СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ
METHOD FOR DYNAMIC ESTIMATION OF SEISMIC HAZARD

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для прогнозирования места и тренда (увеличения или уменьшения) сейсмической опасности.
Известен способ прогнозирования землетрясений, основанный на совместной оценке геофизических, сейсмологических и гидрологических данных (см. F.A.McKeown, S.F.Diehl. Evidence of Contemporary and Ancient Excess Fluid Pressure in the New Madrid Seismic Zone of the Reelfoot Rift, Central United States. U.S.Geological Survey Professional Paper 1538-N, Washington, 1994), согласно которому о наличии сейсмически активных зон судят по результатам регистрации избыточного давления флюидов, которое должно превышать гидростатическое давление в горных породах, причем условием однозначной оценки наличия сейсмически активной зоны является характер структурных разрушений горных пород в районе, где зарегистрировано избыточное давление флюидов.
Недостаток данного способа заключается в том, что он выделяет сейсмоактивную область по ретроспективным данным и не обеспечивает возможности достоверного прогноза и локализации очаговой области ввиду того, что не осуществляется непрерывное измерение флюидной динамики и не обеспечивается достоверность получаемых оценок.
8
Наиболее близким аналогом является способ оперативного прогноза землетрясений, включающий проведение синхронных измерений интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ) в нескольких пунктах контролируемого региона, при этом измерения в каждой точке ведут не менее чем в двух различных направлениях приема сигналов, а чувствительность регистрирующих станций выбирают в соответствии с местными геофизическими условиями таким образом, чтобы регистрируемая станциями интенсивность ЕИЭМПЗ была близка по своим значениям к интенсивности типичного суточного хода ЕИЭМПЗ, выделяют аномальную территорию по наличию скачкообразного изменения интенсивности (Патент RU 2238575 С2, МПК G01V 9/00, опубл. 20.10.2004).
Недостатком данного способа является низкая точность прогнозирования предстоящих землетрясений в сейсмоактивных зона.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа динамического прогнозирования сейсмического события, например землетрясения или извержения вулкана, который даст возможность на основе измерений процессов, происходящих в земной коре в сейсмоопасной зоне, определить область, в которой может произойти землетрясение, определить тренд (уменьшение или увеличение) сейсмической опасности.
Техническим результатом является повышение точности предсказания зоны предстоящего землетрясения и возможность оценки тренд увеличения или уменьшения сейсмической опасности.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе динамической оценки сейсмической опасности, в котором осуществляют мониторинг ситуации, по крайней мере, в одной зоне ожидаемого сейсмического события, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону, формируют в сейсмоактивном регионе наблюдательную сеть из «n» пунктов, разнесенных друг от друга, одновременно и непрерывно измеряют, по крайней мере, один контролируемый параметр во всех пунктах наблюдательной сети, характеризующий процессы в земной коре, определяют область с повышенной сейсмической активностью по результатам сравнения, по крайне мере, одного измеренного контролируемого параметра, характеризующего процессы в Земной коре, с пороговым значением, определяемым на основе статистического анализа значений контролируемого параметра для предыдущих сейсмических событий в сейсмоактивном регионе, измерение, по крайней мере, одного контролируемого параметра, характеризующего процессы в земной коре, на всех «n» пунктах наблюдательной сети осуществляют с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени At и регистрируют их в виде электрического сигнала, формируют для исследуемого сейсмоактивного региона регулярную сеть из N×M узлов, где N - количество узлов в направлении изменения долготы и М - количество узлов в направлении изменения широты, покрывающей исследуемый сейсмоактивный регион, причем каждому из этих узлов принадлежит прилегающая к нему зона исследуемого сейсмоактивного региона, выбирают временное окно, состоящее из заданного числа L, где L≥64, последовательных временных отсчетов с шагом дискретизации At, осуществляют обработку электрических сигналов, полученных от указанных «n» пунктов, на основе которых вычисляют одновременно во всех пунктах измерения для каждого узла (i,j), где ≤i≤N, ≤j≤М, регулярной сетки в указанном временном окне медианы нормализованной энтропии
шума по некоторому числу v, где v≥3 изменений контролируемого, по крайней мере, одного параметра, характеризующего процессы в земной коре, после удаления тренда полиномом заданного порядка, одинакового для всех пунктов измерения, по формуле
<mrow><mi>E</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>log</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>log</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
, 0≤En≥1,
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>c</mi><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>c</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
j
n
n
где
c - вейвлет-коэффициенты ортогонального вейвлета из некоторого набора (словаря) базисов, найденного из условия минимума величины E, на основе которых строят матрицу значений медиан нормализованной энтропии, соответствующих указанному текущему временному окну, визуализируют ее как карту, при этом область с повышенной сейсмической активностью определяют как совокупность зон, прилегающих к узлам (i,j) регулярной сети, для которых нормализованная энтропия
превышает пороговое значение E, при этом оценивают силу будущего землетрясения по размеру области с повышенной нормализованной энтропией.
