СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01V9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к геофизике и сейсмологии и предназначено для исследования геодинамических процессов геологической среды и прогноза землетрясений.

Описание изобретения.

Уровень техники.

В настоящее время существуют лишь отдельные случаи удачного прогноза землетрясений, когда одновременно предсказывают три разнородных параметра: время (t), место (x,y) и магнитуду (М). Поскольку нет технологии прогноза землетрясений, когда одновременно предсказывают три параметра: время (t), место (x,y) и магнитуду (М), то необходимо рассмотреть решение более простой задачи - предсказывать два параметра.

Известен, принимаемый за прототип, способ прогноза землетрясений, основанный на определении двух из трех основных параметров землетрясения t - время, (x,y) - координаты гипоцентра, М - магнитуду, заключающийся в том, что для каждых (x,y) - координат территории определяют максимальную М - магнитуду возможного землетрясения [1]. При этом полагают, что землетрясение с магнитудой М произойдет один раз в фиксированное время t, равное 1000, 500 или 100 годам.

Исследования в развитие способа - прототипа [1] являются самостоятельным научным направлением, называются сейсмическим районированием или долгосрочным прогнозом землетрясения. В целом ряде государств, включая Россию, карты сейсмического районирования являются директивными и служат обязательным основанием для сейсмостойкого строительства в сейсмоопасных районах.

Поскольку в сейсмоактивных районах не все жилые дома и другие городские объекты возведены с учетом сейсмостойкого строительства, да и не все сейсмостойкие дома выдерживают воздействие сейсмической стихии, то в настоящее время необходим, как минимум, прогноз времени разрушительного землетрясения с целью спасения людей и предотвращения возможных дополнительных материальных потерь за счет исключения вторичных факторов ущерба от землетрясений: пожаров, взрывов бытового газа и т.п.

Раскрытие изобретения.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известного решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в определении силы и времени землетрясения для заданной территории известными мониторинговыми наблюдениями на измерительном полигоне, аппаратурой размещаемом в пределах заданной территории измерительного полигона.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе прогноза землетрясений, основанном на определении двух из трех основных параметров землетрясения t₀ - время, (x,y) - координаты гипоцентра, М - магнитуду, для выбранной территории измерительного полигона, например для территории городской агломерации или важного хозяйственного объекта, осуществляют мониторинговые наблюдения сетью сейсмологической аппаратуры из не менее 4, предпочтительнее 10-14, трехкомпонентных регистраторов сейсмических колебаний, размещаемых друг от друга на заданных расстояниях в пределах измерительного полигона и одновременно аппаратурой для слежения за изменением уровня воды в одной гидрогеологической скважине, причем уровень воды в гидрогеологической скважине должен реагировать на лунно-солнечные приливы, и по сейсмическим записям от источника сейсмических волн - далеких землетрясений (на расстояниях более 2°) устанавливают М - магнитуду будущего землетрясения, а по реакции водоносного горизонта в гидрогеологической скважине на влияние лунно-солнечных приливов устанавливают временное окно среднесрочного прогноза, начало краткосрочного прогноза и определяют t₀ - время наступления землетрясений; что время начала временного окна среднесрочного прогноза землетрясения определяют по времени t₁ начала прекращения реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечных приливов, о чем судят по отсутствию изменения уровня воды в гидрогеологической скважине, а время начала краткосрочного прогноза землетрясения t2 устанавливают, исходя из времени возобновления реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечных приливов на изменение уровня воды в гидрогеологической скважине, о чем судят по изменению уровня воды в гидрогеологической скважине, при этом момент наступления землетрясения to определяют по зависимости

t₀={[(t₂-t₁)+1]+(1+/-1)},

где время t₀, t₁ и t₂ определяют в сутках.

