для оценки временного параметра ожидаемого землетрясения.

Далее в узле 14 проводят оценку параметра «время», которую осуществляют на основе данных из 13 путем пересечения регрессии M(t) для спадающей высокоэнергетической составляющей и, соответственно, возрастающей низкоэнергетической составляющей изучаемого сейсмического процесса для выделенной очаговой области. Здесь в узле 14 осуществляют решение задачи экстраполяции на данных, которые заданы неточно, с учетом погрешности, т.е. численно решают уравнение на интервальных данных.

Далее данные передают в 15 блок оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения, состоящий из узла 16 контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения, узла 17 оценки местоположения гипоцентра (широта, долгота и глубина), узла 18 оценки магнитуды основного толчка.

Далее в 15 в узле 16 контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения осуществляют на основе новых данных сейсмического мониторинга для выделенной очаговой области уточнение времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения как поведение точки пересечения восстановленных линий модели «энергетического клина» путем обработки на каждом последующем временном шаге данных о новых «индикаторных» землетрясениях (форшоках) для изучаемой очаговой области, полагая, что прогноз параметров ожидаемого сильного землетрясения является по своей сути динамическим и адаптивным.

Затем в 15 в узле 17 проводят оценку местоположения гипоцентра (широта, долгота и глубина) ожидаемого цунамигенного землетрясения. Осуществляют оценку местоположения гипоцентра на основе новых данных из 16 по мере развития сейсмических событий в наблюдаемой очаговой области на основе контроля времени наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события и оценки характеристик второго основного прогностического признака - возникновения на «кончике энергетического клина» аномально низкоэнергетического землетрясения, за которым следует возникновение сильнейшего землетрясения, причем координаты положения эпицентра основного толчка совпадают с координатами эпицентра аномального сейсмического события с учетом точности используемых данных наблюдений.

Далее в 15 в узле 18 оценки магнитуды основного толчка изучаемого процесса оценивают с помощью данных из 16 и 17 магнитуду основного толчка на основе параметризации и анализа изучаемого энергетического процесса по величине отклонения средней магнитуды процесса подготовки ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения и магнитуды самого слабого землетрясения в модели «энергетического клина» путем их сложения.

Преимущество заявляемого способа и системы для его реализации заключается в том, что качество решения и точность получаемых оценок зависят от качества инструментальной системы наблюдения исследуемой области и качества первичной обработки исходных данных сейсмического мониторинга. Поэтому предлагаемый способ и система для его реализации основаны для принципиально новом походе к составлению первичного каталога землетрясений для исследуемой области путем учета, привязки и контроля возрастания интенсивности низкоэнергетических событий для исследуемого процесса, а также контроля и оценки спадания активности для высокоэнергетических событий.

Пример 1 иллюстрирует процедуры выявления сейсмогенерирующих зон, построение геотектонической модели для выделенной сейсмогенерирующей зоны (структуры), выделение структурных особенностей в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоков) для каждой выделенной сейсмогенерирующей зоны (структуры), проведение пространственно-временного анализа картированием аномалий сейсмической активности, выделением предвестников (форшоков) землетрясений. Далее контрастируются «прогностические признаки» на основе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области (зоны) и затем восстанавливаются данные инструментальных наблюдений по формуле для построения искомых аппроксимационных функций - магнитуды землетрясения M=Y(t) от времени землетрясения t по данным наблюдений.

Сильнейшие землетрясения произошли в районе Центральных Курил 15 ноября 2006 г. (M_w=8.3) и 13 января 2007 г. (M_w=8.1). Событие 15.11.2006 явилось первым землетрясением такой силы в этом районе за весь период исторических и инструментальных наблюдений. Эти землетрясения вызвали значительные цунами, зарегистрированные по всей акватории Тихого океана. На фиг.2 показана карта района Курильской гряды и прилегающих областей с указанными эпицентрами землетрясений 15.11.2006 и 13.01.2007 (отмечены звездочками) и расположением мареографных станций. Тонкими сплошными и штриховыми линиями отмечены изохроны распространения волн цунами 15.11.2006.

