СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING POSSIBILITY OF OCCURRENCE OF CATASTROPHIC PHENOMENA

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к способам обнаружения возможности наступления катастрофических явлений преимущественно на море, и может быть использовано при решении следующих фундаментальных задач: изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноз возможных сейсмических и экологических последствий, а также при заблаговременном оповещении о землетрясениях и цунами.
Известно, что вследствие тектонических особенностей Земли свыше 80% всех землетрясений происходит под дном морей и океанов [1, 2]. В то же время сейсмологическая сеть расположена практически полностью на континентах и некоторых островах. Регистрация удаленных сильных морских землетрясений наземными сейсмографами приводит к большим погрешностям в определении магнитуды и координат гипоцентров, слабые морские землетрясения практически не регистрируются. Самые сильные землетрясения с магнитудой 8 и более, вызывающие в основном катастрофические волны цунами, концентрируются под океаническим дном вблизи сейсмически активных континентальных окраин. В России такими районами являются побережье Камчатки, Курильские острова и остров Сахалин. В настоящее время путем долгосрочного сейсмологического прогноза выявлены места ожидаемых сильнейших землетрясений в этом регионе. Это Авачинский залив Камчатки и пролив Буссоль между островами Урупом и Симуширом Южных Курил. Однако время наступления таких землетрясений на основе долгосрочных прогнозов определяется с погрешностью в десятки-сотни лет.
Известные способы основаны на использовании глубоководных регистраторов волны цунами, установленных вдоль защищаемого побережья [3, 4]. Высота волны цунами в открытом океане в 10 см может многократно увеличиваться на мелководье и представлять существенную опасность. Поэтому при постановке на глубину, например, 3 км регистраторы должны иметь высокую чувствительность.
Такую чувствительность обеспечивают кварцевые измерители давления. Для измерения толщины водного слоя используют донные эхолоты. Наиболее развитые системы наблюдения и предупреждения цунами, содержащие сотни наземных сейсмографов и глубоководных регистраторов, имеются в США (DART, NOAA) и Японии (JAMSTEC). Данные системы имеют высокую стоимость и сложный программно-математический аппарат для обработки зарегистрированных сигналов.
Имеется также принципиальная возможность обнаружения волн цунами с помощью спутниковых наблюдений [1, 2]. Однако для обеспечения требуемого разрешения по высоте и времени последовательного сканирования земной поверхности не хуже 10-15 минут необходимо запустить на орбиты несколько десятков спутников.
Кроме того, для выделения волн цунами, которые в открытом океане имеют высоту в несколько сантиметров, требуется сложная математическая обработка для исключения помех в виде ветровых и приливных волн, ветровых нагонов.
Известен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений [5], включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, в котором измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, и период от 100 до 1000000 с, судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений.
Недостатком способа является то, что он имеет низкую достоверность прогноза, так как измеряют только один параметр геофизического поля. Кроме того, синусоидальные колебания измеряемого параметра при наложении на них акустических и гидродинамических шумов техногенного характера могут быть как периодическими, так и апериодическими, что требует получения многочисленных массивов измеряемого параметра для выявления амплитуды, статистически достоверно отличающейся от фоновой, для достижения положительного технического результата.
Известен способ сейсмического микрорайонирования [6], включающий размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, в котором с целью повышения достоверности за счет учета влияния латеральной неоднородности скального основания и более глубоких горизонтов геологического разреза дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, при этом расстояние между пунктами наблюдений не превышает 1/3-1/4 длины волны наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, образующих информативные вариации амплитуд, а расстояние между профилями составляет 1/3-1/4 минимального пространственного периода информативных амплитудных вариаций высокочастотного диапазона сейсмических колебаний.
Выполнение трехкомпонентной регистрации сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей действительно повышает достоверность классификации возможного землетрясения. Однако ввиду того, что в известном способе определение динамических параметров осуществляется путем анализа только наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, то достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности прогноза, возможно только при стабильных во времени колебательных процессах и при отсутствии помех, обусловленных акустическими и гидродинамическими шумами природного и техногенного характера. И если в наземных условиях с некоторыми допущениями использование данного способа имеет положительный технический эффект, то в морских условиях для прогноза возможности возникновения цунами он практически не применим ввиду того, что на значительных расстояниях (больших размерах очага) невозможно определить характер деформации дна, а существенная волна цунами возникает только при вертикальных или наклонных его движениях. Ложные же тревоги приводят к большим материальным потерям.
Кроме того, существенную роль в повышении точности измерения сигналов, по которым устанавливают предвестники катастрофических явлений, играет база измерений и ориентация средств измерения относительно источника. Так, например, разнос измерителей в высоких и экваториальных широтах на более чем на 10 километров при измерении электрических и магнитных компонент приводит к большим (до 50%) погрешностям измерений импеданса.
