Способ определения предвестника землетрясения
Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при прогнозе катастрофических явлений. Заявлен способ определения предвестника землетрясения. Способ включает измерение сигналов электрических 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. Измерение сигналов электрических аномалий производят 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 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. Миграцию локальных областей сейсмической активности выявляют с учетом концентрации содержания радона в подземных водах и водорода над линией разлома в выделенных контрольных зонах. Технический результат: повышение достоверности прогноза землетрясений.
Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно к сейсмологии, а именно к способам прогнозирования землетрясений.
Известные способы прогнозирования землетрясений [1, 2] включают наблюдения за распространением в горных породах искусственно возбуждаемых взрывами или ударными и вибрационными генераторами упругих волн с помощью сейсмографов [3, 4], с регистрацией упругих колебаний по нескольким каналам, состоящим из группы сейсмоприемников, соединенных проводами с центральным пунктом регистрации, на котором размещаются усилители, частотные фильтры, регистратор (магнитный или оптический) и пульт управления.
Недостатком известных способов является ограничение географии контролируемых зон, обусловленное местом размещения сейсмографа и его дальностью действия.
Для увеличения охвата контролируемых зон сейсмографы, как правило, устанавливают на автомобили, что также имеет ограничения в географии контролируемых зон, обусловленных рельефом местности.
Известен также способ регистрации электрического предвестника землетрясения [5], при котором измеряют компоненты напряженности электрического поля питающего диполя постоянного тока приемными диполями, в котором для расширения динамического диапазона измерения питающий и приемные диполи располагают на участке местности, где величина вертикального коэффициента анизотропности «m» удовлетворяет соотношению 1<m<3. При этом питающий диполь располагают таким образом, чтобы его ось была ориентирована под углом 45 градусов к направлению вкрест простирания анизотропных пород, азимутальные приемные диполи располагают по азимутам 90, 30 и -60 градусов относительно оси питающего диполя, а радиальный приемный диполь располагают по азимуту -120 градусов, осуществляя одновременные регулярные измерения компонент напряженности, и по одновременному изменению всех измеряемых величин более чем на 50% или по одновременному изменению их знаков судят о наличии предвестника землетрясения.
При реализации данного способа имеется возможность расширения динамического диапазона путем соответствующего расположения диполей. Однако данный способ применим только на ограниченных участках местности, где величина анизотропности «m» удовлетворяет условию 1<m<3. Удовлетворение этого условия требует проведения дополнительных предварительных работ по выявлению таких зон. Кроме того, данный способ отягощен субъективными ошибками и имеет достоверность прогноза не более 50%.
Известен также способ прогнозирования землетрясений, заключающийся в том, что в контролируемом регионе, в разнесенных пунктах измеряют временные вариации горизонтальных компонент вектора геофизического поля, фильтруют их, выделяя вариацию, обусловленную очагом готовящегося землетрясения, диагностируют появление возмущений длительностью 2-10 мин как предвестник землетрясений, по амплитуде предвестника определяют энергетический класс предстоящего землетрясения, по соотношению амплитуд компонент предвестника определяют пеленг на эпицентр предстоящего землетрясения, по пеленгам в различных пунктах определяют место эпицентра, дают временной прогноз землетрясения от 1 часа до 7 дней, в котором для повышения надежности и эффективности прогнозирования измеряют вариации горизонтальных компонент геомагнитного поля, фильтруют низкочастотные вариации с периодами большими 1 часа, в качестве предвестника диагностируют появление серии возмущений в виде синусоидальных колебаний с паузами от 1 минуты до 1 часа с периодом колебаний, возрастающим от 0,3-0,5 до 3,5-4,0 в середине возмущения и снова уменьшающимся к концу до 0,3-0,5 с [6].
В данном способе измерение временных интервалов вариаций горизонтальных компонент вектора геомагнитного поля повышает надежность прогноза по сравнению со способами [1-4]. Однако данный способ также имеет ограничения по географии контролируемых областей, обусловленные местом расположения измерительных пунктов в контролируемом регионе, и отягощен трудоемкими вычислениями по привязке временных интервалов.
Кроме того, для повышения эффективности сейсмических исследований известными способами для получения достоверного прогноза требуется строгое соблюдение отношения сигнал/помеха и повышение разрешенности сейсмических записей, что достигается посредством способа, включающего возбуждение сейсмических колебаний в частотном диапазоне с верхней частотой Fmax1, их приеме линейными группами сейсмоприемников с базой L и расстоянием между сейсмоприемниками X, регистрацию с помощью сейсмостанции с максимальной частотой тракта записи Fmax2, в котором шаг Х между сейсмоприемниками в группе выбирают из соотношения X*<V*min1/Fmax2, где V*min1 - минимальная кажущаяся скорость принимаемых сейсмических волн, а базу L выбирают из соотношения L<=V*min2/2Fmax2, где V*min2 - минимальная кажущаяся скорость полезных волн, а для сохранения статистического эффекта группы верхнюю частоту диапазона возбуждаемых колебаний Fmax и максимальную частоту тракта записи сейсмостанции Fmax1 выбирают из соотношения Fmax1<=Fmax2<V*min/2Rсл.ш, где Rсл.ш. - радиус корреляции случайных шумов [7].