Высокая вероятность возникновения сильного землетрясения (M_w≥8.5) и связанного с ним разрушительного цунами в этом районе была выявлена ранее. В долгосрочных прогнозах С.А.Федотова здесь в качестве бреши постоянно выделялся участок №7 (о-в Симушир - пролив Крузенштерна).

На фиг.3 показаны очаговые области сильнейших землетрясений (M_w≥8) Курило-Камчатской зоны за период 1900-2005 гг., построенные по данным различных каталогов; сплошные линии - надежно построенные контуры, пунктир - ненадежные. Жирным пунктиром обозначена область сейсмической бреши в районе Центральных Курил, звездочками - эпицентры землетрясений 15.11.2006 и 13.01.2007; прямоугольниками - контуры их очагов; серой сплошной линией - ось глубоководного желоба.

Для исследуемого района Центральных Курил на фиг.4 показано на основе предлагаемого способа выделение очаговых областей: область 1 - процесс подготовки катастрофического землетрясения от 15.11.2006 (М=8.3); область 2 - процесс подготовки сильного землетрясения от 13.01.2007 (М=8.1).

На фиг.5 приведена процедура эффективной визуализации данных сейсмического мониторинга для очаговых областей в районе Центральных Курил в период с сентября 2006 г. по январь 2007 г. Представлен процесс кластеризации форшоков во времени для каждой из изучаемых очаговых зон.

Процедуры численного анализа данных о форшоках в процессе подготовки катастрофического землетрясения от 15.11.2006 и построения аппроксимационной функции приведены на фиг.6-7.

В итоге, на фиг.8 приведен искомый результат - выделение «энергетического клина», предшествующего катастрофическому землетрясению в районе Центральных Курил от 15.11.2006.

Таким образом, выполнен пространственно-временной анализ картированием аномалий в виде «энергетического клина» и построены прогностические признаки, используя оценку времени путем пересечения регрессии M(t) для спадающей высокоэнергетической составляющей и, соответственно, возрастающей низкоэнергетической составляющей изучаемого сейсмического процесса для выделенной очаговой области.

Пример 2 относится к прогнозированию сильного землетрясения 23.06.2008 в районе Центральных Курил с учетом контроля времени наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события как поведение точки пересечения восстановленных линий путем обработки на каждом последующем временном шаге данных о новых индикаторных землетрясениях для изучаемой очаговой области.

Результаты компьютерной обработки данных сейсмического мониторинга в процессе подготовки сильного землетрясения 23.06.2008 путем кластеризации форшоков для выделенной очаговой области показаны на фиг.9 и 10. Далее на фиг 11-13 представлена процедура адаптивного прогноза сильного землетрясения 23 июня 2008 г. Начальная стадия: дата выдачи прогноза - 07.04.2008 и время прогноза ожидаемого события - 18.06.2008; за месяц до события: дата выдачи прогноза - 20.05.2008 и время прогноза основного толчка - 24.06.2008; заключительный этап прогноза сильного землетрясения от 23 июня 2008 г.: время выдачи прогноза - 22.06.2008 и дата прогноза - 23.06.2008.

Таким образом, контроль краткосрочного определения времени прогнозируемого сильного землетрясения начинается с момента кластеризации форшоков в виде «энергетического клина» и продолжается до момента возникновения аномально слабого индикаторного события на фоне развития процесса подготовки сильнейшего события, как правило, это наблюдается за сутки до основного толчка.

