СПОСОБ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
METHOD OF ESTIMATING CHANGE IN STRESS CONDITION OF GEOLOGICAL ENVIRONMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к геофизике и сейсмологии и предназначено для исследования геологической среды и прогноза землетрясений.
Описание изобретения
Уровень техники
Известен способ оценки изменения напряженного состояния геологической среды, основанный на бурении группы скважин, периодическом определении в них изменений уровня воды (Копылова Г.Н. Сейсмичность как фактор формирования режима подземных вод. Вестник КРАНЦ. Серия Науки о Земле, 2006, №1, выпуск №7, с.51-66.) [1]. Изменения уровня воды происходят в результате изменений напряженного состояния, действующих на водоносный пласт в грунте - геологической среде. С целью выяснения механизма воздействий водоносный пласт в данном случае можно образно представить колбой, имеющей большую суммарную площадь. Такое представление водоносного пласта позволяет объяснить как в способе-аналоге большая суммарная площадь водоносного пласта обеспечивает регистрацию даже малых изменений напряжений грунта. В настоящее время способ-аналог является наиболее продвинутым в решении проблемы прогноза землетрясений. Основные недостатки способа-аналога:
- необходимость бурения водяных скважин;
- невозможность использовать способ оперативно в местах, где нет скважин.
По технической сущности ближайшим аналогом-прототипом настоящему изобретению является способ оценки изменения напряженного состояния геологической среды, основанный на регистрации на измерительном полигоне сейсмических записей сетью сейсмических регистраторов от источника сейсмических волн и на их последующей обработке («Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии». Сб. статей под ред. Н.В.Шебалина. М.: Недра, 1984 г., с.102-104) [2].
В известном способе-прототипе для возбуждения сейсмических волн используют периодически повторяющиеся искусственные взрывы. На измерительном полигоне регистраторы и взрывы размещают таким образом, чтобы сейсмические волны проходили через зону предполагаемого изменения напряженного состояния геологической среды, например через зону подготовки землетрясения. Способ основан на экспериментальной зависимости скорости распространения упругих (сейсмических) волн от давления, приложенного к образцу (массиву). В известном способе-прототипе обработка сейсмической записи сводится к определению времен вступления целевых волн: продольных или/и поперечных, и последующему определению их скоростей. Способ-прототип позволяет устранить главные недостатки способа-аналога: не бурить водяные скважины и, благодаря этому, повысить оперативность использования. Но и способ-прототип не свободен от недостатков. К главным недостаткам известного способа-прототипа относятся:
- необходимость проведения взрывов, что крайне затруднено в густонаселенных районах, и
- трудность обеспечения идентичности повторных взрывов.
Раскрытие изобретения
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в оценке изменений напряженного состояния геологической среды по регистрации сейсмических записей сетью сейсмических регистраторов от источника сейсмических волн и на их последующей обработке, получении целевого сигнала, динамика изменения которого связана с динамикой изменения поля механических напряжений геологической среды в очаге.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе оценки изменения напряженного состояния геологической среды, основанном на регистрации сейсмических записей сетью сейсмических регистраторов от источника сейсмических волн и на их последующей обработке для надежного обнаружения опасных состояний геологической среды, используют сеть в виде размещаемых на измерительном полигоне трехкомпонентных сейсмических регистраторов, а в качестве источника используют далекие землетрясения (с расстояний более 2°), при этом на компоненте z каждой сейсмической записи от одного землетрясения регистрируют время первого вступления продольной волны, далее выбирают временной интервал сейсмической записи, например 4 сек, производят расчет энергии обменных волн по х- и y-компонентам и осуществляют ее накопление для всех зарегистрированных сейсмических записей от этого землетрясения и затем продолжают суммирование энергии обменных волн от последующих землетрясений до появления устойчивых амплитудно-пространственных неоднородностей в распределении энергии обменных волн, которые по определению являются элементами структуры сейсмического поля, отражающими информацию о строении участка под измерительным полигоном, что принимают за квазиустойчивый уровень фонового напряжения и далее с заданной периодичностью осуществляют мониторинговые наблюдения, в результате которых получают подобные структуры в распределении энергии обменных волн. По наличию отклонения от уровня фоновых напряжений судят об изменении напряженного состояния геологической среды, а по величине амплитуды устойчивой флуктуации распределения энергии обменных волн - целевом полезном сигнале в свою очередь судят об относительной опасности изменения напряженного состояния геологической среды под измерительным полигоном, при этом целевой полезный сигнал фиксируется в виде разреза в координатах (х, t), где х - расстояние между регистраторами на поверхности полигона, а t - время сейсмической записи, причем на разрезе целевой полезный сигнал представлен в цветовой гамме, отражающей относительную опасность возникновения будущего землетрясения и по площади полигона в координатах (х, y), определяя при этом с учетом мониторинговых наблюдений изменение структуры полезного сигнала в трех пространственных координатах и во времени. При этом для обеспечения необходимой надежности полученной информации об опасной тенденции в изменении напряженного состояния геологической среды относительно устойчивую амплитудно-пространственную неоднородность определяют не менее чем по 5 далеким землетрясениям.
