Измеритель предвестников землетрясений

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для обнаружения предвестников землетрясений. Сущность: измеритель содержит мостовую схему (1) на постоянном токе от источника (2), работающую в режиме разбалансировки. В одно из плеч мостовой схемы (1) включено сопротивление, являющееся потенциометром датчика (3) атмосферного давления, а в другое плечо мостовой схемы (1) – сопротивление датчика (4) концентрации содержания водорода в атмосфере. Измерительная диагональ моста подключена к последовательно соединенным операционному усилителю (5), пороговому элементу (6), аналого-цифровому преобразователю (7), буферному запоминающему устройству (8), ноутбуку (9), соединенному с программируемой схемой (10) выборки измерений. Программируемая схема (10) выборки измерений предназначена для синхронизации работы порогового элемента (6), аналого-цифрового преобразователя (7) и буферного запоминающего устройства (8). Пороговый элемент (6) управляется напряжением от датчика (11) электростатического поля атмосферы. Технический результат: повышение достоверности обнаружения предвестников землетрясений и точности прогноза магнитуды. 5 ил.

 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Достоверный прогноз землетрясений возможен, если измерять первопричины сейсмических процессов. Установлено, что первопричиной землетрясений является дегазация верхних слоев мантии Земли в виде восходящего, под большим давлением, потока газов: водорода, гелия, метана, радона. Факт эманации различных газов из земной коры в атмосферу накануне сейсмического удара - см. Патент RU №2497158, 2013 г.

Эманация радона (период полураспада 3,81 суток) сопровождается увеличением фонового уровня радиации и ионизацией молекул атмосферы. Ионизация молекул атмосферы приводит к образованию нескомпенсированного заряда кулоновского электричества в виде электростатического «купола» над гипоцентром очага с диаметром основания ~ 100-150 км [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции Сборник РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, стр. 27-29].

Известен ряд динамических краткосрочных признаков-предвестников землетрясений с интервалом существования от нескольких часов до 1,7 суток, см., например, «Регистратор предвестника землетрясений», Патент RU №2229736, 2004 г. - аналог. Устройство аналога содержит канал измерений из последовательно включенных функционального преобразователя-политрона и интегратора, отличающийся тем, что регистратор выполнен из двух параллельных каналов измерений, разнесенных на протяженной измерительной базе, на входы которых подключены электростатические датчики, а входы каналов подключены к дифференциальной мостовой схеме, выход которой соединен с последовательно включенными элементами: пороговой схемой, аналогово-цифровым преобразователем, буфером-накопителем и ПЭВМ, осуществляющей запись регистрируемого сигнала и синхронизацию работы перечисленных элементов через программируемую схему выборки измерений посредством закладки в нее программы измерений.

Недостатками аналога являются:

- невысокая чувствительность, большая погрешность из-за накопления систематических ошибок измерений на выходе интегратора;

- недостоверность прогноза, основанная на измерении единственного признака-предвестника - электростатического потенциала.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Система измерений предвестника землетрясений», Патент RU №2275659, 2006 г. Система измерений ближайшего аналога содержит измерительный канал из соединенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналогово-цифровому преобразователю и буферу-накопителю, в отличие от известной, в ней чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха, а буфер-накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций, в качестве которой предлагается подключить узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций AVL.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- большой участок (длительный по времени) нечувствительности при малых концентрациях водорода на начальном этапе проявления признака-предвестника, снижающий интервал времени упреждающего прогноза;

- недостоверность прогноза, основанная на измерении одного признака-предвестника.

Задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в повышении достоверности обнаружения сейсмического процесса и точности прогноза его магнитуды путем комплексирования измерений трех признаков-предвестников тремя независимыми датчиками.

