СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЛОКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
SYSTEM FOR MONITORING LOCAL SURFACE EARTHQUAKE PRECURSORS

Изобретение относится к электроразведке и может быть использовано для краткосрочного прогноза землетрясений в сейсмоопасных районах.
Известно, что поверхностные землетрясения (ПЗ) возникают в процессе тектонической активности, очаги которых размещаются на глубинах до 50 км. ПЗ характеризуются крайней непредсказуемостью и большой опасностью для населения и промышленных объектов. Относительно объекта ПЗ существует консенсус между сейсмологами в понимании того факта, что к настоящему времени отсутствует модель ПЗ и решение этой проблемы растягивается на 50 лет. В связи с отмеченным, особо важное значение приобретает мониторинг, а также мероприятия по воздействию на ПЗ в районе нахождения важных объектов (электростанций, опасных производств, космодромов и пр.).
Описаны методы и средства прогнозирования землетрясений посредством методов электрического зондирования, технология которых отработана при поисках нефти и газа, а также других полезных ископаемых.
Так, из публикации «METHOD AND DEVICE FOR PREDICTING EARTHQUAKES», CA 1196688 (A1) VAROTSOS et al., 12.11.1985, известны способ и устройство для предсказания землетрясений посредством регистрации собственных электрических полей, возникающих в процессе сейсмической активности с помощью нескольких станций, разнесенных на расстояние 100 м. Каждая станция содержит два электрода, заглубленных в землю на глубину 0,5-2 м, подключенных к фильтру, выделяющему частоты 0,5-1,0 Гц, связанному с дифференциальным усилителем, счетчиком и сигнализатором. Детектируются электрические импульсы заданной амплитуды в течение заданного времени, возникающие между электродами, или изменение напряженности электрического поля, которые при совместной обработке сигналов по приводимым формулам в различных направлениях относят к предвестникам землетрясений. В другом изобретении "EARTH CRUST ACTIVITY MONITORING SYSTEM» (JP10268057 (A), HATA MASATADA, 09.10.1998), описана система мониторинга активности земной коры и предсказания землетрясений с использованием сети приемников электромагнитных волн, сигналы с которых собираются, обрабатываются и сравниваются с сигналами состояния напряженности электрического поля в атмосфере, колебаниями и пр. Мониторирующий центр подключен к компьютеру, который анализирует состояние активности земной коры по данным от контрольных устройств, сопоставляет их с предыдущими данными наблюдений и затем определяет местонахождение сейсмических исходных областей и предсказывает величину и даты возникновения землетрясений. Эти изобретения касаются т.н. пассивных методов контроля путем мониторинга естественных электромагнитных полей в возможном очаге землетрясения. Однако данные средства недостаточно помехозащищены, не указывается и на ожидаемое время начала события.
Вместе с тем известна реализация инструментального метода регистрации предвестников землетрясений с использованием активного возбуждения импульсными источниками электрического поля.
Так, в изобретении "Способ геоэлектроразведки и устройство для его осуществления» (SU 1770774 А1, Рыхлинский и др., 23.10.1992) описано проведение геофизических исследований для изучения динамических процессов во времени в земной коре. Возбуждение электромагнитного поля в исследуемой среде осуществляют при помощи источника переменного тока на двух заданных частотах. На заданном расстоянии от источника, которое составляет 20 км и более, измеряют на обеих частотах отношения вторых геометрических разностей потенциалов электрического поля к первым, выделяя из этих соотношений только синфазную с электродвижущей силой источника фазовую составляющую. Устройство состоит из горизонтального дипольного источника переменного тока, приемника, включающего датчики первой и второй геометрических разностей электрических потенциалов, делителя, синхронного детектора, накопителя и регистратора.