Изобретение относится к области сейсмического мониторинга и может быть использовано для прогнозирования катастрофических сейсмических явлений. Сущность: выявляют сейсмогенерирующие зоны. Строят геотектоническую модель для выделенной сейсмогенерирующей зоны. Определяют параметр перемещений в пунктах измерений для землетрясений умеренной силы (форшоков) с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, при этом выделяют и описывают деформационные процессы сейсмогенерирующих зон. Оценивают деформационные процессы путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм. Проводят пространственно-временной анализ картированием аномалий сейсмической активности и выделением предвестников (форшоков) землетрясений. Выделяют структурные особенности в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоков) для каждой выделенной сейсмогенерирующей зоны. Оконтуривают область подготовки сильного цунамигенного землетрясения для исследуемой сейсмоактивной и цунамигенной зоны на основе анализа пространственного распределения землетрясений умеренной силы (форшоков). Проводят пространственно-временной анализ для выделения очаговой области подготовки сильного землетрясения. Кроме того, контрастно выделяют «прогностические признаки» на основе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области (зоны). Восстанавливают данные инструментальных наблюдений по формуле для построения искомых аппроксимационных функций для магнитуды землетрясения в зависимости от времени возникновения этого землетрясения. Контролируют время наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события как поведение точки пересечения восстановленных линий путем обработки на каждом последующем временном шаге данных о новых индикаторных землетрясениях для изучаемой очаговой области. Оценивают местоположение гипоцентра (широта, долгота и глубина) и магнитуду ожидаемого сильнейшего цунамигенного землетрясения по мере развития сейсмических событий в наблюдаемой очаговой области. Для этого контролируют время наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события и оценивают характеристики второго основного прогностического признака - возникновение на «кончике энергетического клина» аномально низкоэнергетического землетрясения, за которым следует возникновение сильнейшего землетрясения. Причем координаты положения эпицентра основного толчка соотносят с координатами эпицентра аномального сейсмического события, а магнитуду основного толчка оценивают по величине различия средней магнитуды процесса подготовки ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения от магнитуды аномально слабого землетрясения. Система для оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения содержит следующие блоки: блок регистрации сейсмических событий комплексом сейсмических станций и приема информации в обрабатывающем центре (2), блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга (3), блок специализированного сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий (4), блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения (7), блок оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения (15). Блок специализированного сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий (4) состоит из регистрирующего узла для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS (5) и узла оценки деформационных процессов (6). Блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения (7) состоит из узла оконтуривания (8), узла сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий (9), узла построения основного прогностического признака (10), узла контрастирования «прогностических признаков» (11), узла пространственно-временного анализа (12), узла восстановления данных инструментальных наблюдений (13), узла оценки параметра «время» (14). Блок оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения (15) состоит из узла контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения (16), узла оценки местоположения гипоцентра (17) и узла оценки магнитуды основного толчка (18). Технический результат: повышение точности оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения, включающий следующие этапы:
а) выявление сейсмогенерирующих зон;
b) построение геотектонической модели для выделенной сейсмогенерирующей зоны;
с) определение параметра перемещений в пунктах измерений для землетрясений умеренной силы (форшоков) с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, при этом выделяют и описывают деформационные процессы сейсмогенерирующих зон;
d) оценивание деформационных процессов путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм;
е) проведение пространственно-временного анализа картированием аномалий сейсмической активности и выделением предвестников (форшоков) землетрясений;
f) выделение структурных особенностей в пространственно-временных последовательностях «индикаторных» событий (форшоков) для каждой выделенной сейсмогенерирующей зоны;
g) оконтуривание области подготовки сильного цунамигенного землетрясения для исследуемой сейсмоактивной и цунамигенной зоны на основе анализа пространственного распределения землетрясений умеренной силы (форшоков);
h) проведение пространственно-временного анализа для выделения очаговой области подготовки сильного землетрясения, отличающийся тем, что используют систему, включающую следующие блоки: блок регистрации сейсмических событий комплексом сейсмических станций и приема информации в обрабатывающем центре, блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга, блок специализированного сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий, состоящий из регистрирующего узла для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS и узла оценки деформационных процессов, блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения, состоящий из узла оконтуривания и узла сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий, блок оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения, состоящий из узла контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения, узла оценки местоположения гипоцентра и узла оценки магнитуды основного толчка, а блок специализированного анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения дополнительно оснащен узлом построения основного прогностического признака и узлом оценки параметра «время», а также узлом пространственно-временного анализа, узлом контрастирования «прогностических признаков» и узлом восстановления данных инструментальных наблюдений, кроме того, дополнительно выполняют следующее:
i) контрастно выделяют «прогностические признаки» на основе процедуры коррекции местоположения первоначально выделенной очаговой области (зоны);
j) восстанавливают данные инструментальных наблюдений по формуле для построения искомых аппроксимационных функций для магнитуды землетрясения М в зависимости от времени возникновения этого землетрясения t, которая имеет вид:

