Способ краткосрочного определения подготовки сильного сейсмического события Российский патент 2023 года по МПК G01V1/30 

Техническое решение относится к сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного определения подготовки сильного сейсмического события по результатам обработки непрерывных временных рядов данных деформационного мониторинга в сейсмоактивных зонах литосферы.

Известен способ определения предвестника землетрясения, включающий измерение сигналов электростатических аномалий сетью сейсмических станций с выделением контрольных зон, определение их энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса, выявление миграции локальных областей сейсмической активности, по изменению параметров которой судят о местоположении и величине готовящегося землетрясения в сейсмоактивной зоне, при этом определение электромагнитных предвестников землетрясения выполняют с учетом амплитуд частоты резонанса в волноводе Земля-ионосфера на фиксированных частотах с размещением по крайней мере одной из сейсмических станций на космической орбите, определение в качестве предвестника землетрясения повышенного содержания радона в подземных водах, определение в качестве предвестника землетрясения повышенного содержания водорода на линиях разлома, в котором определение энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса производят в моменты, когда частота временного хода синусоидального периодического процесса будет соизмерима с частотой циклического времени измерения, измерение сигналов электрических аномалий наземными станциями производят на фиксированных частотах 7,8; 14,4; 20,3 Гц, а станцией, находящейся на космической орбите, измерения регистрируют в инфранизкочастотном диапазоне в области первой резонансной частоты, при этом максимальные значения амплитуды определяют по гармонической составляющей электромагнитной волны, ограниченной по контуру поверхности, причем максимальные значения амплитуд определяют для нескольких точек с вещественными или плановыми координатами с учетом высоты уровня моря для каждой точки (патент РФ 2269145, G01V 9/00, 2006 г., [1]).

Данный способ определения предвестника землетрясения весьма дорогостоящий и, при этом, с учетом влияния внешних факторов, помех и измерительных ошибок приборов, точность прогноза крайне невысока.

Известен способ краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала A(t), находят спектр Фурье от зарегистрированной функции, в котором регистрацию осуществляют в двух разнесенных по координатам пунктах, спектр Фурье рассчитывают от последовательности выборок измерений с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2F_max/σ, вычисляют автокорреляционные функции В(τ) сигналов выборок и определяют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δτ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага

определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиуса векторов пунктов с косинусом угла при вершине

вычисляют период Т₀ параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду М≅110/Т²₀ (ч) и время удара t_x≅2,3Т₀, где F_max - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц; σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений; а - длина базы между двумя пунктами, м; v - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с; B₁(0), В₂(0) - значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта (патент РФ 2181205, G01V 9/00, 2002 г., [2]).

Недостатки известного решения: для выполнения прогноза необходимо иметь данные как минимум с 2-х разнесенных пунктов наблюдения, что существенно повышает затраты на мониторинг, также недостаточно велика достоверность прогноза.

Известен способ определения приближения сейсмического события, при котором регистрируют микросейсмические колебания и на основе сравнения спектров средних фоновых и наблюдаемых перед землетрясением колебаний рассчитывают коэффициент множественной регрессии и по снижению уровня сигнала-предвестника в спектральном окне 25-40 Гц делают вывод о приближении сейсмического события (патент РФ 2572465, G01V 1/00, 2015 г., [3]).

Недостатком известного решения является неспособность оценить положение очага готовящегося землетрясения, недостаточно велика достоверность прогноза.

По назначению, по технической сущности и по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности краткосрочного определения приближения землетрясений с указанием места и времени сейсмического события в сейсмической зоне.

Техническим результатом является регистрация сигнала-предвестника за период от нескольких суток до нескольких часов до землетрясения.

Технический результат достигается тем, что в способе краткосрочного определения подготовки сильного сейсмического события, включающем инструментальный мониторинг сигнала-предвестника в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны, оценку ее динамического состояния по результатам компьютерной обработки получаемого временного ряда данных, определение подготовки сильного сейсмического события по изменению во времени характеристик сигнала-предвестника, в качестве сигнала-предвестника используют низкочастотные микросейсмические колебания, проводят спектрально-временной и поляризационный анализ регистрируемого сигнала-предвестника и по повышению уровня сигнала в определенном спектральном окне определяют приближение сейсмического события и его положение.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.

