Способ определения времени и места землетрясения Российский патент 2025 года по МПК G01V1/01 G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмологии и направлено на осуществление краткосрочного прогноза времени и места землетрясения. Реализация данного изобретения направлена на снижение негативных последствий тектонических землетрясений.

Предлагаемый способ основан на экспериментально полученных закономерностях поведения радона при изучении процесса подготовки землетрясений на Южно-Курильском геодинамическом полигоне. Анализ многолетнего непрерывного ряда наблюдений объемной активности почвенного радона (ОАР) с 2011 по 2018 гг. показал наличие причинно-следственной связи между землетрясениями и вариациями ОАР. Для анализа были исследованы сейсмические события с магнитудой более 4, произошедшие на расстоянии не более 500 км от пункта наблюдений [1]. В методике прогнозирования используется соотношение магнитуды к логарифму расстояния [2]. Всего за указанный промежуток времени произошло 166 землетрясений с магнитудой более 4.0 и 148 из них отразились в кривых ОАР (фиг.1).

На большом фактическом материале был установлен разный временной интервал отражения на кривой ОАР близких и далеких от точки наблюдений землетрясений, тем самым определена ближняя зона (как зона сжатия) и дальняя зона (как зона растяжения). Близкие землетрясения отражаются на кривой ОАР, начиная от выхода аномалии на фоновый уровень в интервале времени до 28 суток. Дальние землетрясения отражаются на кривой ОАР, начиная от прохождения максимума аномалии на нисходящей ветви в интервале времени до 6 суток (фиг.2). Для Южно-Курильского полигона (зона субдукции) радиус ближней зоны R₂ (зона сжатия) составил менее 130 км, радиус дальней зоны R₁ (зона растяжения) более 180 км (фиг.2).

События ближней и дальней зон существенно отличаются их отражением в кривой ОАР, что позволяет использовать эти различия в прогностических целях. Аномалии в дальней зоне вызываются процессами интенсивного разрушения горных пород в очаге. Сам момент этого землетрясения отражается в дальней зоне в кривой ОАР, начиная от ее максимума на нисходящей ветви в интервале времени до 6 суток. События ближней зоны отражаются на кривой ОАР, начиная от выхода аномалии на первоначальный фоновый уровень в интервале времени до 28 дней, что существенно больше диапазона времени, принятого для кратковременного прогноза.

Физической основой предлагаемого способа служит причинно-следственная связь между процессами сжатия и растяжения, которые разным образом влияют на пористость и проницаемость горных пород. Растяжение в одной области вызывает компенсационное сжатие в другой [3]. Соответственно снятие сжимающих напряжений при деструктивных процессах в очаге в момент землетрясения или незадолго до него, вызовут снятие (на какое-то время) растягивающих напряжений за пределами очага (в дальней зоне). Это приводит к возвращению проницаемости к исходному уровню, соответственно, уменьшению объема пор за счет чего радон выдавливается в сообщающуюся часть порового пространства. Землетрясение, при наблюдении ОАР в зоне растяжения (дальней зоне) отражается на кривой ОАР в интервале времени от ее максимума до 6 суток после него. Таким образом, начавшийся деструктивный процесс в очаге вызывает аномалию ОАР в зоне растяжения (дальней зоне). Контролируя ОАР в дальней зоне и считая, что аномалия связана с процессом разрушения в очаге, мы можем давать прогноз по времени в пределах 6 суток, считая от прохождения максимума аномалии.

Способ реализуется следующим образом: на четырех точках мониторинговых наблюдений, расположенных на местности в углах квадрата, со стороной не менее радиуса дальней зоны R₁, в режиме непрерывной откачки из шпуров глубиной не менее 0.7 метра измеряется объемная активность почвенного радона (фиг.3). Следует отметить, что создание такой сети наблюдений целесообразно в случаях защиты конкретных объектов (мегаполисов, опасных производств и так далее).

При появлении аномалии ОАР на любой из наблюдательных точек (предполагается, что появившаяся аномалия связана с событием в ближней зоне), отслеживается появление аномалии ОАР на любой другой точке, которые заведомо будут находиться в дальней зоне, относительно первой точки. Появление таких аномалии подтверждает, что появившаяся аномалия на первой точке, связана с событием в ближней зоне. Тогда прогноз возможного землетрясения дается в интервале времени 0-6 суток, начиная от прохождения максимума аномалии ОАР полученной на точке в дальней зоне, с эпицентром на площади, ограниченной кругом с радиусом, равным радиусу ближней зоны R₂ и с центром в точке появления первой аномалии. В случае попадания эпицентра готовящегося землетрясения в перекрывающуюся зону, возможно появления аномалий на 2 точках ближней зоны, тогда дается прогноз на нахождение возможного эпицентра в перекрытие двух зон (фиг.3).

