УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЮ

Предлагаемое техническое решение относится к сейсмологии и может быть использовано для прогноза сильных землетрясений.
Известен прибор для регистрации землетрясений (патент РФ №2034312, G01V 1/18, G01V 1/16, 1995 г., [1]), содержащий вибродатчик, подсоединенный к генератору частоты, усилитель мощности, вход которого подсоединен к в выходу генератора частоты и регистрирующий прибор, выполненный в виде звукового излучателя, электрически связанный с выходом усилителя мощности. Основным недостатком данных видов приборов является фактическая регистрация свершившегося сейсмособытия, в лучшем случае - фиксация начала землетрясения, что сводит к нулю его практическую ценность в плане прогноза и предупреждения о сейсмической опасности.
Известен измеритель предвестника землетрясений (патент РФ №2205432, G01V 9/00, 2003 г., [2]), действие которого основано на регистрации временной функции изменения вертикального электростатического поля над очагом. На основе обработки полученных данных делается краткосрочный прогноз ожидаемого удара по параметрам зарегистрированной функции. Для обеспечения работоспособности данного и других приборов, действие которых основано на изложенном принципе, необходимо «разместить прибор в сейсмоопасном районе, разнести измерительные каналы друг от друга на расстояние, соизмеримое с размерами зоны подготавливаемого землетрясения (несколько десятков километров)», при этом необходимо выделить и идентифицировать именно те данные временной функции изменения вертикального электростатического поля, которые связаны непосредственно с сейсмособытием. Такое сочетание необходимых и достаточных условий значительно затрудняет, как получение достоверных данных по месту и по времени, так и по прогнозу. Кроме того, проводится регистрация сейсмособытия, которое уже находится в стадии свершения и регистрируются уже происходящие и развивающиеся процессы, собственно сопровождающие само землетрясение. На предупреждение о сейсмической опасности времени нет.
Известен способ поиска электромагнитных предвестников землетрясений (патент РФ №2109311, G01V 9/00, G01V 3/12, 1998 г., [3]), заключающийся в оценке влияния аномалий электромагнитных полей, предшествующих разрушительной стадии землетрясения, на распространение электромагнитных волн в среде, в качестве которой применяют полупроводниковую плазму в одном из двух образцовn-типа, один из которых является эталонным и экранированным от воздействия электромагнитных полей любой природы, а другой - рабочим, помещенным в глубине сейсморазлома и защищенным от воздействия полей несейсмической природы полусферическим экраном, скорость распространения и степень затухания измерительных электромагнитных волн-геликонов в котором зависит от напряженности магнитного поля сейсмической природы, а сигнал оповещения о сейсмоопасности формируется на выходе устройства сравнения в результате нарушения идентичности измерительных электромагнитных волн, подаваемых при одинаковых условиях на входы этих двух полупроводниковых образцов. Основной недостаток известного способа заключается в том, что необходимо поместить рабочий образец в сейсморазлом (желательно в глубине его) для чего необходимо определиться в какой именно сейсморазлом, а влияние на получение результатов измерений флуктуаций магнитных полей в значительной мере снижают вероятность получения достоверных результатов о сейсмоопасности, так как похожие флуктуации могут быть и не сейсмической природы.
Известен способ поиска предвестников землетрясений и устройство для его осуществления (А.с. СССР №1756845, G01V 9/00, 1992 г., [4]). Способ включает одновременную регистрацию физико-химических параметров подземных вод и сейсмической активности территории с анализом корреляционных связей между ними. Техническая сущность способа заключается в следующем. Вытягивают из анализируемого жидкого раствора (минеральная вода Мацестинского подземного источника) столб жидкости, пропуская его по ходу приобретенного движения через щелевой зазор между полюсами магнита и одновременно пропуская через электроды, размещенные по обе стороны этой щели, от которых поступают заряды, генерируемые ионной раздвижкой в жидкости, на регистрирующий электронный прибор в момент касания электрода поверхностью столба жидкости.