Предлагаемое техническое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками: способ краткосрочного определения приближения сильного сейсмического события, включающий:

- инструментальный мониторинг сигнала-предвестника в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны;

- оценку динамического состояния сейсмоактивной зоны по результатам компьютерной обработки получаемого временного ряда данных;

- определение подготовки сейсмического события по изменению во времени характеристик сигнала-предвестника.

Предлагаемое техническое решение характеризуется признаками, отличительными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:

- в качестве сигнала-предвестника используют вариации уровня низкочастотных микросейсмических колебаний (0,01-1 Гц);

- проводят спектрально-временной и поляризационный анализ регистрируемого сигнала-предвестника;

- по повышению уровня сигнала в определенной полосе частот определяют приближение сейсмического события;

- по смене поляризации колебаний сигнала в определенной полосе частот определяют положение очага сейсмического события.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Преобладающее большинство землетрясений, особенно средней силы и сильные, как правило, связаны с подвижками по уже существующим разломам или их разрастанием (удлинением). Подвижки происходят при каждой активизации и каждая подвижка синхронна сейсмическому событию. Периодичные во времени активизации разрывов и возбуждение в них сейсмических событий подчиняются периодичности прохождения деформационных волн, физические параметры которых отражаются в направленности и интенсивности (скорости) возникновения событий в областях динамического влияния разломов.

Важнейшей задачей является выбор сигнала-предвестника, отражающего реальные геофизические процессы в литосфере, и изменения которого однозначно (с большой вероятностью) свидетельствуют о приближении сейсмического события в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны.

Микросейсмические колебания природного происхождения несут в себе информацию обо всем многообразии деформационных процессов, происходящих в земной коре на различных энергетических уровнях - от перемещений тектонических плит и связанных с ними катастрофических землетрясениях до лунно-солнечных приливных деформационных процессов и микроземлетрясений.

По результатам анализа инструментально регистрируемых сейсмических параметров и последующей обработки полученных данных, авторами в качестве такого сигнала-предвестника выбраны вариации уровня низкочастотных микросейсмических колебаний, являющиеся следствием изменения состояний энергетически напряженных неустойчивых разрывных структур литосферы. И именно такие повышения энергетических состояний являются причиной активизации сейсмоактивной зоны и, как правило, грядущих сейсмических событий. Использование данного сигнала-предвестника в значительной степени повышает достоверность определения подготовки землетрясений, т.к. микросейсмические колебания отражают внутреннее состояние геофизической системы. Иные возможные предвестники - электромагнитные поля, радоновая активность - в значительной мере подвержены воздействиям внешних атмосферных и иных факторов, и в меньшей степени отражают состояние сейсмоактивной зоны, а, следовательно, их использование снижает достоверность определения подготовки сейсмического события.

По результатам регистрации сейсмических параметров установлено значительное повышение уровня низкочастотного микросейсмического шума и резкая смена его поляризации в частотном диапазоне 0,01-1 Гц за временной период от нескольких суток до нескольких часов до землетрясения (максимальный период - за 10 суток до землетрясения). Эти эффекты (повышение уровня микросейсмического шума и смена его поляризации) наблюдались также в течение нескольких дней и часов после землетрясения. Максимальный период составил 4 суток после землетрясения, после чего амплитуда колебаний микросейсмического шума достигла своей нормальной величины, а поляризация колебаний сменилась на обычную «фоновую».

Методом спектрально-временного и поляризационного анализа низкочастотного микросейсмического шума для сорока девяти землетрясений Байкальской рифтовой системы (БРС) установлено значительное увеличение уровня микросейсмического шума и резкая смена его поляризации в частотном диапазоне 0.01-1 Гц за несколько суток перед толчком, что может классифицироваться как краткосрочный предвестник. Указанный эффект может быть использован для автоматического определения приближающегося сильного сейсмического события и уточнения его положения на объектах повышенной опасности, располагающихся в сейсмически активных зонах.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области выявил следующее.

Известна работа А.А. Любушина «Сейсмическая катастрофа в Японии 11 марта 2011 г. Долгосрочный прогноз по низкочастотным микросейсмам» (журнал «Геофизические процессы и Биосфера», 2011, т. 10, №1, с. 9-35, [4]), в которой по данным двух или более разнесенных сейсмостанций отслеживаются параметры когерентности низкочастотных микросейсм.