Данный способ также имеет ограничение географии контролируемых областей и отягощен выполнением условий по строгому соблюдению геометрических величин.
В способе вибросейсмической разведки, основанном на возбуждении вибрационным источником сейсмических колебаний с помощью сигналов развертки, в котором задают максимальную частоту Fmax, приеме колебаний и их цифровой регистрации на магнитный носитель со скоростью протяжки, определяемой частотой fкв. квантования, в котором для повышения разрешающей способности максимальную частоту сигнала развертки устанавливают из условия Fmax<=0,36 fкв [8].
Благодаря исключению строгих соблюдений геометрических величин и исключению ряда условий, данный способ повышает надежность прогноза по сравнению со способом [7], но он также имеет ограничения географии контролируемых зон, обусловленное местом расположения измерительных пунктов в контролируемом регионе.
Отмеченных недостатков лишен способ прогнозирования землетрясений [9], включающий ряд разнесенных во времени последовательных серий измерений напряженности электромагнитного поля, в котором производятся одновременные измерения магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы в движении на высотах верхней ионосферы, затем исключается из рассмотрения область внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами, а также искусственные излучения, а о существовании сейсмоопасных источников судят по наличию зон устойчивого наблюдения индуцированных излучений ионосферной плазмы, превышающих не менее чем на 12-20 дБ уровень фона естественных излучений, обычно наблюдаемых в данной области пространства.
Точность данного способа и его помехоустойчивость отягощены необходимостью исключения из результатов измерений влияния потоков заряженных частиц, вторгающихся в околоземное пространство, обусловленного выбрасываниями активными областями солнца, а также необходимостью привязки временных интервалов измерений.
Известны также способы прогнозирования землетрясения по электромагнитному излучению [10-11]. В способе [10] измеряют параметры электромагнитного поля, определяют время наступления землетрясения по аномальному изменению и скорости изменения измеряемого прогнозирующего параметра, для чего производят излучение и прием электромагнитной волны, проходящей через район предполагаемого землетрясения, а в качестве прогнозирующего параметра используют разность частот и фаз излученного и принятого сигнала.
В отличие от способа [10] в способе [11], включающем излучение электромагнитных монохроматических СВЧ - колебаний, осуществляют прием прошедшего через исследуемый район электромагнитного излучения, измеряют его параметры, по которым судят о времени наступления землетрясения, в котором для повышения точности производят излучение монохроматического СВЧ - колебания, модулированного импульса прямоугольной формы в виде последовательности радиоимпульсов заданной длительности, измеряют длительность принятого радиоимпульса и по разности длительности излучаемого и принятого радиоимпульсов судят о времени наступления землетрясения.
Использование электромагнитного излучения позволяет повысить точность измеряемых параметров, по которым прогнозируют время наступления землетрясения. Однако помехоустойчивость во многом определяется расстоянием от эпицентра до эпицентра до базовой точки и рельефом местности.
Известны также способы прогнозирования землетрясения по измерению мощности низкочастотных флуктуации вертикальной и горизонтальной составляющих напряженности электростатического поля Земли [12-16] или по измерению мощности инфранизкочастотной составляющей тока в земной коре [17] с последующей их обработкой путем сравнения отношений мощности флуктуации горизонтальной составляющей электрического поля Земли к мощности флуктуации вертикальной составляющей в эпицентре землетрясения и в базовой точке, или путем вычисления радиуса взаимной корреляции, по которым судят об интенсивности в предполагаемом эпицентре землетрясения.
Данные способы отягощены сложностью обработки низкочастотных (5-600 Гц) осцилляций длительностью 100 мс и менее, которые должны быть выделены на фоне высокочастотных тональных компонентов в частотном диапазоне 1,5-5 кГц, что требует набора существенных по объему массивов статистических данных и их обработки для получения необходимой степени достоверности прогноза.
Известен также способ долгосрочного прогноза землетрясений сетью сейсмических станций в сейсмоактивной зоне, определения их энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса, в котором для повышения надежности и точности долгосрочного прогноза регистрацию осуществляют по крайней мере четырьмя сейсмическими станциями, равномерно располагаемыми вдоль соседних контрольных зон, в которых определяют направленность развития сейсмического процесса, выявляют миграцию локальных областей сейсмической активности и по изменению скорости и направления миграций этих областей судят о местоположении и величине готовящегося крупного землетрясения в сейсмоактивной зоне [18].
В данном способе определение направленности развития сейсмического процесса с обработкой сигналов, полученных по четырем станциям, способствует повышению достоверности прогноза. Однако точность и достоверность данного способа отягощены возмущениями от переотражения сигналов, обусловленных рельефом местности.