В другом изобретении описана система электромагнитного мониторинга сейсмоактивных зон земной коры методами активной электроразведки (RU 2408037 С2, Ильичев и др., 27.12.2010). Центр управления, сбора и обработки информации соединен с помощью радиолиний связи по разветвленно-лучевой схеме с генераторной установкой и сетью измерительных пунктов. Каждый измерительный пункт включает блок датчиков электромагнитного поля, подключаемый к цифровой измерительной станции, и устройство передачи данных, выполненное в виде радиомодема. Устройство передачи данных соединено двунаправленными линиями связи с цифровой измерительной станцией. Измерительная станция состоит из генератора тестовых сигналов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключенного к блоку измерительных усилителей и микро-ЭВМ. Приемник спутниковой навигационной системы соединен с микро-ЭВМ двунаправленными линиями связи последовательного интерфейса. Генератор тактовых импульсов подключен своим выходом к входу синхронизации АЦП, а в случае генераторной установки - к входу системы управления и диагностики. Однако в данной системе не раскрывается топология размещения собственно измерительной системы на территории, которая подлежит мониторингу.
В изобретении «Способ геоэлектроразведки» (RU 1835939 С.Бубнов и др., 27.06.1995 - ближайший аналог) для прогноза землетрясения описан принцип построения системы регистрации во времени изменения электропроводности в стационарных пунктах наблюдения. Она обеспечивает возбуждение в разрезе источниками периодических сигналов импульсов тока частотой около 0,25 Гц и силой несколько сотен ампер. Возбуждение осуществляется заземленными электрическими линиями, размещенными перпендикулярно (сначала одной, потом другой), размером 1-2 км. На расстоянии 20-25 км измеряются разности потенциалов при помощи системы заземленных дипольных и квадрупольных установок. По измеренным разностям составляется система уравнений, по которой определяется тензорная характеристика электропроводности. По изменениям элементов тензорной характеристики во времени судят об изменении геоэлектрических свойств разреза. Используются три частоты возбуждения, которые обеспечивают изучение разреза на глубину в 2-3 км. Измерения выполняются 4-6 раз в сутки.
Однако в ближайшем аналоге не раскрывается конструкция измерительной системы устройства для непосредственного мониторинга ПЗ на небольшой локальной территории, например, в зоне размещения опасного производства или военного объекта, где ПЗ может причинить значительный материальный ущерб.
Настоящее изобретение направлено на систему активной электроразведки предвестников поверхностных землетрясений.
Система контроля предвестников локальных поверхностных землетрясений на охраняемой территории содержит два питающих заземления, подключенных к генератору зондирующих импульсов тока, и систему приемных заземлений, подключенную к приемнику, связанному с блоком обработки сигналов.
Отличие состоит в том, что система приемных заземлений образована N заглубленными электродами, N-1 из которых размещены равномерно по окружности диаметром D=0,5-0,6 км, а один, центральный, размещен в центре упомянутой окружности. К каждому из N-1 электродов системы приемных заземлений присоединены размещенные радиально проводники, свободные концы которых соединены и подключены к одному входу приемника, к другому входу которого подключен центральный электрод. Электроды питающих заземлений разнесены друг от друга на расстояние L=(15-20)D, при этом система приемных заземлений ориентирована в плане произвольным образом относительно электродов питающих заземлений и удалена от последних на расстояние X=(1,5-1,6)L. Генератор зондирующих импульсов тока выполнен с возможностью генерации пачек импульсов тока с частотой 0,02-0,2 Гц, длительностью пачки 10-30 с и значением тока в импульсе 1-10 КА по меньшей мере два раза в сутки в одно и то же время суток.
Система может характеризоваться тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью анализа электрических сигналов на выходе приемника и их изменения во времени синхронно с подачей на питающие заземления зондирующих импульсов тока и определения предвестников поверхностных землетрясений по возрастанию во времени амплитуды регистрируемого отраженного сигнала в течение первых часов после подачи зондирующих импульсов тока относительно фоновых значений, определенных в отсутствие поверхностных землетрясений.