где t - вход (аргумент функции);
М - выход (искомая функция),
подстрочные коэффициенты функции - b, c, φ_j, w_j (j=1, 2, 3) определяются методом наименьших квадратов в результате выполнения нелинейной регрессии, при этом используют формулу наименьших квадратов с M и M_i, при этом минимизируется функционал: ,
где i - номер точки наблюдения с аргументом t_i;
M_i - наблюдаемое значение искомой функции
- аппроксимирующая функция, которая рассчитывается по формуле (1);
- вектор подстрочных коэффициентов функции (b, c, φ_j, w_j (j=1, 2, 3));
k) контролируют время наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события как поведение точки пересечения восстановленных линий путем обработки на каждом последующем временном шаге данных о новых индикаторных землетрясениях для изучаемой очаговой области;
1) оценивают местоположение гипоцентра (широта, долгота и глубина) и магнитуду ожидаемого сильнейшего цунамигенного землетрясения по мере развития сейсмических событий в наблюдаемой очаговой области на основе контроля времени наступления ожидаемого сильнейшего сейсмического события и оценки характеристик второго основного прогностического признака - возникновение на «кончике энергетического клина» аномально низкоэнергетического землетрясения, за которым следует возникновение сильнейшего землетрясения, причем координаты положения эпицентра основного толчка приблизительно совпадают с координатами эпицентра аномального сейсмического события, а магнитуду основного толчка оценивают по величине различия средней магнитуды процесса подготовки ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения от магнитуды аномально слабого землетрясения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят пространственно-временной анализ картированием аномалий в виде «энергетического клина».

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при построении «прогностического признака» используют оценку времени путем пересечения регрессии M(t) для спадающей высокоэнергетической составляющей и соответственно возрастающей низкоэнергетической составляющей изучаемого сейсмического процесса для выделенной очаговой области.

4. Система для оценки основных характеристик ожидаемого сильного цунамигенного землетрясения, содержащая блок регистрации сейсмических событий комплексом сейсмических станций и приема информации в обрабатывающем центре, блок первичной и сводной обработки данных геомониторинга, блок специализированного сейсмотектонического анализа данных геомониторинга и построения моделей сейсмогенерирующих структур с применением средств современных ГИС-технологий, состоящий из регистрирующего узла для определения параметров перемещений в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS и узла оценки деформационных процессов, блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения, состоящий из узла оконтуривания и узла сопоставительного анализа и построения модели пространственного и временного распределения сейсмических событий, отличающаяся тем, что в нее дополнительно включен блок оценки параметров ожидаемого сильнейшего землетрясения, состоящий из узла контроля и уточнения времени наступления ожидаемого цунамигенного землетрясения, узла оценки местоположения гипоцентра и узла оценки магнитуды основного толчка, а блок анализа данных для выделенной очаговой области подготовки сильного цунамигенного землетрясения дополнительно оснащен узлом построения основного прогностического признака, узлом оценки параметра «время», а также узлом пространственно-временного анализа, узлом контрастирования «прогностических признаков» и узлом восстановления данных инструментальных наблюдений.