Технический результат: определение магнитуды и времени землетрясения с точностью (+/-) 1 сутки для территории измерительного полигона, например для территории городской агломерации или важного хозяйственного объекта, мониторинговыми наблюдениями в пределах выбранной территории измерительного полигона.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - сейсмическая запись (сейсмограмма),

фиг.2 - суммирование (накопление) порции данных, геологический разрез вдоль выбранного профиля,

фиг.3 - прогноз сейсмической активности в виде глубинного разреза вдоль выбранного профиля,

фиг.4 - прогноз сейсмической активности в виде карты на измерительном полигоне,

фиг.5 - пример записи в гидрогеологической скважине изменения уровня воды.

Осуществление изобретения.

Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств как:

- возможность на базе существующего комплекса технических средств непрерывных наблюдений на земной поверхности для выбранной территории измерительного полигона, например для территории городской агломерации или важного хозяйственного объекта, определять магнитуду М, а по записям изменения уровня воды в одной гидрогеологической скважине в пределах территории измерительного полигона - время t землетрясения с точностью (+/-1) день;

- высокую оперативность получения и обработки мониторинговой информации;

- отпадает необходимость определения места будущего землетрясения.

Сущность изобретения заключается в следующем. На измерительном полигоне размерами, предпочтительнее 60×60 км², размещают не менее 4, предпочтительнее 10-14, трехкомпонентных регистраторов сейсмических колебаний и проводят непрерывные сейсмические записи.

При изложении сущности предложенного изобретения использованы сейсмические записи, обработанные по технологии в соответствии с патентом (Васильев С.В., Солодилов Л.Н., Коробов В.Е. Способ оценки изменения напряженного состояния геологической среды. Заявка на патент РФ №2009124808 от 30.06.2009 г., выдан 31.03.2011 г. с приоритетом от 30.06.2009 г.) [2]. Новая система обработки данных названа как информационно-структурная технология обработки сейсмических данных, сокращенно ИСТОД-технология, и исходит из того, что информация по своей природе системна и она проявляется только во взаимодействии. Сейсмология, также как и сейсморазведка, основана на взаимодействии внешнего энергетического (сейсмического) импульса и геологической среды. В этом случае объектом исследования является открытая неравновесная и нелинейная система. Это значит, что волновой сейсмический процесс состоит не только из упругой деформации. Часть энергии сейсмического импульса рассеивается (диссипирует) в геологической среде с переходом в тепловую энергию. Это термодинамическая ветвь сейсмического процесса. По мере удаления данной части энергии от устойчивого состояния возникают структуры самоорганизации, эволюционирующие во времени, которые и несут информацию об уровне напряженного состояния и его организации в пространстве.

Поскольку в волновом процессе мы имеем дело с деформацией, то в качестве управляющих параметров при изучении закономерностей распределения сейсмической энергии можно использовать физико-механические свойства пород, изменение которых во времени происходит под действием изменяющегося напряжения.

Источником информации в нашем случае является геологическая среда с ее вязкоупругими и диссипативно-дисперсными свойствами. Роль носителя информации выполняет обменная сейсмическая волна, в которой закодирована информация об изменяющемся напряженном состоянии через изменение физико-механических свойств геологической среды. Носителем информации всегда является структура. Поэтому информационный процесс заключается в переносе структуры причины (изменение напряженного состояния геологической среды) на структуру следствия (сейсмическое поле). Задача сводится к обнаружению таких структур.

Основоположником теории диссипативных структур и основных принципов неравновесной термодинамики является лауреат Нобелевской премии И. Пригожин [3-5]. Основным параметром для описания процесса самоорганизации является энтропия. А.Н. Колмогоров [6] впервые (1976 г.) ввел понятие энтропии единичного события, которое позволяет рассматривать последовательность качественно разных состояний системы как программу снятия неопределенности (алгоритмическое определение информации). Диссипативные структуры представляют собой самоорганизацию энергии с резким уменьшением энтропии в системе при удалении ее от равновесного состояния [3-5].