Кроме того, в способе динамической оценки сейсмической опасности в качестве контролируемого параметра используют параметр из списка: микросейсмические колебания, изменение напряженности магнитного поля Земли, изменение напряженности электромагнитного поля Земли, колебания уровня подземных вод, колебания давления подземных вод, концентрацию одного или нескольких растворенных в подземных водах газов, например углекислого газа, метана, водорода, радона.
На фиг.1 представлены карты распределения значений нормализованной энтропии для двух промежутков времени, указанных в подрисуночной подписи.
На фиг.2 - усредненные карты распределения нормализованной энтропии волновых форм сейсмического шума на Японских островах для 4-х временных фрагментов примерно одинаковой длины после японского мегаземлетрясения 11 марта 2011 года.
Способ динамической оценки сейсмической опасности осуществляется следующим образом.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Выбирают, по меньшей мере, один контролируемый параметр, из числа параметров, характеризующих процессы в земной коре, для мониторинга ситуации, по меньшей мере, в одной зоне ожидаемого сейсмического события, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону. Формируют в исследуемом сейсмоактивном регионе наблюдательную сеть из «n» пунктов измерения, по меньшей мере, этого одного контролируемого параметра, при этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, Измерения контролируемого параметра выполняются непрерывно и одновременно на всех «n» пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала. Формируют для исследуемого сейсмоактивного региона регулярную сеть из N×M узлов, где N - количество узлов в направлении изменения долготы и М - количество узлов в направлении изменения широты, покрывающей исследуемый сейсмоактивный регион, причем каждому из этих узлов соответствует прилегающая к нему одна зона исследуемого сейсмоопасного региона. Осуществляют обработку данных, полученных от указанных «n» пунктов измерения, для определения риска появления предстоящего сейсмического события, его местоположения, времени и силы, включающую выбор временного окна, состоящего из заданного числа L последовательных временных отсчетов с шагом дискретизации Δt, причем L≥64 и определение для каждого узла (i,j), 1≤i≤N, 1≤j≤М, регулярной сетки из N×М узлов медианы нормализованной энтропии
шума изменений контролируемых параметров по некоторому числу v (v≥3) ближайших к узлу (i,j) пунктов измерения среди общего числа n пунктов измерения, покрывающих исследуемый сейсмоактивный регион.
n
Нормализованную энтропию шума E в каждом пункте измерения вычисляют по формуле:
<mrow><mi>E</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>log</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mi>log</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>N</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
, 0≤En≥1,
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>c</mi><mi>k</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>c</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
j
n
и где
, c - вейвлет-коэффициенты ортогонального вейвлета из некоторого набора (словаря) базисов, найденного из условия минимума величины E; набор ортогональных вейвлетов (словарь базисов) состоит из 17 вейвлетов Добеши: 10 обычных вейвлетов с числом обнуляемых моментов от 1 до 10 и 7 так называемых симлетов Добеши с числом обнуляемых моментов от 4 до 10.
n
Величины нормализованной энтропии E вычисляют одновременно во всех пунктах измерения в одном и том же временном окне длиной L отсчетов после удаления тренда полиномом заданного порядка, одного и того же для всех пунктов измерения, что обеспечивает выделение шума сигналов, получаемых от сети геофизического мониторинга.
n
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таким образом, после вычисления медианы величин E от v ближайших к каждому узлу (i,j) станций получается матрица
значений медиан нормализованных энтропии, соответствующих текущему временному окну длиной L отсчетов, которую визуализируют как карту.
n
n
*
*
Совокупность зон, прилегающих к узлам (i,j) регулярной сети, для которых нормализованная энтропия E превышает пороговое значение En En(i,j)≥En, определяет подобласть исследуемого региона, оцениваемую как область с повышенной сейсмоопасностью в пределах текущего скользящего временного окна, причем пороговое значение определяют на основе статистического анализа значения E для предыдущих сейсмических событий в этом сейсмоактивном регионе, при этом силу будущего землетрясения оценивают по размеру области с повышенной нормализованной энтропии.