Система может характеризоваться и тем, что блок обработки сигналов выполнен с возможностью формирования сигнала тревоги и/или управляющего сигнала для подачи электрического воздействия на очаг поверхностных землетрясений на охраняемой территории, а также тем, что размещена на расстоянии, не превышающем 150 км от центральной части охраняемой территории, а, кроме того, тем, что число электродов системы приемных заземлений составляет N=6-12.
Технический результат состоит в обеспечении контроля предвестников поверхностных землетрясений на локальной территории размерами 100-300 км в поперечнике и повышении достоверности информации о гипоцентре готовящегося ПЗ и его параметрах в части времени события и оценки амплитуды для принятия необходимых мер организационного и технического плана.
В основе изобретения лежит экспериментально обоснованная модель поверхностных землетрясений с очагами на глубинах до 20 км, которые могут быть прогнозированы за 1-2 суток до начала процесса. Модель построена с учетом концепции Каракина А.В., Григоряна С.С. и др. об изменении состояния трещиноватости земной коры в процессе подготовки землетрясения вследствие т.н. эффекта диффузного дилатансионного расширения трещин и связанного с ними движения флюида с высокой электропроводностью. Изменение состояния земной коры вызывает и изменение отраженного от этих слоев электрического сигнала активного электроразведочного метода. Под понятием «локальное» ПЗ имеется в виду ПЗ, имеющее гипоцентр вблизи контролируемого объекта или непосредственно на его территории, которое может повлиять на работоспособность технических средств, размещаемых на этой локальной территории. Синхронный анализ данных дежурного мониторинга локальной области и регистрации возмущений в ионосфере над очагом готовящегося ЗТ с помощью известных методов позволит с хорошей точностью определить время и оценить магнитуду ожидаемого события и тарировать средства электрического зондирования ПЗ.
Патентуемые средства позволяют спрогнозировать наступление события за 1-2 суток и тем самым повысить безопасность работ, ведущихся на этой локальной территории.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 в плане представлена схема размещения электродов питающих и приемных заземлений на охраняемой территории;
фиг.2 - блок-схема системы;
фиг.3 - графики зависимости амплитуды регистрируемого сигнала от времени (пояснения в тексте).
Система контроля предвестников локальных поверхностных землетрясений на охраняемой территории (см. фиг.1, 2) содержит два питающих заземления А и В, подключенных к генератору 1 зондирующих импульсов тока. Система приемных заземлений М подключена к приемнику 2, связанному с блоком 3 обработки сигналов. Система размещена на расстоянии, не превышающем 150 км от центральной части охраняемой территории. Блок 3 связан с сигнализатором 4.
1
N
Система приемных заземлений М образована N (N=7-13) углубленными в землю на 1-1,5 метра электродами M…M. Центральный электрод размещен в центре упомянутой окружности, остальные (N-1) периферийных электродов размещены равномерно по окружности диаметром D=0,5-0,6 км. Например, как показано на фиг.2, система может состоять из 7 электродов: одного центрального и шести периферийных. Принятые сигналы нормируется на параметр, пропорциональный плотности тока, а не на величину силы тока генератора 1 зондирующих импульсов тока (как обычно делается). Этот параметр инвариантен к боковым неоднородностям исследуемой среды и не подвержен искажающему влиянию локальных неоднородностей непосредственно под точкой наблюдения (см. Голубчиков Л.Г., Каракин А.В., Рыхлинский Н.И. «О возможности прогноза и воздействия на поверхностные землетрясения», доклад на конференции «СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ КУРОРТОВ РОССИИ». Сочи-2007, 19-22 апреля, организованной Отделением общественных наук РАН).
К каждому из N-1 электродов М системы приемных заземлений присоединены размещенные радиально проводники R, свободные концы которых соединены и подключены к одному входу приемника 2, к другому входу которого подключен центральный электрод Мо.