Аналогичные недостатки имеют также известные способы и устройства, предназначенные для регистрации сигналов сейсмического происхождения в морских условиях [7-23]. В известных способах существенное значение погрешности обусловлено тем, что при обработке зарегистрированных сигналов используют среднее поле распространения сигналов. В то время как максимальные отклонения реального поля от среднего отличаются именно на горизонтах максимальных градиентов. При этом реальное поле резко отличается от идеальной модели. При влиянии внешних факторов с использованием акустических средств регистрации сигналов образуется зона тени, расположенная в полосе от 5 до 16 километров от источника. Причем ее протяженность в разных направлениях неодинакова и может отличаться в 5 раз и более, а с увеличением дистанции между приемником и источником сигналов погрешности возрастают. Для морских условий до 15 километров они находятся в пределах 2 дБ, далее в промежутке от 15 до 30 километров наблюдается их резкий рост до 6 дБ. В дальнейшем в промежутке от 30 до 60 километров величина погрешности монотонно увеличивается до 7,5 дБ.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей известных способов с повышением достоверности прогноза. Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающем микрорайонирование с размещением исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, посредством донных сейсмографов с широкополосными сейсмическими каналами 0,003-20 Гц, содержащих датчики слабых сейсмических сигналов и датчики сильных движений дна, регистрируют сигналы на границе вода-грунт, транслируют зарегистрированные сигналы по гидроакустическому каналу связи на дрейфующие буи, размещенные в исследуемых пунктах, зарегистрированные сигналы с которых по спутниковому каналу связи транслируют на опорные пункты, при обработке сигналов в качестве решающей статистики используют сумму квадратов амплитуд, имеющую максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры, при этом при достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественных геофизических полей, судят о возможности наступления катастрофического явления.
Новые отличительные признаки, заключающиеся в регистрации посредством донных сейсмографов с широкополосными сейсмическими каналами 0,003-20 Гц, содержащих датчики слабых сейсмических сигналов и датчики сильных движений дна, сигналов на границе вода-грунт, трансляции зарегистрированных сигналов по гидроакустическому каналу связи на дрейфующие буи, размещенные в исследуемых пунктах, зарегистрированные сигналы с которых по спутниковому каналу связи транслируют на опорные пункты, использовании при обработке сигналов в качестве решающей статистики суммы квадратов амплитуд, имеющей максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры, и суждении при достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественных геофизических полей, о возможности наступления катастрофического явления, позволяют получить оперативную оценку сейсмического состояния исследуемых районов с более достоверным прогнозом возможных сейсмических последствий, а также осуществить более раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.
Известные способы позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении достоверности, только в условиях изотропного поля, так как характер убывания интенсивности звукового сигнала по мере удаления от источника в горизонтально неоднородном поле (особенно в океане) резко отличается от той же зависимости в условиях изотропного поля. Мезомасштабные неоднородности океана (фронты, ринги) резко перестраивают звуковое поле, вызывая колебания интенсивности сигнала до 5 дБ при прогнозе дальности их действия (Д) до 10 км. Поэтому для эффективного прогноза гидроакустических условий в аномальных районах необходимо четкое установление центров и границ, а также определение параметров возмущающих образований. Неопределенность в расчете звукового поля по климатическим данным или опорному полю выражается в стандартных отклонениях реального уровня от опорного в 4-9 дБ, при Д=90 км, что соответствует погрешности в прогнозе ожидаемой дальности действия гидроакустических систем на 60-90%. Использование единственной кривой вертикального распределения скорости звука для акустических расчетов допустимо лишь на малых дистанциях (до 10 км) , что крайне редко встречается в реальных условиях. По величине и направлению (знаку) горизонтального градиента вдоль трассы распространения сигнала можно судить о степени изменчивости интенсивности звукового поля на горизонте приема относительно фиксированного источника. Для расчетов акустического поля параметром является профиль скорости звука, точно совпадающий с фактическим профилем в месте расположения источника. Однако при использовании режимной информации среднеквадратический профиль, как правило, не совпадает с фактическим, что приводит к дополнительным случайным погрешностям в конечном результате.
Совокупность новых признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".
Способ реализуется посредством системы, блок-схема которой приведена на чертеже.
Блок-схема устройства для реализации способа включает: донный сейсмограф 1, состоящий из датчиков слабых сейсмических сигналов 2, датчиков сильных движений дна 3, цифрового многоканального накопителя информации 4, буферной памяти 5, устройства управления 6, канала гидроакустической связи 7, источника питания 8; дрейфующие буи 9, расположенные на поверхности моря и снабженные каналами гидроакустической и спутниковой связи, опорные пункты 10, искусственный спутник Земли 11. Сущность способа заключается в следующем.