Обработка сейсмических данных осуществляется следующим образом. На сейсмических записях для последующей обработки выделяют обменные волны (фиг.1) от далеких землетрясений (с расстояний более 2°). Поскольку сейсмические сигналы от далеких землетрясений приходят на измерительный полигон практически вертикально снизу, то можно считать, что все обменные волны, зарегистрированные в плоскости X,Y возникают непосредственно под сейсмоприемником и, следовательно, несут информацию о состоянии геологической среды под измерительным полигоном. В начале обработки на компоненте z каждой сейсмической записи от одного землетрясения регистрируют время первого вступления продольной волны (фиг.1). Далее выбирают временной интервал сейсмической записи, например 4 сек, производят расчет энергии обменных волн по x и y-компонентам и осуществляют ее суммирование (накопление) для всех зарегистрированных сейсмических записей от этого землетрясения.

На фиг.2 показан результат суммирования энергии обменных волн от группы (порции) землетрясений, где суммарно представлены статическая (геологический разрез) и динамическая (воздействие напряженного состояния) части.

Затем продолжают суммирование энергии обменных волн от последующих землетрясений до появления устойчивых амплитудно-пространственных неоднородностей в распределении энергии обменных волн (фиг.3), которые по определению являются элементами структуры сейсмического поля, отражающими информацию о геологическом строении (геологический разрез) участка территории под измерительным полигоном, и что служит определением квазиустойчивого уровня фонового напряжения.

И, далее, в результате мониторинговых наблюдений получают временной ряд подобных структур в распределении энергии обменных волн. По величине отклонения полученных структур от уровня фоновых значений судят об изменении напряженного состояния геологической среды для моментов времени получения каждой структуры в распределении энергии обменных волн. По величине относительной устойчивости флуктуации распределения энергии обменных волн - целевом полезном сигнале, в свою очередь, судят об относительной опасности изменения напряженного состояния геологической среды под территорией измерительного полигона.

Целевой полезный сигнал представлен в виде разреза (фиг.4) в координатах (x,t), где x - расстояние между сеймоприемниками на измерительном полигоне, a t - время сейсмической записи, и по площади (фиг.5) в координатах (x,y), причем на разрезе (фиг.4) и по площади (фиг.5) целевой полезный сигнал выражен в цветовой гамме, отражающей наглядно опасность возникновения будущего землетрясения.

Цветовая гамма служит градуировочной шкалой для определения магнитуд землетрясений в пределах измерительного полигона. В этой шкале за единицу принята энергия обменных волн, соответствующих фоновому уровню, а следующий и каждый последующий цвет, соответствует увеличению по энергии обменных волн в 3 раза. В случае если эпицентр будущего землетрясения с максимально возможной магнитудой для данного региона будет располагаться в центральной части измерительного полигона, то можно получить максимально возможную относительную оценку энергии обменных волн (и цвет) для градуировочной шкалы.

В пределах территории Кавминводского измерительного полигона наблюдались землетрясения с магнитудами в пределах M=(1-2,5). Им на градуировочной шкале соответствуют оранжевые и зеленые цвета. Поскольку эти землетрясения, также как и регистрируемые вблизи полигона, не опасны для сооружений и жизни людей, то оранжевый, зеленый, тем более красный цвет на записях целевого полезного сигнала не являются цветом беды. Несмотря на то, что шкала в полном объеме экспериментально не проградуирована, последующие цвета шкалы - голубой, синий и фиолетовый регистрируемого целевого полезного сигнала, соответственно, будут характеризовать тревогу и опасность для жизни людей и сохранности сооружений в пределах территории измерительного полигона. Таким образом, в предложенном способе прогноза землетрясения следят за реакцией среды в пределах измерительного полигона и в зависимости от регистрируемой величины интенсивности напряженного состояния (в изложенной выше градуировочной шкале) судят об интенсивности - магнитуде прогнозируемого землетрясения.

С прогнозированием времени будущего разрушительного землетрясения более сложная ситуация: даже имея зависимости для определения времени землетрясения для наблюдавшихся магнитуд М=(1-2,5) трудно перенести эти зависимости на прогнозирование времен для разрушительных землетрясений. Имеющиеся экспериментальные данные по определению времени землетрясения для наблюдавшихся магнитуд М=(1-2,5) свидетельствуют, что ошибка в прогнозировании времени землетрясений составляет 3 и боле суток.