Устройство для осуществления этого способа выполнено в виде магнитной головки из постоянных магнитов, размещенных в немагнитном корпусе, между полюсами которых размещена немагнитная и неэлектропроводная трубка, а внутри трубки размещены электроды, один из которых - на входе в щель между магнитами, а другой - на выходе из этой щели, причем эти электроды замкнуты во внешней цепи через электронный прибор-потенциометр (гальванометр), а конец трубки соединен с системой. Регистрировалась генерация электрического потенциала двойного электрического слоя, а по ее росту определялось приближение землетрясение (Лазаревское землетрясение - рост потенциала за две недели).
По назначению - определение приближения времени землетрясения, по технической сущности - использование жидкой рабочей среды, по элементам конструкции - немагнитная и неэлектропроводная трубка (стеклянная), по компоновке - установка узла измерения в контактной области с рабочей жидкой средой, данное устройство выбрано в качестве ближайшего аналога.
Основной недостаток известного технического решения заключается в том, что в качестве рабочей жидкости используется глубокорасположенные подземные воды, реологические характеристики которых могут не в полной мере отражать изменения физических параметров среды именно в преддверии изменения сейсмической обстановки или сейсмической опасности. Причинами такой неполноты и недостаточной достоверности данных могут быть различные физико-химические процессы, не являющиеся прямыми предвестниками землетрясений, но оказывающие прямое или косвенное воздействие на свойства рабочей жидкости. Значительны затраты на обеспечение работы устройства - глубина скважины минеральной воды более километра.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности данных о сейсмической активности, упрощение аппаратурно-измерительного устройства.
Техническими результатами являются: использование для регистрации и прогноза физических параметров процессов, предшествующих землетрясению, наименее подверженных влиянию различных внешних воздействий - электромагнитных волн (ЭМВ), инициированных механическими подвижками в литосфере, и, следовательно, более достоверных, как качественно, так и количественно. Использование в качестве детектора достаточно простого в изготовлении устройства, действие которого основано на известных физических эффектах.
Технические результаты достигаются тем, что в устройстве для регистрации физических параметров процессов, предшествующих землетрясению, содержащем стеклянную трубу, заполненную жидким раствором, снабженную узлом измерения, соединенным с блоком регистрации, оснащенном потенциометром, один конец трубы жестко герметично закреплен в полости фланцевой воротниковой заглушки, днище которой снабжено герметично закрывающимся загрузочным отверстием, другой конец трубы жестко герметично закреплен в одной из полостей двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки, в днище которой вмонтирован рабочий орган узла измерения, включающий два патрубка с фланцами, один из которых установлен в выемке днища двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки и соединен с полостью стеклянной трубы, заполненной жидко-кристаллической смесью, внутри другого установлен шток с возможностью перемещения, соединенный с тензодатчиком перемещения штока, при этом, между патрубками установлена мембрана из эластичного материала, фланец второго патрубка закреплен в выемке днища посредством пластины с выемкой под фланец резьбовым крепежом, кроме того, полость стеклянной трубы заполнена солевым раствором, а обе фланцевые воротниковые заглушки по торцам соединены с зазорами с крышками, одна из которых снабжена патрубком для свободного перемещения датчика штока.
При этом/груба может быть выполнена из термостойкого кварцевого стекла, мембрана может быть выполнена из резины, фланцы по торцам могут быть соединены с зазорами с крышками резьбовым крепежом, а герметично закрывающееся загрузочное отверстие может быть снабжено пробкой с уплотнением и с резьбовым крепежом, фланцевые воротниковые заглушки могут быть выполнены из немагнитного неэлектропроводного материала.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с известным решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Известное решение и предлагаемое характеризуются сходными признаками:
- устройство для регистрации физических параметров процессов, предшествующих землетрясению содержит:
- - стеклянную трубу, заполненную жидким раствором;
- - узел измерения, установленный в контакте с жидким раствором и соединенный с блоком регистрации, оснащенном потенциометром.