Поставленная задача решается тем, что измеритель предвестников землетрясений содержит мостовую схему на постоянном токе, работающую в режиме разбалансировки, в одно из плеч которой включено сопротивление, являющееся потенциометром датчика атмосферного давления, а в другое плечо включено сопротивление датчика концентрации содержания водорода в атмосфере, измерительная диагональ моста подключена к последовательно соединенным операционному усилителю, пороговому элементу, аналогово-цифровому преобразователю, буферному запоминающему устройству, ноутбуку, соединенному с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, пороговый элемент управляется напряжением от датчика электростатического поля атмосферы.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг. 1 - функциональная схема измерителя;

фиг. 2 - динамика изменения атмосферного давления над сейсмоактивной областью;

фиг. 3 - динамика изменения концентрации водорода в атмосфере над сейсмоактивной областью;

фиг.4 - динамика изменения напряженности электростатического поля над сейсмоактивной областью;

фиг. 5 - динамика изменения результирующего сигнала на выходе измерителя.

Измеритель предвестников землетрясений, фиг. 1, содержит мостовую схему 1 с запиткой от постоянного источника 2, работающую в режиме разбалансировки плеч R1R4 и R2R3 путем включения в первое плечо сопротивления датчика 3 атмосферного давления (R1+ΔR), а во второе плечо - сопротивления датчика 4 концентрации водорода в атмосфере (R2-ΔR), в измерительную диагональ моста последовательно включены операционный усилитель 5, пороговый элемент 6, аналогово-цифровой преобразователь 7, буферное запоминающее устройство 8, ноутбук 9, соединенный с программируемой схемой выборки измерений 10, синхронизирующей работу элементов 6, 7, 8 посредством закладки в нее программы измерений от ноутбука, пороговый элемент управляется напряжением электростатического датчика 11 через усилитель заряда 12.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Накануне землетрясения, в результате тектонических напряжений в земной коре, происходит активная эманация водорода в атмосферу. Атмосфера содержит 78% азота (N2, молярный вес 28), 21% кислорода (О2, молярный вес 32), что создает нормальное атмосферное давление 746 мм рт.ст. Поскольку молярный вес водорода Н2 равен 2, то изменение концентрации водорода в атмосфере воздуха на 1% изменяет атмосферное давление на () порядка 7 мм рт.ст. Зарегистрированное изменение атмосферного давления накануне состоявшегося землетрясения в районе ст. Лысогорская 21.12.1995 г. (полигон МЧС, Кавказские Минеральные воды) магнитудой 4,7 иллюстрируется графиками фиг. 2. Одновременно с эманацией газов в атмосферу (вследствие радиоактивного распада радона) происходит ионизация молекул воздуха с образованием некомпенсированного заряда кулоновского электричества, создающего электростатическое поле над зоной подготавливаемого землетрясения напряженностью (Е) нескольких кВ/м. Пример регистрации такого признака-предвестника иллюстрируется графиком фиг. 3.

Для регистрации перечисленных признаков-предвестников землетрясения в измерителе использованы три независимых датчика: датчик атмосферного давления 3, датчик концентрации водорода 4 и датчик напряженности электрического поля 6.

Датчик атмосферного давления 3 выполнен по схеме [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 2, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1968 г., стр. 475, рис. 19-21 в) датчик давления с сильфоном и потенциометром]. Потенциометр датчика давления включен в первое плечо измерительного моста (R1+ΔR).

Датчик концентрации водорода 4 выполнен по схеме [см. Патент RU №2137115, 1999 г., «Селективный газовый сенсор»]. Рабочая характеристика газового сенсора на основе оксидных полупроводниковых пленок иллюстрируется графиком фиг. 3.

Для каждого типа газа изготавливается свой газовый сенсор. Электрическое сопротивление типичного газового сенсора составляет порядка 10 МОм, которое при адсорбции газовых молекул детектируемого газа в полупроводниковую пленку уменьшается примерно на порядок, в зависимости от концентрации. Сопротивление газового датчика включено во второе плечо моста (R2-ΔR).