Предпочтительно в качестве контролируемых параметров используют, по крайней мере, один или несколько из следующих параметров: микросейсмические колебания, изменение напряженности магнитного поля Земли, изменение напряженности электромагнитного поля Земли, колебания уровня подземных вод, колебания давления подземных вод, концентрацию одного или нескольких растворенных в подземных водах газов, например углекислого газа, метана, водорода, радона, при этом при обработке данных, полученных от указанных пунктов измерения, используют измерения одного из указанных контрольных параметров, либо при обработке данных, полученных от указанных n пунктов измерения, используют измерения разных указанных контрольных параметров.
В качестве примера реализации изобретения рассмотрим выполненный автором мониторинг ситуации в сейсмоопасном регионе - японских островах в регионе от 30° до 46° с.ш. и от 128° до 146° в.д. В данном регионе имеется развитая сеть пунктов измерения контрольных параметров, характеризующих процессы в земной коре. В качестве контрольного параметра использовали микросейсмические колебания, но можно использовать и иные параметры: изменение напряженности магнитного поля Земли, изменение напряженности электромагнитного поля Земли, колебания уровня подземных вод, колебания давления подземных вод, концентрацию одного или нескольких растворенных в подземных водах газов, например углекислого газа, метана, водорода, радона. Применительно к исследуемому сейсмоопасному региону сформировали регулярную сеть, состоящую из 30×30 узлов, каждому из которых соответствует прилегающая к нему зона сейсмоопасного региона, имеющая те же размеры.
Для мониторинга состояния среды в районе Японии использовались низкочастотные микросейсмические колебания, содержащие информацию о процессах в земной коре. Фактически земная кора является средой распространения колебаний при воздействии на нее атмосферных и океанических процессов. Поскольку передаточные свойства коры зависят от ее состояния, можно ожидать, что статистические свойства микросейсмических колебаний отражают изменения свойств литосферы.
Данные широкополосной сейсмической сети F-net свободно доступны в Интернете по адресу http://www.fnet.bosai.go.ip/top.php?LANG=en. Общее число станций равно 83. Наблюдения ведутся с 1997 года по настоящее время. Анализируемые данные - вертикальные компоненты с шагом по времени 1 сек, которые преобразовывались к шагу по времени 1 минута путем вычисления средних значений в последовательных временных фрагментах длиной 60 значений. Далее рассматривались лишь станции, расположенные выше 30° с.ш., что исключает из анализа данные 6 уединенных станций, расположенных на удаленных небольших островах.
<mrow><mover accent="true"><mi>E</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Карты строились путем усреднения ежесуточных карт внутри указанных промежутков времени. Каждая суточная карта нормализованной энтропии вычислялась как матрица медианных значений
для каждого узла (i,j), 1≤i≤N, 1≤j≤M, регулярной сетки из N×M узлов, N=30, M=30. Медианы брались по 5 станциям (v=5), ближайшим к каждому узлу (i,j).
Нормализованные энтропии шума вычислялись в последовательных окнах длиной 1 сутки (1440 минут, то есть L=1440) после удаления в каждом окне тренда полиномом 8-го порядка.
При этом силу будущего землетрясения оценивают по размеру области с повышенной нормализованной энтропии.
На фиг. 1 видно, что область подготовки Великого Японского землетрясения 11 марта 2011 года до события 25 сентября 2003 года представляла собой единую область повышенных значений нормализованной энтропии шума. Однако после 25 сентября 2003 года эта область распалась на 2 части, причем Северная часть реализовалась как область мегаземлетрясения.
Из фиг.2 видно, что область мегаземлетрясения 11 марта 2011 года после события стала характеризоваться относительно низкими значениями нормализованной энтропии шума, тогда как южная область (желоб Нанкай) по-прежнему характеризуется как область высоких значений энтропии шума, причем сами значения нормализованной энтропии там прогрессивно увеличиваются. Это говорит в пользу гипотезы, что в этой области готовится повторное мегаземлетрясение, которое может представлять большую опасность для мегаполиса Токио.