Задачей настоящего предложения является повышение достоверности вероятностного прогноза землетрясения.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе прогноза землетрясений, включающем измерение сигналов электрических аномалий сетью сейсмических станций с выделением контрольных зон, определение их энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса, выявления миграции локальных областей сейсмической активности, по изменению параметров которой судят о местоположении и величине готовящегося землетрясения в сейсмоактивной зоне, в котором измерение сигналов электрических аномалий производят 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 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, а миграцию локальных областей сейсмической активности выявляют с учетом концентрации содержания родона в подземных водах и водорода над линией излома в выделенных контрольных зонах.
Новым в заявляемом техническом решении является измерение сигналов электрических аномалий по изменению амплитуд частоты резонанса в волноводе Земля - ионосфера на фиксированных частотах с размещением по крайней мере одной из сейсмических станций на космической орбите, определение энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса в моменты, когда частота временного хода синусоидального процесса соизмерима с частотой циклического времени измерения, а миграцию локальных областей сейсмической активности выявляют с учетом концентрации содержания родона в подземных водах и водорода над линией излома в выделенных контрольных зонах.
Совокупность новых признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
В предлагаемом способе измерение сигналов электрических аномалий наземными станциями производят с учетом амплитуд частоты резонанса в волноводе Земля - ионосфера на фиксированных частотах 7,8; 14,4 и 20,3 Гц, которые имеют значительное увеличение по амплитуде по сравнению с другими частотами, а станцией, находящейся на космической орбите измерения, регистрируют в инфранизкочастотном диапазоне с характерным максимумом в области первой резонансной частоты 6-8 Гц.
При этом максимальные значения амплитуды определяют по гармонической составляющей электромагнитной волны, ограниченной по контуру поверхности, которая задается амплитудой А, углом положения q, периодом Т на основании зависимости
Amax(t)=Acos(qt-g),
где g - угловая скорость гармонической волны, t - фиксированный момент времени. Причем значения Amax(t) определяют для нескольких точек с вещественными плановыми координатами, направленными на восток и север, ограниченной по контуру поверхности местности с учетом высоты уровня моря для каждой точки.
По максимальным значениям амплитуды для последовательного набора дискретных значений времени определяют амплитуды колебаний гармонической составляющей электромагнитной волны на фиксированных частотах, по которым определяют время наступления землетрясения.
После установления времени возникновения землетрясения выявляют миграцию локальных областей (зон) сейсмической активности путем замеров концентрации содержания родона в подземных водах, так как разрывам подземных пород может предшествовать ломка их кристаллической структуры, когда через образовавшиеся щели в подземные воды попадает газ родон, а также путем замеров концентрации водорода, так как над линией разлома может выделяться газообразный водород, превышающий в 10 раз концентрацию для нормальных условий.
Анализ измеренных энергетических и пространственно-временных параметров производят в моменты, когда частота временного хода синусоидального периодического процесса соизмерима с частотой циклического времени измерения, так как характер периодичности реального и измеренного процессов различны. Причина различия - циклический характер времени измерения. Один и тот же процесс может быть и периодическим и непериодическим в разных временных циклических временах измерения. Так как временной ход даже синусоидального периодического процесса является периодическим только в случае соизмеримости его частоты с частотой циклической системы времени измерения, а во всех остальных случаях измерения дают непериодический процесс, то для повышения точности прогноза анализ измеренных параметров производят для случаев, когда частота временного хода синусоидального периодического процесса соизмерима с частотой циклического времени измерения.
Время наступления землетрясения определяется методом сеток. Так как анализ измеренных параметров выполняется для последовательного набора дискретных значений времени, то полученные максимальные значения амплитуд позволяют определить в узлах сетки амплитуды колебаний гармонической составляющей электромагнитной волны.
Существенным преимуществом предлагаемого технического решения является то, что при его реализации осуществляется разложение анализируемых параметров на составляющие их физические элементы, что позволяет установить границы аналогии, формализовать исходную информацию для составления прогноза в форму, удобную для обработки ее на ЭВМ, на основе заданных значений гармонических постоянных для местности с любым рельефом.
Реализация заявляемого способа технической сложности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 1444688.
2. Авторское свидетельство СССР № 1444689.
3. Авторское свидетельство СССР № 1300093.
4. Авторское свидетельство СССР № 1469481.
5. Авторское свидетельство СССР № 1300394.
6. Авторское свидетельство СССР № 1721563.
7. Авторское свидетельство СССР № 1712920.
8. Авторское свидетельство СССР № 1712919.
9. Авторское свидетельство СССР № 1171737.
10. Авторское свидетельство СССР № 1376766.
11. Авторское свидетельство СССР № 1454103.
12. Авторское свидетельство СССР № 1290889.
13. Авторское свидетельство СССР № 1182462.
14. Авторское свидетельство СССР № 1331284.
15. Авторское свидетельство СССР № 1347741.
16. Авторское свидетельство СССР № 1347742.
17. Авторское свидетельство СССР № 1349535.
18. Авторское свидетельство СССР № 1628026.
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, отличающийся тем, что 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.