Предлагаемое техническое решение также характеризуется признаками, отличными от признаков решения по ближайшему аналогу:
- один конец трубы жестко герметично закреплен в полости фланцевой воротниковой заглушки;
- днище этой фланцевой воротниковой заглушки снабжено герметично закрывающимся загрузочным отверстием;
- другой конец трубы жестко герметично закреплен в одной из полостей двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки;
- в днище двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки вмонтирован рабочий орган узла измерения, включающий;
- - два патрубка с фланцами;
- - - один из которых установлен в выемке днища двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки и соединен с полостью стеклянной трубы, заполненной жидко-кристаллической смесью;
- - - внутри другого установлен шток с возможностью перемещения, соединенный с тензодатчиком перемещения штока;
- между патрубками установлена мембрана из эластичного материала;
- фланец второго патрубка закреплен в выемке днища посредством пластины с выемкой под фланец резьбовым крепежом;
- полость стеклянной трубы заполненажидко-кристаллической смесью;
- обе фланцевые воротниковые заглушки по торцам соединены с зазорами с крышками;
- одна из крышек снабжена патрубком для свободного перемещения датчика штока.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличительных от признаков, характеризующих ближайший аналог, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности полезной модели «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
В предлагаемом устройстве реализован принцип вариаций объема рабочейжидко-кристаллической смеси при воздействии на нее электромагнитных возмущений - электромагнитных волн (ЭМВ). Изменение объема рабочей среды - жидко-кристаллической смеси (например, хлорида натрия или другого кристаллического вещества с ионным типом связи) происходит при воздействии электромагнитного излучения на объем рабочей смеси, что обусловленоизменением энергетического состояния атомов и их взаимодействия в кристаллической решетке засчет «дополнительной подачи энергии электромагнитных возмущений» врабочий объем. При изменении объема предлагаемое устройство - «сейсмодетектор» преобразует эти изменения в линейные механические перемещения штока рабочего органа, соединенного с тензодатчиком перемещения штока. Аналоговый сигнал от тензодатчика поступает в блок регистрации, где преобразуется в цифровой вид и далее передается по системе сотовой модемной связи на базовый сервер. Информация с сервераможет быть в любой момент востребована для анализа дистанционно.
Таким образом, в предлагаемом устройстве детектируется не крупномасштабные изменения геофизической обстановки, а конкретные проявления возмущений и измененийэлектромагнитных полей, которые являются прямым следствием изменений динамического состояния литосферы и напрямую связаны с подготовкой сильных землетрясений. При этом, измеряются и анализируются не абсолютные величины изменения физических параметров, а результаты опосредованного действия этих «возмущений» на детекторную среду, что позволяет значительно сократить затраты на создание и обслуживание регистрирующей (фиксирующей) системы, упростить аппаратурно-технологическую схему как самого прибора, так и схему мониторинга сейсмической ситуации.
Очаг подготовленного к реализацииземлетрясения представляет собой локальный объем литосферы, разномасштабные системы разрывов в котором, под влиянием накопленных напряжений, перешли в самоорганизованное критическое состояние. В таком состоянии очаг землетрясения функционирует как автоколебательная система и является мощным источником когерентного электромагнитного излучения широкого амплитудно-частотного спектра, распространяющегося от него на сотни километров. Под влиянием этого излучения происходит изменение энергетического состояния атомной структуры горных породи флюидных систем, сопровождающаяся незначительными изменениями их объема и удельного веса. Эффект изменения объема вещества за счет вариаций энергетического состояния атомной структуры известен как «деформационная поляризация» и обусловлен увеличением электронных орбит атомов при переходе на более высокий энергетический уровень. Это находит отражение в деформационном расширении пород и других минеральных сред с ионным типом связи. Непосредственно перед сейсмогенным актом имеет место флуктуация в объемном изменении горных пород и рабочего тела предлагаемого устройства, которая рассматривается как краткосрочный предвестник. В случае землетрясений она проявляется за два-три дня до него, в случае ледовых ударов - за десятки минут-минуты.