Датчик напряженности электростатического поля 11 [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 2, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1968 г., стр. 468, рис. 19-13 б), схема датчика с электретом] используется для управления пороговым элементом 6. Пороговый элемент выполнен по схеме [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 1, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1976 г. §4.3 Электронные ключи, стр. 339-346]. «Встречное» включение сопротивлений датчиков давления и концентрации водорода в противоположные плечи моста создает максимальную разбалансировку и максимальную чувствительность измерителя, а использование порогового элемента обеспечивает необходимую достоверность обнаружения сейсмического процесса. Достоверность обнаружения сейсмического процесса зависит от величины устанавливаемого порогового напряжения схемы 6. При малой величине установленного порога велика вероятность ложной тревоги. При большой величине установленного порога возможен пропуск ожидаемого события. Существуют методы выбора оптимального порога, обеспечивающие высокую вероятность и достоверность обнаружения ожидаемого события [см., например, «Критерии риска» в книге С.А. Вакин, Л.Н. Шустов «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки», М.: Сов. радио, 1968 г., стр. 20-29]. Использование того или иного критерия, минимизирующего средний риск, легко реализуется программой, формируемой на ПЭВМ и пересылаемой в программируемую схему выборки измерений 10.

В измерителе реализованы два режима:

- сигнальный режим с высоким уровнем порога, в 3…4 раза превышающий фоновый уровень электростатического фона атмосферы;

- режим последующих непрерывных измерений суммарного сигнала.

Скорость изменения регистрируемого сигнала содержит информацию о характеристиках предстоящего сейсмического удара.

Уравнение, связывающее функцию и скорость ее изменения, является дифференциальным первой степени. Из математики известно [см. Н.С. Пискунов Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т. 1, 5-е изд., Наука, М., 1964 г., стр. 458], что общим решением линейного дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Начальными условиями для экспоненты являются постоянная времени Т и установившееся значение сигнала А0. Начальные условия для их численного расчета определяют по серии последовательных во времени t1, t2, t3 отсчетов регистрации сигнала. Из свойств экспоненты следует, что

Динамика отслеживаемого процесса представлена экспонентой фиг. 5. Если выбрать интервал времени между последовательными измерениями t1, t2, t3 равным, т.е. t2-t1=t3-t2=Δt, то из уравнения экспоненты можно рассчитать:

Известна зависимость Гуттенберга-Рихтера, связывающая магнитуду землетрясения (М) с временем существования предвестника (tу)

lg tу[сут]≈0,54M - 3,37

[см., например, Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических, наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр. 9-11, 13]. Время существования признака-предвестника, отсчитываемое от момента его появления, задает ожидаемое время удара. Это интервал установления параметра А0 отслеживаемого процесса. Из свойств экспоненты, с вероятностью 0,99, время установления составляет tу=4,7Т.

В частности, для графика фиг. 6 прогнозируемые характеристики сейсмического удара составили:

- постоянная экспоненты Т=2,8 ч;

- ожидаемое время удара tу≈13,7 ч;

- прогнозируемая магнитуда М≈5,1.

Элементы измерителя выполнены по стандартным электронным схемам и могут быть реализованы на существующей элементной базе. В качестве управляющей ПЭВМ использован Notebook фирмы Samsung, модель RC 510. Программируемая схема выборки, аналогово-цифровой преобразователь, буферный накопитель выполнены на стандартных интегральных платах, совместимых с контроллерами IBM PC/AT. Программируемая схема выборки выполнена на плате ЛА-TMS-31, буферное ЗУ выполнено на плате ЛА-20 [см., например, Якубовский Б. и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы». Справочник, М.: Радио и связь, 1990 г.]. Операционные усилители типа К1446 УД5р [см., например, Ж. Марше, Операционные усилители и их применение», пер. с французского, Л.: Энергия, 1974 г., стр. 190-194]. АЦП выполнен на многофункциональном блоке, модель 3560L фирма Bruel Kjer. Эффективность измерителя определяется такими показателями, как достоверность, точность, оперативность. Тактовая частота использованных интегральных микросхем ≈ 2,5 МГц, что при 8-разрядном стандартном (0…256) уровне квантования отсчетов обеспечивает время одного цикла 0,03 мс. Последнее не накладывает ограничений на быстродействие измерителя и позволяет дополнительно извлекать скрытую информацию в виде скорости нарастания электростатического потенциала отслеживаемого процесса. Обработка результатов, визуализация и расчет параметров признаков-предвестников, благодаря ПЭВМ, может осуществляться в темпе наблюдений.