В случае, если аномалия появилась только на одной точке, а на трех других аномалий ОАР зафиксировано не будет, то скорее всего, первая аномалия связана с далеким, относительно первой точки, событием, которое не угрожает исследуемому району. Для уменьшения ложных прогнозов необходимо контролировать по сейсмическому каталогу зарегистрированные землетрясения, в радиусе до 1000 км, с магнитудой до 7.0. Если такое событие произошло в прогнозируемом интервале времени (0-6 суток), то прогноз ожидаемого близкого землетрясения снимается. Рисунок (фиг.3) иллюстрирует схему расположения наблюдательных точек и радиусы охвата событий ближней зоны. Как видно из рисунка, даже при попадании эпицентра землетрясения в перекрывающуюся область, всегда остаются точки, расположенные в дальней зоне.

Реализация предлагаемого способа возможна только в режиме непрерывной откачки почвенного радона. Так как при этом режиме измерений аномалии радона носят непродолжительный характер (первые сутки) и имеют характерные точки, от которых определяется время краткосрочного прогноза.

Сравнение с известными способами

Известен способ предсказания времени землетрясения в сейсмоактивном районе [4]. Способ заключается в отборе проб в газообразной и жидкой фазе и измерении содержаний гелия, радона, водорода, торона, углекислого газа и по резкому увеличению их концентрации определять время землетрясения.

Недостатком данного способа является отсутствие количественных параметров определения времени землетрясения относительно экстремумов изменения концентрации измеряемых газов, большие затраты на реализацию отбора проб и измерений, необходимость определения зон разломов, что представляет дополнительную задачу и бурения скважин в них. Кроме того, необходимо наличие многоплановой аппаратурной базы, что снижает оперативность и удорожает проведение исследований.

Известен способ контроля напряженного состояния горных пород по содержаниям радиогенных газов [5]. Способ заключается в отборе проб радиогенных газов из шпуров и скважин в горных выработках. Определение содержаний радона, торона, гелия и по ее увеличению определяют приближение времени разрушения горных пород.

Недостатком данного способа является отсутствие количественных характеристик времени наступления разрушения после изменения содержания измеряемых компонентов. Необходимость проведения отбора проб и последующего измерения в них искомых компонент снижает оперативность прогноза, который для горных ударов должен быть в пределах нескольких часов.

Известен способ краткосрочного прогноза землетрясений [6]. Способ заключается в измерении радиационного фона атмосферы над зоной готовящегося землетрясения. Отслеживают динамику изменения сигнала предвестника на интервале его существования. Прогнозируют характеристики сейсмического удара по параметрам регистрируемого сигнала. При этом для увеличения скорости деления радона используют активное зондирование атмосферы коллимированным пучком элементарных частиц с подвижного носителя. Подвижный носитель настраивают на режим сканирующего обзора и патрулирования контролируемой зоны. Синхронизируют тракты зондирования и приема путем введения порогового напряжения в тракт приема. Осуществляют временную и энергетическую селекцию частиц мгновенной реакции радона на пучок зондирования. За счет инициирования распада радона активным воздействием повышают оперативность прогноза, и повышают точность расчетных параметров сейсмического удара.

Существенным недостатком данного способа является необходимость использования пучка высокоэнергетических частиц, что требует организации радиационной защиты при реализации способа. Кроме того, требуется предварительное установления зоны готовящегося землетрясения, что само по себе уже является целью прогноз.

Известен способ прогноза землетрясений [7], заключающийся в проведении режимных наблюдений изменения концентрации радона в массиве горных пород, отличающийся тем, что производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину. По серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии. Указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события.

Недостатком данного способа является отсутствие количественных характеристик времени и положения эпицентра проявления землетрясения в зависимости от характерных точек кривой ОАР. Необходимость одновременного измерения поступившей сейсмической энергии усложняет и удорожает наблюдательную сеть. Для определения положения эпицентральной зоны необходимо создавать густую сеть наблюдательных станций.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом

За наиболее близкий аналог (прототип) предлагаемого изобретения взят способ прогнозирования динамических проявлений горного давления [8]. Согласно данного изобретения, поведение объемной активности радона (ОАР) при подготовке горных ударов различается в зоне эпицентра - зона сжатия (ближняя зона) и в зоне растяжения (дальняя зона). События ближней зоны отражаются в кривой ОАР после выхода аномалии на фоновые значения. События дальней зоны отражаются, начиная от максимума аномалии ОАР, на ее нисходящей ветви. Физической основой различия поведения ОАР в ближней и дальней зонах служат особенности выделения радона в зоне сжатия и растяжения.

Появление аномалии ОАР в зоне эпицентра готовящегося события связано с сжатием горных пород. При сжатии радон выдавливается из пор и трещин до их закрытия, после чего выделение радона прекращается (аномалия ОАР уменьшается до фоновых значений), но сжатие продолжается до достижения критических нагрузок, при которых происходит разрушение горных пород. При начале разрушения горных пород в очаге происходит сброс (снижение) напряжений в зоне растяжения и трещины (проницаемость) возвращаются в исходное состояние, выдавливая при этом радон в сообщающееся поровое пространство. Этот «выдавленный радон» вызывает кратковременное повышение ОАР в дальней зоне. То есть поведение аномалии ОАР в дальней зоне определяется процессами в очаге, непосредственно перед землетрясением.