С целью снижения ошибки в прогнозировании времени землетрясения, в пределах территории измерительного полигона одновременно с размещением сейсмологической аппаратуры бурят одну гидрогеологическую скважину в пределах территории измерительного полигона и размещают в ней комплект аппаратуры для слежения за изменением уровня воды и осуществляют непрерывную запись изменения уровня воды. Гидрогеологическую скважину выбирают в соответствии с изобретением (Вартанян Г.С., Попов Е.А., Волейшо В.О. «Способ оценки пригодности гидрогеологического и геофизического объекта наблюдений для изучения геодинамических процессов». Патент РФ №13033957 от 23.04.1984 г.) [7], согласно которого она должна реагировать на лунно-солнечные приливы.

Пример записи в гидрогеологической скважине изменения уровня воды приведен на фиг.6 [8], где по оси у приведен уровень воды, а по оси x - время - t В начале записи видно двукратное в сутки синусоидальное изменение уровня воды, что характерно для влияния лунно-солнечного прилива. Перед землетрясением, начиная с момента t₁ по момент t₂, происходит прекращение реагирования водоносного горизонта на изменения от лунно-солнечного прилива. По экспериментальным данным время (t₂-t₁) составляет (5-7) суток. Момент времени t₁ может служить основанием для объявления среднесрочного, а момент времени t₂ - краткосрочного прогноза землетрясения. С момента t₂ возобновления влияния лунно-солнечных приливов на изменение уровня воды в гидрогеологической скважине до землетрясения происходит 1-3 дня, что позволяет установить экспериментальную зависимость момента наступления землетрясения t₀ по отношению к t₂ в виде

t₀=[(t₂+1)+(1+/-1)],

где время t₀, t₁, t₂ определяют в днях.

Таким образом, в соответствии с изобретением по результатам сейсмологического и гидродинамического мониторинга аппаратурой, располагаемой на территории измерительного полигона, применительно к его территории определяют интенсивность - магнитуду и время будущего землетрясения с точностью (+/-)1 день.

Отметим также, что, в соответствии с экспериментальными данными [8], после момента прекращения изменения уровня воды в гидрогеологической скважине землетрясение происходит не ранее 7-10 дней, что и определяет временное окно среднесрочного прогноза. Поэтому предложенный способ, наряду с регистрацией изменения сейсмического режима, позволяет выдавать среднесрочный прогноз (до 7-10 дней) об уровне сейсмической опасности в районе измерительного полигона и его ближайшей окрестности с выдачей прогноза опасности землетрясения, т.е. каждый раз после обработки данных мониторинговых наблюдений позволяет ответить на вопрос будет или не будет землетрясение в районе измерительного полигона в предстоящие (7-10) дней, при чем, что особенно важно, только аппаратурой на территории измерительного полигона.

Полученные результаты позволяют предложить с использованием настоящего изобретения создание служб сейсмогеодинамической безопасности городских агломераций и на важных объектах по аналогии, например со службой пожарной безопасности и другими службами безопасности на этих объектах.

Источники информации.

1. Соболев Г.А. - отв. редактор «Сейсмические опасности». М., изд-во КРУК», 2000 год, с.66-96

2. Васильев С.В., Солодилов Л.Н., Коробов В.Е. Способ оценки изменения напряженного состояния геологической среды. Заявка на патент РФ №2009124808 от 30.06.2009 г.

3. Николис Г., Пригожин Н. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979, 512 с.

4. Пригожин Н. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985, 280 с.

5. Пригожин Н. Конец определенности. Время, хаос и новые законы природы. М.: 2000, 207 с.

6. Колмогоров А.Н. К логическим основам теории информации и теории вероятностей. Проблемы передачи информации, 5.3, с.3-7, 1969.

7. Вартанян Г.С., Попов Е.А., Волейшо В.О. «Способ оценки пригодности гидрогеологического и геофизического объекта наблюдений для изучения геодинамических процессов». Патент РФ №13033957 от 23.04.1984 г.