Измеритель предвестников землетрясений, содержащий мостовую схему на постоянном токе, работающую в режиме разбалансировки, в одно из плеч которой включено сопротивление, являющееся потенциометром датчика атмосферного давления, а в другое плечо включено сопротивление датчика концентрации содержания водорода в атмосфере, измерительная диагональ моста подключена к последовательно соединенным операционному усилителю, пороговому элементу, аналогово-цифровому преобразователю, буферному запоминающему устройству, ноутбуку, соединенному с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, пороговый элемент управляется напряжением от датчика электростатического поля атмосферы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования землетрясений. Сущность: определяют прогнозную дату землетрясения.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для определения стандартного элемента по статистическим данным кластерного анализа. Иллюстративный способ включает получение двухмерных (2D) или трехмерных (3D) цифровых изображений образца породы.

Изобретение относится к области геодинамического моделирования и может быть использовано для построения векторного пространственно-временного поля тектонических напряжений на неограниченной площади и выделения блоков-концентраторов тектонических напряжений.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для моделирования многофазного потока текучей среды. Структура пор горных пород и других материалов может быть определена посредством микроскопии и подвержена цифровому моделированию для определения свойств потоков текучей среды, проходящих сквозь материал.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для контроля упругих деформаций в очагах землетрясений. Сущность: на основе экспериментальных материалов, полученных от разнесенных на поверхности сейсмических станций, строят карту эпицентров землетрясений исследуемой территории.

Изобретение относится к области исследования свойств горных пород. При этом осуществляют отбор по меньшей мере одного образца породы пласта-коллектора и на отобранном образце породы определяют плотность, пористость и компонентный состав породы.
Изобретение относится к способам поиска морских нефтегазовых месторождений. Сущность: на профилях над предполагаемым месторождением или перспективной площадью в слое воды производят непрерывное измерение концентрации тяжелых металлов с помощью ионоселективных электродов, избирательно реагирующих на ионы тяжелых металлов меди (Cu), свинца (Pb), кадмия (Cd), серебра (Ag) и ртути (Hg).

Изобретение относится к области геологии, включая поисковую геохимию на нефть и газ. При осуществлении способа в пределах первой половины мезокатагенеза анализируют органическое вещество, растворимое в органических растворителях (битумоид), полученное экстракцией полярным органическим растворителем (наиболее распространенные хлороформ, дихлорметан, смесь спирта и бензола).

Изобретение относится к способам выявления очагов горения углепородных отвалов. Сущность: измеряют тепловые поля вдоль профилей над отвалами с помощью беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с установленной на них контрольной аппаратурой для выявления очагов возгорания.

Изобретение относится к исследованиям в области индикации и идентификации химических веществ, в частности к оптимизации способа проведения специального химического контроля.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для определения трещинной пористости горных пород. Способ определения трещинной пористости горных пород включает в себя экспериментальное определение скорости (Vp) распространения упругой продольной волны каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%, общую пористость (Кп.общ.) каждого образца в термобарических условиях, превышающих пластовые на 10-15%.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для осуществления мониторинга состояния геологической среды при разработке шельфовых и глубоководных месторождений полезных ископаемых, для локализации крупных неоднородных образований, таких как различного рода заиленные объекты, вулканические структуры в морском дне и т.п.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования землетрясений. Сущность: определяют прогнозную дату землетрясения.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для картирования границ субвертикальных протяженных объектов. Заявлен способ определения границ субвертикальных протяженных объектов в геологической среде, согласно которому на исследуемом участке устанавливают в каждой точке измерений i два горизонтальных с идентичными амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) сейсмометров X и Y, оси чувствительности которых взаимно ортогональны.