Электроды питающих заземлений А и В разнесены друг от друга на расстояние L=(15-20)D. Система приемных заземлений может быть ориентирована в плане произвольным образом относительно электродов питающих заземлений А, В и удалена от последних на расстояние Х=(1,5-1,6)L. Соответственно, расстояние L=(15-20) (0,5-0,6) составляет 7,5-12 км, а расстояние между питающими и приемными заземлениями находится в диапазоне Х=10-20 км.
Генератор зондирующих импульсов тока выполнен с возможностью генерации пачек импульсов тока с частотой 0,02-0,2 Гц, длительностью пачки 10-30 с и значением тока в импульсе 1-10 кА. Система управления генератором должна обеспечивать стабилизацию амплитуды выходных импульсов и генерацию сигнала с заданными параметрами по меньшей мере два раза в сутки в одно и то же время.
Блок 3 обработки сигналов выполняется на основе персонального компьютера или специализированного контроллера с возможностью анализа электрических сигналов на выходе приемника и их изменения во времени синхронно с подачей на питающие заземления зондирующих импульсов тока. Предвестники ПЗ определяются по возрастанию во времени амплитуды отраженного сигнала, регистрируемого от зоны формирующегося очага землетрясения в течение первых часов. Иными словами, предвестник ПЗ - это заметное отклонение амплитуды сигнала после подачи зондирующих импульсов тока от среднестатистических фоновых значений, определенных в отсутствие ПЗ при отладке измерительного комплекса с одновременным анализом данных сейсмического мониторинга.
Блок 3 обработки сигналов может быть выполнен с возможностью формирования сигнала тревоги на сигнализатор 4 с использованием известных традиционных средств радиосвязи и управления (например, как в вышеупомянутом патенте RU 2408037).
Блок 3 обработки сигналов может быть выполнен с возможностью формирования сигнала для подачи активного электрического воздействия на очаг поверхностных землетрясений на охраняемой территории в соответствии с известными рекомендациями. Это возможно осуществить с помощью мобильных МГД-генераторов мощных импульсных разрядов (до 10 МДж) (см., Тарасов Н.Т. «Изменение сейсмической коры при электрическом воздействии», ДАН, 1997 год, т.353, №4, с.54-545; Велихов Е.П., Голубчиков Л.Г., Каракин А.В. «О возможности применения методов электрофизики для прогноза и воздействия на неглубокие землетрясения», ДАН, 2005 год, №2, с.238-241). При воздействии таким мощным электрическим разрядом на заземленные электроды, размещенные вблизи к эпицентру ПЗ, как это показала практика, сильное ПЗ разбивается на несколько слабых и не опасных ПЗ для населения и защищаемых объектов.
На фиг.3 показан график зависимости амплитуды регистрируемого сигнала от времени. Кривая а) показывает заметное отклонение амплитуды отраженного от очага ПЗ зондирующего сигнала относительно среднестатистического значения по временной отметке около 50 часов от начала мониторинга. Накопление статистики на конкретной подвергаемой мониторингу территории позволит выявить опасный уровень амплитуды сигнала. В этом случае активизируется сигнализатор 4 для подачи сигнала тревоги, а также может осуществляться выработка соответствующего управляющего сигнала для подключения системы активного подавления ПЗ мощными электрическими разрядами от МГД-генератора.
Из хода кривой б) видно, что отклонение от фонового значения мало и нарастает медленно, а затем и затухает естественным образом, что не предполагает наличия опасного ПЗ в течение ближайших дней. Кривая в) показывает уровень фоновых значений, определенных традиционными сейсмоакустическими средствами в отсутствие ПЗ. При этом следует подчеркнуть, что современные сейсмические станции регистрируют землетрясение и его гипоцентр только постфактум.
Оценки показывают, что контроль предвестников поверхностных землетрясений на глубинах до 20 км на основе результатов дежурного мониторинга состояния земной коры в радиусе не менее 150 км от важного защищаемого объекта (например, сооружаемого космодрома «Восточный») позволит предупреждать о серьезных ПЗ по меньшей мере за 1-2 суток до начала процесса.