8. Войтов Г.И., Попов Е.А. Геохимический прогноз землетрясений. Журнал «Природа», 1989, №12. С.60-64.

Использование: изобретение относится к области сейсмологии и предназначено при изучении прогноза землетрясений. Сущность: исследования проводятся на территории измерительного полигона, например городской агломерации или важного хозяйственного объекта, определяют M - магнитуду и t - время землетрясения известными мониторинговыми наблюдениями с аппаратурой, размещаемой в пределах территории измерительного полигона. Мониторинговые наблюдения на измерительном полигоне осуществляют сетью сейсмологической аппаратуры из не менее 4, предпочтительнее 10-14, трехкомпонентных регистраторов сейсмических колебаний, размещаемых друг от друга на заданных расстояниях в пределах измерительного полигона, и одновременно аппаратурой для слежения за изменением уровня воды в одной гидрогеологической скважине, причем уровень воды в гидрогеологической скважине должен реагировать на лунно-солнечные приливы. По сейсмическим записям от источника сейсмических волн - далеких землетрясений (на расстояниях более 2°) устанавливают магнитуду будущего землетрясения, а по реакции водоносного горизонта в гидрогеологической скважине на влияние лунно-солнечных приливов устанавливают временное окно среднесрочного прогноза, начало краткосрочного прогноза и определяют время наступления землетрясений. Время начала временного окна среднесрочного прогноза землетрясения определяют по времени t₁ - начала прекращения реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечного прилива, а время начала краткосрочного прогноза землетрясения t₂ устанавливают исходя из времени возобновления реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечного прилива. Момент наступления землетрясения t₀ относительно t₁ определяют по зависимости t₀ ={[(t₂-t₁)+1]+(1+/-1)}, где время t₀, t₁ и t₂ определяют в сутках. Технический результат: определение магнитуды и времени землетрясения с точностью (+/-) 1 сутки для территории измерительного полигона. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ прогноза землетрясений, основанный на определении двух из трех основных параметров землетрясения t - время, x,y - координаты гипоцентра, М - магнитуда, отличающийся тем, что для территории измерительного полигона, например городской агломерации или важного хозяйственного объекта, осуществляют мониторинговые наблюдения сетью сейсмологической аппаратуры из не менее 4, предпочтительнее 10-14, трехкомпонентных регистраторов сейсмических колебаний, размещаемых друг от друга на заданных расстояниях в пределах измерительного полигона, и одновременно аппаратурой для слежения за изменением уровня воды в одной гидрогеологической скважине, причем уровень воды в гидрогеологической скважине должен реагировать на лунно-солнечные приливы, и по сейсмическим записям от источника сейсмических волн - далеких землетрясений (на расстояниях более 2°) устанавливают M - магнитуду будущего землетрясения, а по реакции водоносного горизонта в гидрогеологической скважине на влияние лунно-солнечных приливов устанавливают временное окно среднесрочного прогноза, начало краткосрочного прогноза и определяют t₀ - время наступления землетрясений.

2. Способ прогноза землетрясений по п.1, отличающийся тем, что М - магнитуду будущего землетрясения определяют известным способом по изменению интегральных характеристик напряженного состояния геологической среды под территорией измерительного полигона по записям сейсмологической аппаратуры и градуировочной шкалы, устанавливаемой экспериментально по результатам мониторинга сейсмологической аппаратурой, а время начала временного окна среднесрочного прогноза землетрясения определяют по времени t₁ - начала прекращения реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечного прилива, о чем судят по отсутствию изменения уровня воды в гидрогеологической скважине, а время начала краткосрочного прогноза землетрясения t₂ устанавливают исходя из времени возобновления реакции водоносного горизонта на влияние лунно-солнечного прилива на изменение уровня воды в гидрогеологической скважине, о чем судят по изменению уровня воды в гидрогеологической скважине, при этом момент наступления землетрясения t₀ относительно t₁ определяют по зависимости t₀={[(t₂-t₁)+1]+(1+/-1)}, где время t₀, t₁ и t₂ определяют в сутках.