Известен способ определения ширины и релаксационных характеристик зоны тектонического нарушения, включающий регистрацию упругих колебаний сейсмоприемниками, размещенными на профиле, определение скорости распространения упругих колебаний и суждение по полученным данным о местоположении границ тектонического нарушения, в котором в качестве упругих колебаний регистрируют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ), сейсмоприемники располагают с шагом, обеспечивающим размещение по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения, на профиле, расположенном вкрест простирания зоны тектонического нарушения, скорость распространения ИКВТ определяют на каждом участке между двумя соседними пунктами регистрации, дополнительно определяют спектральную плотность мощности ИКВТ для каждого пункта, а о ширине зоны тектонического нарушения судят по величине ширины зоны, в которой скорость распространения упругих колебаний (С) уменьшается на величину а≥3 по сравнению со скоростью распространения упругих колебаний, определенной вне зоны тектонического нарушения, где а - среднеквадратичная ошибка определения С, при этом релаксационные характеристики: Т1 - время релаксации напряжения при постоянной деформации, Т2 - время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т3 - время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации, Т4 - время релаксации деформации при постоянном среднем давлении, определяют по спектральной плотности мощности ИКВТ, определенной для зоны тектонического нарушения и вне нее путем моделирования, аппроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса (патент РФ 2077736, G01V 9/00, 1997 г., [5]).

Известен способ оперативного прогнозирования землетрясений, тектонических и техногенных подвижек, включающий измерение сигналов в геофизических полях деформационной природы, отбор аномальных сигналов, определение на основании измерений магнитуды, места и времени землетрясений, масштаба и места тектонических и техногенных подвижек, в котором измеряют не менее тремя прогностическими станциями амплитуду и частоту повторений импульсных сигналов и частоту повторений серий импульсных сигналов, скорость нарастания фронта и длительность импульсных сигналов и по полученным данным проводят отбор аномальных сигналов, после чего измеряют продолжительность стадии увеличения интенсивности аномального сигнала, продолжительность стадии уменьшения интенсивности аномального сигнала и продолжительность стадии замирания аномального сигнала на каждой прогностической станции, при этом расстояния от прогностических станций до гипоцентра землетрясений, места тектонических и техногенных подвижек определяют из соотношения

где t₁ - продолжительность стадии увеличения интенсивности аномального сигнала, с;

t₂ - продолжительность стадии уменьшения интенсивности аномального сигнала, с;

t₃ - продолжительность стадии замирания аномального сигнала, с;

М - магнитуда;

К₁, К₂, К₃ - масштабные коэффициенты, характеризующие региональные особенности процесса подготовки тектонического землетрясения, тектонической и техногенной подвижки;

A₁ - постоянная, характеризующая масштаб очаговой зоны;

B₁ - масштабная поправка к A₁;

А₂ - постоянная, характеризующая масштаб процесса уменьшения интенсивности аномального сигнала;

B₂ - масштабная поправка к А₂;

А₃ - постоянная, характеризующая процесс замирания интенсивности аномального сигнала;

B₃ - масштабная поправка к А₃;

С - постоянная, характеризующая время развития неупругих деформаций в очаге;

Т - постоянная, характеризующая время развития процесса подготовки землетрясений, тектонической, техногенной подвижки для данного региона;

р - постоянная, характеризующая поправку к продолжительности стадии увеличения сигнала для данного района;

q - постоянная, характеризующая поправку к продолжительности стадии уменьшения аномального сигнала для данного региона;

D - ошибка измерений (патент РФ 2106001, G01V 9/00, 1998 г., [6]).

Известен способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающий регистрацию сейсмического фона в виде дискретных цифровых отсчетов амплитуд сигналов во взаимно ортогональных плоскостях Ах(t), Ay(t) в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, оси чувствительности которых по координате х ориентируют по направлению базы, обработку зарегистрированных сигналов расчетом спектра Фурье от последовательности выборок измерений, в котором вычисляют одномоментные спектры Фурье ортогональных сигналов Fx, Fy для каждого из пунктов, определяют направление на фазовый фронт сейсмического фона каждого из пунктов

, отождествляет момент начала сейсмического процесса с условием Q₁≠Q₂, гипоцентр которого находят как точку пересечений лучей, исходящих из начала координат пунктов под углами Q₁ и Q₂; находят период Т сейсмических волн для каждого момента времени t как