Посредством датчиков слабых сейсмических сигналов, измеряющих три компоненты (горизонтальная, вертикальная и наклонная составляющие) в диапазоне 0,003-0,1 Гц, и датчиков сильных движений дна в диапазоне 0,01-20 Гц, измеряющих также три компоненты, регистрируют сигналы на границе раздела морская вода - морской грунт.
В качестве сейсмических датчиков для реализации заявленного способа применены акустический сейсмический датчик, представляющий собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик, который предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в частотном диапазоне 20-1000 Гц, динамический диапазон которого в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц составляет не менее 60 дБ, а также сейсмический приемник типа СМ-5 (велосиметр), включающий три сейсмических датчика с частотным диапазоном регистрации сейсмических сигналов 0.003-20 Гц, полный динамический диапазон не менее 120 дБ. В качестве донного датчика давления применен датчик с диапазоном до 600 атм с погрешностью измерений 0,03%.
Зарегистрированные сигналы подвергаются обработке для каждого конкретного момента времени для получения временной зависимости в границах, характеризующих уровни состояния естественных геофизических полей.
Устройство управления 6 анализирует уровень сигналов, поступающих от датчиков слабых сейсмических сигналов 2, и, в случае повышения порогового уровня, включает датчики сильных движений 3, а в случае существенных вертикальных или наклонных скоростей смещения элементов движения дна формирует пакет сообщений, который по гидроакустическому каналу связи 7 передается на дрейфующий буй 9. Поскольку устройство управления 6 работает с инерцией, то для исключения потери первых вступительных сильных движений дна сигналы с выходов датчиков слабых сигналов непрерывно регистрируют в буферную память 5, которые затем используются для определения элементов движения дна и регистрируются в цифровом многоканальном накопителе информации 4. При этом пороговый уровень определяется путем усреднения за длительный период времени сейсмических шумов, поступающих с выходов датчиков слабых сейсмических сигналов 2.
Принятые приемной антенной гидроакустического канала связи дрейфующего буя 9 сигналы формируются в информационные пакеты для передачи на опорные пункты 10 через искусственные спутники Земли 11. Аналогами алгоритма преобразования данных являются методы преобразования данных, описанные в источнике: Ильин А.А., Маринич А.Н. и др. Цифровые терминалы спутниковых систем связи. - СПб.: Deau, 2005, с.77-78, 89. В качестве антенны спутниковой связи на дрейфующем буе 9 установлена антенна линейной поляризации в виде несимметричного полуволнового штыревого вибратора, обеспечивающая наилучшие энергетические характеристики в области малых углов места спутниковых аппаратов.
Гидроакустический канал связи обеспечивает дальность до 8000 м с диапазоном частот сигналов переносчиков команд 7-10 кГц.
При обработке сигналов в качестве решающей статистики используется сумма квадратов амплитуд, имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Вычисления выполняются для каждого момента времени для получения временной зависимости для каждого поля. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения того или иного поля. Глобальный максимум соответствует времени прихода совокупного принятого сигнала. При достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественных геофизических полей, судят о возможности наступления катастрофического явления. Предлагаемый способ также может быть использован и в условиях суши. Устройства для реализации способа в широком ассортименте имеются на рынке, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".
Источники информации
1. Соловьев С.Л. История и перспективы развития морской сейсмологии. - М.: Наука, 1986.
2. Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами. - М.: «Янус-К», 2005.
3. Система предупреждения цунами «DART-II», http://www.noaanews.noaa.gov/stories 2006/1 sunami- dart - two -buoy2/.
4. Prothero W.A. Ocean bottom seismometer technology // EOS. Trans. Amer. Geoph. Un. 1984, v.65, №13, p.113-116.
5. RU 2030769, 10.03.1995.
6. SU 1251694, 30.07.1994.
7. EP 0525391, 03.02.1993.
8. NL 9120014, 04.01.1993.
9. EP 0509062, 21.10.1992.
10. EP 0512756, 11.11.1992.
11. US 5131489, 21.07.1992.
12. US 5128907, 07.07.1992.
13. NO 923269, 20.08.1992.
14. NO 923364, 27.10.1992.
15. NO 169985, 04.05.1987.
16. EP 0516662, 09.12.1992.
17. US 5142501, 25.08.1992.
18. NO 923269, 20.08.1992.
19. EP 0519810, 23.12.1992.
20. EP 0519031, 23.12.1992.
21. CA 1310101, 10.11.1992.
22. NO 911639, 26.10.1992.
23. NO 171387, 06.04.1992.