Недостатком данного способа, взятого за прототип, является отсутствие количественных критериев определения времени проявления горного удара. Неопределенность в определении эпицентра, в случае горных ударов не критична, так как радиус ближней зоны небольшой, практически в пределах горной выработки. Кроме того, время подготовки горного удара (часы, первые сутки) существенно меньше, чем для землетрясений, что позволяет реализовать краткосрочный прогноз непосредственно по поведению кривой ОАР. В отличие от горных ударов, подготовка землетрясений длится существенно большее время и захватывает большие объемы горных пород, поэтому временные и пространственные критерии для горных ударов не применимы при прогнозе тектонических землетрясений.

Предлагаемый способ, в отличие от других, позволяет получить количественные характеристики времени проявления ожидаемого события относительно реперных точек кривой ОАР и оценить пространственное положение эпицентра.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Отражение землетрясений в поле ОАР.

Зеленые квадраты - подготовка землетрясений отразилась в ОАР, красные точки - не отразилась. К (M/lgR) - отношение магнитуды к логарифму расстояния от точки наблюдения до эпицентра.

Фиг. 2 Время проявления землетрясений с отношением M/logR≥2 в зависимости от расстояния от точки наблюдения до эпицентра землетрясения.

За начало координат взят конец аномалии ОАР. Точками отмечены землетрясения. Пунктирными линиями выделены дальняя и ближняя зоны. Началом координат взята точка окончания аномалии ОАР. Отрицательные значения характеризуют отражение землетрясения во временном интервале между максимумом и окончанием аномалии. Положительные значения соответствуют временному интервалу после окончания аномалии и выходу на фоновые значения. Ось ординат показывает расстояние в километрах от станции мониторинга до произошедшего сейсмического события.

Фиг. 3 Схема расположения точек мониторинга ОАР друг относительно друга.

Кругами показаны радиусы зон. R₁ - радиус дальней зоны. R₂ - радиус ближней зоны. Треугольниками обозначены точки мониторинга ОАР.

Использованные источники

1. Козлова И.А., Бирюлин С.В., Юрков А.К. Поведение аномалий объемной активности почвенного радона во время подготовки тектонических землетрясений // Литосфера. 2021. Т.21. №5. С.724-733.

2. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М. ИФЗ АН СССР. 1991. 224 с.

3. Уткин, В.И. Динамика выделения радона из массива горных пород как краткосрочный предвестник землетрясения / В.И. Уткин, А.К. Юрков // Доклады РАН. - 1998. - Т. 358, №5. - С.675-680.

4. Патент СССР 284331. Способ предсказания землетрясений в сейсмоактивном районе / Лучинин И.А. Заявл. 26.08.1967. Опубл. 14.10.1970.

5. Патент СССР 548720. Способ контроля напряженного состояния горных пород / Лучинин И.А. и др. Заявл. 18.09.1969. Опубл. 28.02.1977.

6. Патент РФ 2395105. Способ краткосрочного прогноза землетрясений / Бондур В.Г. и др. Заявл. 11.12.2008. Опубл. 20.07.2010.

7. Патент РФ 2269145. Способ прогноза землетрясений / Уткин В.И., Юрков А.К. Заявл. 23.08.1996. Опубл. 10.03.1998.

8. Патент РФ 2269145. Способ прогноза динамических проявлений горного давления / Уткин В.И., Юрков А.К. Заявл. 08.06.1994. Опубл. 27.10.1997.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для определения времени и места землетрясения. Сущность: выполняют непрерывные измерения объемной активности почвенного радона (ОАР) в режиме непрерывной откачки из шпуров в как минимум четырех точках, расположенных на площади в углах квадрата со стороной, равной радиусу дальней зоны R₁. В случае появления аномалии ОАР на любой точке отслеживается появление аномалии на оставшихся точках. При обнаружении аномалии ОАР на любой из оставшихся точек делают вывод о возможном землетрясении в течение 0-6 суток, начиная с момента прохождения максимума аномалии ОАР на этой точке, в области, ограниченной радиусом ближней зоны R₂ с центром в точке, где появилась первая аномалия. Технический результат: определение времени и места землетрясения. 3 ил.

Способ определения времени и места землетрясения, основанный на непрерывных измерениях объемной активности почвенного радона (ОАР) в режиме непрерывной откачки из шпуров в как минимум четырех точках, расположенных на площади в углах квадрата со стороной, равной радиусу дальней зоны R₁, отличающийся тем, что в случае появления аномалии ОАР на любой точке отслеживается появление аномалии на оставшихся точках, при обнаружении аномалии ОАР на любой из оставшихся точек делают вывод о возможном землетрясении в течение 0-6 суток, начиная с момента прохождения максимума аномалии ОАР на этой точке, в области, ограниченной радиусом ближней зоны R₂ с центром в точке, где появилась первая аномалия.