Технический результат - получение целевого полезного сигнала в виде разреза в координатах (x,t), где х - расстояние между сеймоприемниками на измерительном полигоне, а t- время сейсмической записи, и по площади в координатах (х,y). На разрезе (x,t) и по площади (х,y) целевой полезный сигнал выражен в цветовой гамме, отражающей наглядно опасность возникновения будущего землетрясения.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где
Фиг.1 - сейсмическая запись (сейсмограмма);
Фиг.2 - суммирование (накопление) порции данных, геологический разрез вдоль выбранного профиля;
Фиг.3 - прогноз сейсмической активности в виде глубинного разреза вдоль выбранного профиля;
Фиг.4 - прогноз сейсмической активности в виде карты измерительного полигона;
Фиг.5 - изменение сейсмической активности для землетрясения с М=3,5;
Фиг.6 - пример обработки мониторинговых наблюдений в четырехмерном формате;
Фиг.7 - изменение сейсмической активности для землетрясения с М-5,6.
Осуществление изобретения
Вновь введенные операции, образующие совокупность существенных признаков, обеспечивают достижение таких качественных свойств, как:
- возможность на базе существующего комплекса технических средств непрерывных сейсмологических наблюдений на земной поверхности;
- высокую оперативность получения и обработки информации за изменением напряженного состояния геологической среды под измерительным полигоном;
- высокую достоверность, поскольку целевой полезный сигнал - величина отклонения от уровня фонового напряжения  непосредственно  связана с изменением напряжений в геологической среде под измерительным полигоном;
- обеспечение необходимой надежности полученной информации об опасной тенденции в изменении напряженного состояния геологической среды под измерительным полигоном, поскольку относительно устойчивую амплитудно-пространственную неоднородность определяют не менее чем по 5 далеким землетрясениям.
2
Сущность изобретения заключается в следующем. Вокруг крупных городских агломераций или важных промышленных объектов, например ГЭС, АЭС или химический завод с вредным производством, создают измерительный полигон размерами, предпочтительнее 60×60 км. На измерительном полигоне размещают 10-14 регистраторов с трехкомпонентными сейсмоприемниками и проводят непрерывные сейсмические записи. На сейсмических записях для последующей обработки выделяют обменные волны (фиг.1) от далеких землетрясений (с расстояний более 2°).
Поскольку сейсмические сигналы от далеких землетрясений приходят на измерительный полигон практически вертикально снизу, то можно считать, что все обменные волны, зарегистрированные в плоскости X,Y возникают непосредственно под сейсмоприемником и, следовательно, несут информацию о состоянии геологической среды под измерительным полигоном. В начале обработки на компоненте z каждой сейсмической записи от одного землетрясения регистрируют время первого вступления продольной волны (фиг.1). Далее выбирают временной интервал сейсмической записи, например 4 сек, производят расчет энергии обменных волн по х- и y-компонентам и осуществляют ее суммирование (накопление) по каждой зарегистрированной сейсмической записи от этого землетрясения.
На фиг.2 показан результат суммирования энергии обменных волн от группы (порции) землетрясений, где суммарно представлены статическая (геологический разрез) и динамическая (воздействие напряженного состояния) части.
Затем продолжают суммирование энергии обменных волн от последующих землетрясений до появления устойчивых амплитудно-пространственных неоднородностей в распределении энергии обменных волн, которые по определению являются элементами структуры сейсмического поля, отражающими информацию о геологическом строении (геологический разрез) участка под измерительным полигоном, и что служит определением квазиустойчивого уровня фонового напряжения.
И, далее, в результате мониторинговых наблюдений получают временной ряд подобных структур в распределении энергии обменных волн. По величине отклонения полученных структур от уровня фоновых значений судят об изменении напряженного состояния геологической среды для моментов времени получения каждой структуры в распределении энергии обменных волн. По величине относительно устойчивой флуктуации распределения энергии обменных волн - целевом полезном сигнале - в свою очередь судят об относительной опасности изменения напряженного состояния геологической среды под измерительным полигоном.
