Способ краткосрочного прогнозирования локальной магнитуды землетрясения
Владельцы патента RU 2558277:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования локальной магнитуды землетрясения. Сущность: вычисляют спектры Фурье от волновых форм внешних землетрясений, зарегистрированных двумя сейсмическими станциями. При этом одну из станций, ближнюю к гипоцентру землетрясения, называют входной, а другую, расположенную в месте оценки напряжений земной среды, - выходной. Вычисляют квазиамплитудно-частотную характеристику земной среды в месте расположения выходной станции, а также два критерия от нее: интегральный и дробно-интегральный. Наблюдая резкое уменьшение значений интегрального критерия и резкий рост значений дробно-интегрального критерия, делают вывод о готовящемся землетрясении. По максимальному значению дробно-интегрального критерия прогнозируют локальную магнитуду готовящегося землетрясения. Причем для прогнозирования локальной магнитуды используют заранее построенную для конкретной пары станций калибровочную зависимость локальных магнитуд землетрясений от значений дробно-интегрального критерия. Технический результат: краткосрочное прогнозирование локальной магнитуды землетрясения. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования землетрясений.
Известен способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающий создание в сейсмоопасном регионе системы измерений оптической плотности атмосферы из групп фотометров, построение гистограммы коэффициента пропускания атмосферы в дискретных интервалах длин вон фотометров, прогнозирование времени сейсмического удара (см. патент на изобретение РФ №2497158, МПК G01V 9/00, публикация 27.10.2013).
Известен способ обнаружения очагов землетрясений сетью сейсмостанций, включающий формирование массивов дискретных отсчетов сигнала отношения скоростей продольных и поперечных волн от сейсмостанций при различных азимутах направлений трасс измерений, визуализацию массивов измерений в виде диаграмм Пуанкаре и определение по ним характера измеряемого процесса, прогнозирование времени ожидаемого удара (см. патент на изобретение РФ №2463631, МПК G01V 9/00, публикация 08.04.2011).
Известен способ прогноза землетрясений, включающий определение на исследуемой территории пространственного распределения плотности потока суммарной сейсмической энергии, определение магнитуды прогнозируемого землетрясения (см. патент на изобретение РФ №2488846, МПК G01V 1/00, публикация 29.12.2011).
Известен способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, сущность: на протяженной измерительной базе устанавливают два разнесенных в пространстве измерительных пункта. Каждый измерительный пункт содержит по два заглубленных в грунт датчика, размещенных во взаимно ортогональных плоскостях. Оси чувствительности датчиков по оси абсцисс ориентированы по направлению базы. Регистрируют сейсмический фон в виде дискретных цифровых отсчетов амплитуд сигналов. Вычисляют одномоментные спектры Фурье ортогональных сигналов для каждого измерительного пункта. Определяют углы направления на фазовый фронт сейсмического фона каждого из пунктов: Q1 и Q2. В случае если указанные углы различны Q1≠Q2, делают вывод о начале сейсмического процесса. Гипоцентр сейсмического процесса находят как точку пересечения лучей, исходящих из начала координат измерительных пунктов под углами Q1 и Q2. Находят период сейсмических волн для каждого момента времени. Рассчитывают время сейсмического удара от момента начала сейсмического процесса и магнитуду удара. Технический результат - расширение интервала времени упреждающего прогноза, повышение точности определения прогнозируемых параметров (см. патент на изобретение РФ №2458362, МПК G01V 1/00, публикация 08.02.2011, принят за прототип).
К недостаткам прототипа способа можно отнести то, что оси чувствительных датчиков должны быть ориентированы по базе, то есть для реализации способа не могут быть использованы сейсмические станции, поставляющие данные в международные геофизические центры. Между тем таких стаций множество, они объединены в сети, и данные волновых форм землетрясений доступны через интернет.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение краткосрочного прогнозирования землетрясений за счет возможности построения калибровочных зависимостей для любых станций.
Заявляемый нами способ использует волновые формы землетрясений. Так же как и в способе-прототипе, используются данные минимум двух регистрирующих станций. Одна из них, ближняя к гипоцентру землетрясения, названа входной, вторая (в месте оценки напряжений земной среды) названа выходной. Основное отличие от способа-прототипа состоит в следующем. Если в способе-прототипе регистрируются сейсмические шумы при динамической раскачке очага землетрясения перед ударом, то в заявляемом способе используются сейсмические волны от внешних землетрясений для косвенной оценки степени напряженного состояния земной среды в месте расположения выходной станции.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение краткосрочного прогнозирования землетрясений за счет возможности построения калибровочных зависимостей для любых станций.
Методика прогноза, предложенная нами в работах (Епанешников В.Д., Епанешникова И.В. О возможности мониторинга состояния земной среды в период подготовки землетрясения. Вестник компьютерных и информационных технологий. 2010. - №7. - С. 13-19; Епанешников В.Д., Епанешникова И.В. Пост-мониторинг напряженного состояния земной среды при подготовке мощных землетрясений. Вестник компьютерных и информационных технологий. 2011. - №8. - С. 10-13.), была модернизирована следующим образом.