Предлагаемое устройство содержит трубу из термостойкого кварцевого стекла 1, заполненную жидко-кристаллической смесью поваренной соли (NaCl - хлористого натрия) 2, один конец трубы 1 жестко герметично закреплен в полости фланцевой воротниковой заглушки 3, выполненной из немагнитного неэлектропроводного материала, днище которой снабжено герметично закрывающимся пробкой 4 загрузочным отверстием 5, другой конец трубы 1 жестко герметично закреплен в одной из полостей двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки 6, выполненной из немагнитного неэлектропроводного материала, в днище которой вмонтирован рабочий орган узла измерения, включающий два патрубка с фланцами 7, 8, один из которых, 7, установлен в выемке днища двухсторонней фланцевой воротниковой заглушки 6 и соединен с полостью стеклянной трубы 1, заполненной водным раствором хлористого натрия 2, внутри другого патрубка, 8, установлен шток 9 с возможностью перемещения, соединенный с датчиком перемещения штока 10, при этом, между патрубками 7, 8, установлена мембрана 11 из тонкой силиконовой резины. Устройство также снабжено крышками 12, 13, которые установлены с зазорами и соединены с торцами фланцевых воротниковых заглушек 3, 6 фланцев резьбовым крепежом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Смонтированное устройство устанавливают в сейсмически активном районе (может быть установлено несколько устройств на определенной площади или в определенном регионе в определенных местах) в скважине, пройденной в коренных породах на глубину 5-6 метров. Конструкция скважины должна обеспечивать постоянство температуры в ней.
При возникновении электромагнитных возмущений, вызванных переходом локального участка литосферы в очаговой области готовящегося землетрясения в критическое метастабильное состояние, происходит воздействие электромагнитных волн (ЭМВ) на жидко-кристаллическуюсолевую смесь из хлористого натрия 2. В результате такого воздействия происходят специфические изменения объема раствора 2, сопровождающиеся деформацией мембраны 11 из тонкой силиконовой резины. Перемещения мембраны 11 фиксируются через шток 9 высокочувствительным тензодатчиком 10 перемещения штока и передаются на блок регистрации 14, оснащенный потенциометром, записывающей и передающей аппаратурой. По направленности и особенностям вариаций поступающих сигналов оценивается динамическое состояние литосферы и вероятность и время реализации сильного землетрясения.
Предлагаемое устройство прошло полевые испытания, которые подтвердили его работоспособность и эффективность. Сейсмодетектор был установлен в 100 км от сейсмостанции «Талая» в поселке Листвянка, Иркутской областии по полученным данным был проведен мониторинг сейсмической обстановки (с 15 по 22 мая 2008 года), четко зарегистрировано начало, развитие и окончание Усть-Баргузинского землетрясения (Юго-Западное побережье озера Байкал, устье реки Баргузин, 20 мая 2008 года). Эпицентр землетрясения находился в 200 км от Листвянки и в 300 км от сейсмостанции «Талая». Зафиксированные датчиком аномальные изменения объема наполнителя сейсмодетектора за 2-3 дня до момента сейсмогенерации.
Испытания сейсмодетектора проводились также на ледовом покрове озера Байкал в районе поселка Листвянкавесной 2009, 2010 и 2011 гг, когда из-за резкого повышения дневных температур происходило разрушение льда в стволовых трещинах, сопровождавшееся ледовыми ударами (льдотрясениями). Прибором зафиксированы критические динамические состояния ледового покрова за первые десятки минут до реализации ледовых ударов.
Предлагаемое устройство достаточно простое по конструкции и по изготовлению, эффективное при использовании, может быть широко применено для мониторинга сейсмической обстановки и предупреждения о сейсмоопасности.
ИНФОРМАЦИЯ
1. Патент РФ №2034312, G01V 1/18, G01V 1/16, 1995 г.
2. Патент РФ №2205432, G01V 9/00, 2003 г.
3. Патент РФ №2109311, G01V 9/00, G01V 3/12, 1998 г.
4. А.с. СССР №1756845, G01V 9/00, 1992 г.