Настоящее изобретение относится к переключателю для морского сейсмического датчика. Переключатель включает в себя сильфон, имеющий закрытый конец, боковой участок и открытый конец, в котором боковой участок соединяет закрытый конец с открытым концом, закрытый конец включает в себя электропроводную поверхность и боковой участок действует как пружина; пробку основания, которая включает в себя первый входной и первый выходной контакты на первой стороне и второй входной и второй выходной контакты на противоположной стороне; и пробку, расположенную на открытом конце сильфона и выполненную с возможностью формирования камеры, внутри которой предусмотрены второй входной контакт и второй выходной контакт.

Изобретение относится к геофизике, в частности к сейсмоакустическим исследованиям, и может быть использовано для получения прогностических характеристик при контроле трещинообразования в массиве горных пород.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсморазведочных работ. Предложен способ вибрационной сейсморазведки, включающий возбуждение и регистрацию сейсмических колебаний при расположении источников в приповерхностной зоне, а приемников в приповерхностной зоне или в скважине.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсморазведочных работ. Предлагается устройство сбора данных, содержащее пару входных выводов, выполненных с возможностью соединения с набором, состоящим по меньшей мере из одного аналогового сейсмического датчика, формирующего полезный сейсмический сигнал, и средство обнаружения отключения для обнаружения частичного или полного отключения набора, состоящего по меньшей мере из одного аналогового сейсмического датчика.

Изобретение относится к области морской сейсморазведки районов, в том числе покрытых льдом, и может быть использовано при поиске полезных ископаемых, для уточнения строения месторождений углеводородов на морском шельфе, в том числе арктическом шельфе, и повышения эффективности процесса его освоения.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для идентификации областей высокой тепловой энергии под поверхностью Земли. Раскрыт способ определения температуры в подземной области.

Изобретение относится к области геофизических исследований при поиске и разведке на залежи природных углеводородов. Мобильный поисковый метод проведения пассивной низкочастотной сейсморазведки включает в себя расстановку сейсмологических датчиков на дневной поверхности, регистрацию естественных микросейсмических колебаний, получение спектров микросейсмических колебаний, выполнение расчета методом численного моделирования теоретического спектра микросейсм, соответствующих разрезу с отсутствием нефтегазоносности и теоретических спектров микросейсм, соответствующих положению залежи на одном или нескольких исследуемых горизонтах, определение степени совпадения теоретических спектров с измеренными спектрами в каждой точке методами рангового корреляционного анализа, заключение о наличии в каждой точке измерения наличия залежи на исследуемых горизонтах либо об отсутствии залежи на основании коэффициентов корреляции, причем датчики при микросейсмических исследованиях расставляют по профилям одновременной записи с расстоянием между датчиками в профиле 100 метров и общей длине профиля, соответствующим предельной глубине исследования, получают скоростную модель под профилем наблюдения проведением интерферометрической обработки и используют данную скоростную модель для численного расчета теоретических спектров микросейсм. Технический результат - обеспечение точности оценки скоростной модели для территории исследования, достаточной для дальнейшего применения микросейсмических поисково-разведочных методов, повышение достоверности обнаружения залежей углеводородов, исключение потребности в априорной скоростной модели. 10 ил.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для обнаружения предвестников землетрясений. Сущность: измеритель содержит мостовую схему на постоянном токе от источника, работающую в режиме разбалансировки. В одно из плеч мостовой схемы включено сопротивление, являющееся потенциометром датчика атмосферного давления, а в другое плечо мостовой схемы – сопротивление датчика концентрации содержания водорода в атмосфере. Измерительная диагональ моста подключена к последовательно соединенным операционному усилителю, пороговому элементу, аналого-цифровому преобразователю, буферному запоминающему устройству, ноутбуку, соединенному с программируемой схемой выборки измерений. Программируемая схема выборки измерений предназначена для синхронизации работы порогового элемента, аналого-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства. Пороговый элемент управляется напряжением от датчика электростатического поля атмосферы. Технический результат: повышение достоверности обнаружения предвестников землетрясений и точности прогноза магнитуды. 5 ил.

Наверх