Как и прежде, от каждой станции были взяты три волновые формы - ВНЕ (ВН1), BHN (ВН2) и BHZ. Обозначим их как
, для входной станции и как 
, для выходной.
Здесь t - время, i - текущий отсчет, N - число точек в волновой форме. Для ускорения расчетов спектр каждой кривой был получен не с помощью преобразования Лапласа, а с помощью быстрого преобразования Фурье (Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПБ.: Питер, 2003. - 608 с.). Это изменение наложило дополнительные требования к волновым формам. Все они должны были иметь одинаковую частоту дискретизации и одинаковое количество точек N.
Обозначим как 
, спектры каналов входной станции и как 
, спектры каналов выходной станции. Здесь ωi=2πfi - круговая частота.
Далее в расчетах использовалось только M=N/2 точек спектра, так как вторая половина спектра является зеркальным отображением первой. Спектр каждой станции усреднялся следующим образом:
,для входной станции и
, для выходной станции.
Здесь m - текущий канал станции, n≤3 - общее число каналов, выставляемых станцией для конкретного землетрясения. Дело в том, что для некоторых землетрясений станция выставляет не весь набор каналов ВНЕ, BHN, BHZ, а только некоторые из них и усреднение производится только по тем каналам, которые выставлены станцией.
Далее вычислялось отношение
которое было названо квазиамплитудно-частотной характеристикой (КАЧХ) среды в месте расположения выходной станции. Каждая КАЧХ (1) сглаживалась фильтром (Savitzky A., Golay M.J.E. Smoothing and Differentiation of Data by Simplified Least Squares Procedures. Analytical Chemistry. 1964. 36 (8), p. 1627-1639.) с использованием аппроксимирующего степенного полинома третьей степени на тридцати точках плавающего окна.
Введенный ранее интегральный критерий квазиамплитудно-частотной характеристики (ИКЛЧХ) был модернизирован как:
где Δωi является шагом дискретизации по круговой частоте, а 
является сглаженной КАЧХ (1).
Кроме этого, был сформулирован еще один критерий, названный дробно-интегральным критерием квазиамплитудно-частотной характеристики (ДИКАЧХ), который записывался как:
где K<M. Значение K выбиралось исходя из формы КАЧХ, оставалось постоянным для всей серии постмониторинга напряженного состояния среды и соответствовало номеру отсчета при частоте 1,5 герца. В таблице 1 приведены землетрясения, пост-мониторинг подготовки которых был проведен по волновым формам станций PET/YSS и ERM/MAJO от множества землетрясений, предшествующих землетрясениям из таблицы 1.
Типичное изменение формы КАЧХ в процессе подготовки землетрясения представлено на фигуре 1.
Надписи на фиг. 1 означают: "станция"_"сеть"_"год"_"сутки от начала года"_"часы"_"минуты"_"секунды", и они идентифицируют диагностирующие землетрясения, предшествующие землетрясению №10.
По мере приближения к землетрясению происходит подавление высоких частот в КАЧХ и формирование пиков в низкочастотной области, что приводит к падению критерия (2), росту критерия (3) и может служить косвенным отражением степени напряженного состояния земной среды в месте расположения выходной станции.
Перед землетрясением происходит резкое уменьшение значений критерия (2) и резкий рост критерия (3). Обнаружено, что максимальное значение дробно-интегрального критерия (3) перед землетрясением зависит от локальной амплитуды предстоящего землетрясения. Зависимость значений критерия (3) - ДИКАЧХ от локальных магнитуд землетрясений из таблицы 1 приведена на фигуре 2.
На фиг. 2 прямоугольниками обозначены землетрясения, постмониторинг подготовки которых осуществлялся станцией PET, кругами - станцией ERM, а цифры соответствуют порядковым номерам землетрясений в таблице 1. Данные станции ERM включены только потому, что они не выпадают значительно из общего тренда. Зависимость значений критерия (3) от локальной магнитуды (фиг. 2) можно использовать для краткосрочного прогнозирования магнитуды землетрясения в месте расположения станции PET.
Подобную зависимость критерия (3) от локальной магнитуды необходимо измерять для каждой пары (входная-выходная) станций отдельно и только потом использовать ее для прогноза.
Технический результат заявленного изобретения заключается в возможности построения для любых станций сети в процессе постмониторинга землетрясений калибровочных зависимостей, используемых в дальнейшем для краткосрочного прогнозирования локальной магнитуды землетрясения.
Способ краткосрочного прогнозирования локальной магнитуды землетрясения, заключающийся в использовании двух сейсмических станций (входной и выходной), от волновых форм которых вычисляют спектры Фурье, отличающийся тем, что используют волновые формы внешних землетрясений, на основе которых вычисляют квазиамплитудно-частотную характеристику земной среды в месте расположения выходной станции 
и два критерия от нее: интегральный
и дробно-интегральный
косвенно отражающие степень напряженного состояния земной среды в месте расположения выходной станции, резкое изменение которых предшествует землетрясению, при этом максимальное значение дробно-интегрального критерия перед землетрясением зависит от локальной магнитуды предстоящего землетрясения.