Целевой полезный сигнал представлен в виде разреза (фиг.3) в координатах (x,t), где х - расстояние между сейсмоприемниками на измерительном полигоне, a t - время сейсмической записи, и по площади (фиг.4) в координатах (х,y), причем на разрезе (фиг.3) и по площади (фиг.4) целевой полезный сигнал выражен в цветовой гамме, отражающей наглядно опасность возникновения будущего землетрясения.
В результате непрерывных мониторинговых наблюдений на территории измерительного полигона определяют изменение напряженного состояния - «образ напряженного состояния» упруго-хрупкого слоя литосферы до глубины 30-80 км. Именно в интервале глубин до 80 км концентрируется до 90% гипоцентров землетрясений и выделенной энергии.
Изменения напряженного состояния рассмотрим на примере землетрясения вблизи измерительного полигона на территории Кавказских Минеральных Вод 21 февраля 1996 года с магнитудой М=3.5 (фиг.5).
Здесь в качестве примера приведены 6 состояний геологической среды на территории измерительного полигона в разные моменты: за 3,5 месяца (фиг.5,а), за 1,5 месяца (фиг.5,б), за 13 дней (фиг.5,в), за 5 дней (фиг.5,г) до землетрясения, в момент землетрясения (фиг.5,д) и 2,5 месяца после землетрясения (фиг.5,е).
Видно, что новый предвестник - «образ напряженного состояния» - реагирует на процесс подготовки землетрясения. Более того, контролируется процесс релаксации среды после землетрясения. Так спустя 2,5 месяца после землетрясения (фиг.5,е) состояние среды достаточно близко к исходному перед землетрясением (фиг.5,а). Таким образом, новый предвестник отображает как геологию среды, так и изменение напряженного состояния.
Во второй и последующих версиях программы обработки геологическая среда при ее стабильном /исходном/ состоянии отображена желтыми линиями равных значений обменных волн (фиг.5, 6). Отклонения от стабильного состояния среды отображают изменениями выделенной энергии в относительном масштабе разного цвета окраской.
Третья версия программы была разработана для создания четырехмерного формата наблюдений и обработки информации на территории измерительного полигона. Трехмерный формат (модель) отражает фактически объемные изменения энергии обменных волн, а четвертая координата является показателем времени или, другими словами, четырехмерный формат показывает изменения объемных показателей энергии обменных волн во времени (фиг.6). Такие материалы (фиг.6) с периодичностью 7-10 дней передают в Центры прогнозирования землетрясений.
Подготовка разрушительного землетрясения в Дагестане 31 января 1999 г., удаленного на 360 км, отчетливо наблюдалась на территории измерительного полигона(фиг.7). Экстремально опасный очаг возрастания напряженного состояния протяженностью 50 км возник в период с 05.01 по 15.01.1999 г.(фиг.7,а), а в период от 22.01 по 30.01 произошла локализация этого очага до горизонтального размера 10 км и возник еще один очаг на глубине от 15 до 8 расстоянии 360 км от контролируемой территории (фиг.7,б, 7,в), что свидетельствует о реагировании выявленного предвестника на подготовку землетрясения в радиусе до 360 км от контролируемой территории. За 10 лет наблюдений на указанной территории измерительного полигона получены записи от землетрясений с магнитудой М=3.5 на расстоянии 130 км, магнитудой М=5.6 на расстоянии 360 км и магнитудой М=6.8 на расстоянии 710 км.
Предлагаемый способ прошел проверку в течение 10 лет на Кавминводском полигоне (1995-2004 г.г.) и в Иране (с 2004 г.). Установлено, что, наряду с регистрацией сейсмического режима, предложенный способ позволяет выдавать среднесрочный прогноз (до 4 недель) об уровне сейсмической опасности в районе измерительного полигона и его ближайшей окрестности с выдачей прогноза опасности землетрясения, т.е. каждый раз после обработки данных мониторинга позволяет ответить на вопрос будет или не будет землетрясение в районе измерительного полигона в предстоящие 4 недели. Одновременно данный способ позволяет отменять ложные прогнозы, выдаваемые по другим предвестникам землетрясений. За период 1995-2005 г.г. имеются четыре случая отмены ложных прогнозов: два на территории Предкавказья (1996, 1998 г.) и по одному случаю на территориях Азербайджана (Баку, 1999 г.) и Ирана (Тагеран, 2004 г.).
Источники информации
1. 1.Копылова Г.Н. Сейсмичность как фактор формирования режима подземных вод. Вестник КРАНЦ. Серия Науки о Земле, 2006, №1, выпуск №7, с.51-66.
2. «Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии». Сб. статей под ред. Н.В.Шебалина. М.: Недра, 1984 г., с.102-104.