,

по зависимости периода (Т) механических колебаний от колебательной массы (m), коэффициента жесткости земной коры (к), углового ускорения А⋅ω² получают функцию плотности распределения вероятности от относительной скорости изменения периода и аналитическое выражение для функции изменения периода T(t)=e^bt, рассчитывают время сейсмического удара от момента начала сейсмического процесса

и магнитуду удара из соотношения lgt_y [сут]=0,54М-3,37, где b - расчетный параметр наблюдаемого сейсмического процесса , Δt=t₂-t₁ - интервал времени между двумя измерениями периода Т; T_max - максимальная длительность периода сейсмических волн наблюдаемого процесса, ч (патент РФ 2458362, G01V 9/00, 2012 г., [7]).

В результате поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся совокупностью признаков, аналогичной или идентичной совокупности признаков, характеризующей предлагаемое техническое решение, обеспечивающей при использовании достижение аналогичных технико-экономических результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг. 1. Сейсмограммы землетрясения 09.12.2020 г. и микросейсмического шума в разные периоды времени до и после толчка и его спектрограммы и поляризационные диаграммы, зарегистрированные на сейсмостанции Куяда.

Фиг. 2. СВАН-диаграммы (спектрограммы) и поляризационные диаграммы микросейсмического шума в частотном диапазоне 0.01-1 Гц перед и после Кударинского землетрясения на станции Куяда.

Фиг. 3. Поляризационные диаграммы в частотном диапазоне 0.01-1 Гц микросейсмического шума перед Кударинским землетрясением на станциях, расположенных в различных азимутах относительно эпицентра.

Фиг. 4. Выделение зоны очага готовящегося сильного сейсмического события (область обведена тонкой сплошной линией) по данным об ориентации колебаний микросейсмического шума. Звездочкой показан эпицентр Кударинского землетрясения, пунктиром - азимуты колебаний микросейсмического шума, треугольниками с точками внутри обозначены станции, на которых наблюдалась смена поляризации колебаний микросейсмического шума с ориентацией на эпицентр землетрясения. Условные обозначения: 1 - ЦСС Байкальского филиала ФИЦ ЕГС РАН; 2 - ЦСС Бурятского филиала ФИЦ ЕГС РАН; 3 - государственная граница; 4 - границы административного деления РФ.

Предлагаемый способ краткосрочного определения приближения сильного сейсмического события реализуется следующим образом. В качестве примера было выбрано Кударинское землетрясение 09 декабря 2020 г. в 21:44:34 (время UTC) с энергетическим классом Кр=14.0, магнитуда Mw=5.6. Анализировались сейсмограммы микросейсмического шума перед и после землетрясения, полученные на широкополосных сейсмических станциях, расположенных в пределах центральной части БРС (эпицентральные расстояния варьировались от 30 до 250 км). На Фиг. 1 для примера показаны сейсмограммы Кударинского землетрясения и микросейсмического шума перед ним (Фиг. 1).

Для всех сейсмических станций на расстояниях до 250 км был определен средний спектр микросейсмического шума и его поляризация в низкочастотной области от 0,01 до 1 Гц. Далее выполнялся спектрально-временной анализ 30-минутных участков записи микросейсмических колебаний (Фиг. 2): для них строились СВАН-диаграммы (спектрограммы) и поляризационные диаграммы, показывающие направление колебаний в горизонтальной плоскости. Далее проводилось сравнение полученных текущих спектров и поляризационных диаграмм со средними спектрами и поляризационными диаграммами для каждой станции.

На Фиг. 2 приведены примеры вариаций уровня микросейсм за несколько суток до и после сильного Кударинского землетрясения. Явно видно постепенное повышение уровня текущего спектра микросейсмических колебаний относительно среднего, а также резкая смена ориентации колебаний с беспорядочной на выраженную северо-западную - юго-восточную (Фиг. 2).

Анализ микросейсмического шума на станции Куяда в интервале от 0,01 до 1 Гц выявил периодическое увеличение амплитуд колебаний по горизонтальным компонентам в частотном диапазоне 0,01-0,1 Гц за период от 10 дней до Кударинского землетрясения и до 4 дней - после (до 20 часов 13 декабря, Фиг. 2). За 14 часов до Кударинского землетрясения и 9 часов после него наблюдалось максимальное увеличение амплитуд колебаний - максимум составил 19.5 относительно спокойного фона (Фиг. 2).

На Фиг. 3 приведены поляризационные диаграммы колебаний микросейсмических шумов в горизонтальной плоскости в частотном диапазоне 0,01-1 Гц для сейсмических станций, расположенных в центральной части БРС. Для удаленных станций (эпицентральное расстояние больше 130 км) выраженная ориентация колебаний отсутствует, в то время как для станций, близких к эпицентру, наблюдается резкая смена ориентации колебаний. Необходимо отметить, что на станциях, расположенных в разных азимутах относительно эпицентра Кударинского землетрясения, ориентация колебаний в горизонтальной плоскости заметно отличается, при этом, совпадая с азимутом на эпицентр. Среди этих станций выделяется группа достаточно удаленных станций с ориентацией колебаний, перпендикулярной к азимуту на эпицентр - эти станции расположены в зонах крупных разломов, ограничивающих Южнобайкальскую впадину, или за ними.

Сравнение спектрограмм и поляризации по трем компонентам (N-S, E-W и вертикальная) показало, что усиление колебаний наблюдалось только для горизонтальных компонент, для амплитуд вертикальной компоненты значительных изменений не обнаружено. Диаграммы направлений движений частиц (поляризационные диаграммы, Фиг. 2, Фиг. 3) показали, что движения происходили в горизонтальной плоскости, что говорит о доминировании в поле микросейсмических шумов объемных волн сжатия и растяжения.

На Фиг. 4 приведен пример использования поляризации микросейсмических колебаний для определения зоны готовящегося сейсмического события. Для этого на карту наносятся отрезки с точкой начала в месте локализации сейсмической станции и с азимутом колебаний, полученным по поляризационной диаграмме (на Фиг. 4 эти отрезки показаны пунктирными линиями). Район пересечения этих отрезков указывает на зону готовящегося сильного сейсмического события. Наблюдаемые отклонения точного азимута на эпицентр землетрясения и ориентации колебаний, полученной по поляризационной диаграмме, частично объясняются использованием среднего азимута ориентации колебаний, а не всего азимутального створа, в котором наблюдаются колебания, а также размерами эпицентральной зоны сильного землетрясения, занимающего достаточно большой и протяженный объем.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять краткосрочное определение подготовки сильного сейсмического события и его положение и предпринять необходимые меры по предотвращению серьезных последствий на объектах повышенной опасности, на которых ведется сейсмический мониторинг.

Источники информации

1. Патент РФ 2269145, GO1V 9/00, 2006 г.

2. Патент РФ 2181205, G01V 9/00, 2002 г.

3. Патент РФ 2572465, G01V 1/00, 2015 г.

4. А.А. Любушина «Сейсмическая катастрофа в Японии 11 марта 2011 г. Долгосрочный прогноз по низкочастотным микросейсмам» (журнал «Геофизические процессы и Биосфера», 2011, т. 10, №1, с. 9-35.

5. Патент РФ 2077736, G01V 9/00, 1997 г.

6. Патент РФ 2106001, G01V 9/00, 1998 г.

7. Патент РФ 2458362, G01V 9/00, 2012 г.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для определения подготовки сильного сейсмического события. Сущность: с использованием широкополосных сейсмических станций, расположенных в пределах локального участка сейсмоактивной зоны, выполняют мониторинг низкочастотных микросейсмических колебаний. Проводят спектрально-временной и поляризационный анализы регистрируемого сигнала. По увеличению уровня сигнала и смене поляризации колебаний в спектральном окне 0,01-1 Гц делают вывод о наступлении сильного сейсмического события и его положении. Технический результат: определение наступления сильного сейсмического события за период от нескольких суток до нескольких часов. 4 ил.

Способ краткосрочного определения подготовки сильного сейсмического события, включающий инструментальный мониторинг предвестника сейсмического события в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны, определение подготовки сильного сейсмического события по изменению во времени характеристик сигнала-предвестника, отличающийся тем, что в качестве предвестника сейсмического события используют низкочастотные микросейсмические колебания, регистрируемые широкополосными сейсмическими станциями, проводят спектрально-временной и поляризационный анализ регистрируемого сигнала-предвестника и по увеличению уровня сигнала-предвестника и смене поляризации колебаний в спектральном окне 0,01-1 Гц делают вывод о подготовке сейсмического события и его положении.