КАБЕЛЬНАЯ ДОННАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКОВ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
CABLE BOTTOM HYDROACOUSTIC STATION TO DETECT KILLER QUAKE SIGNS

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения геофизических измерений для прогнозирования землетрясений и цунами.
В настоящее время опубликовано множество работ, посвященных прогнозированию землетрясений. Рассмотрим некоторые из них, выбранные авторами в качестве аналогов.
В работе [1] рассматривается способ прогнозирования землетрясений, основанный на измерениях не менее трех прогностических станций, оснащенных сейсмоприемниками, с помощью которых измеряют амплитуду и частоту повторений импульсных сигналов, скорость нарастания фронта и длительность импульсных сигналов, и по полученным данным проводят отбор аномальных сигналов. После чего измеряют продолжительность стадии увеличения, уменьшения и замирания интенсивности аномального сигнала на каждой прогностической станции.
В работе [2] рассматривается способ контроля землетрясений, включающий регистрацию сейсмических сигналов, соответствующих сейсмическим событиям определенных энергетических классов, на поверхности и внутри нее в забое скважины предполагаемой очаговой области. Определяют для каждого энергетического класса статистический параметр S=Nk·ln(N/Nk), где Nk - число сейсмических событий определенного энергетического класса k, N - общее число наблюдаемых сейсмических событий. Диапазон измерений делят на четыре частотных поддиапазона измерений: 100-500, 500-1000, 1000-1500 и 1500-2000 Гц. Аномальное поведение отслеживаемых факторов как предвестник наступающего события определяют как соответствующее увеличение регистрируемых амплитудных уровней сейсмического сигнала в два раза по сравнению с фоновыми значениями сейсмического поля при одновременном понижении параметра S.
в
н
н
в
В работе [3] рассматривается способ определения предвестников землетрясения, включающий регистрацию сейсмоколебаний, использование цифровых записей сейсмоколебаний в реальном масштабе времени, которые преобразуют в статистические диагностические параметры. Диагностические параметры R=А/А, где А, А - соответственно амплитуды виброскоростей сейсмоколебаний в низкочастотных и высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров. При достижении диагностических параметров значений, превышающих предельно допустимые значения, выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического события.
В работе [4] рассматривается прогноз, построенный на данных сейсмодатчиков и геофонов. В фазе возникновения максимум активизации наблюдается за 4-6 месяцев до главного толчка (для акустического излучения измеренного в скважине с помощью геофона в полосе частот 500-1000 Гц) и для высокочастотного сейсмического шума (измеренного с помощью сейсмоприемников в полосе частот 30-50 Гц). В фазе кульминации (за 2-3 месяца до главного события) одновременно с уменьшением высокочастотного сейсмического шума и акустического излучения наблюдается рост числа микроземлетрясений.
2
В работе [5] рассматривается способ предсказания землетрясений, основанный на регистрации сверхнизких сейсмических волн периодом порядка несколько тысяч секунд, на прямоугольном полигоне, состоящем из N сейсмоприемников, отстоящих друг от друга на расстоянии λ/4, измеряют амплитуду сигнала со скважностью менее 1 сек, где λ - длина сейсмической волны.
В работе [6] предполагается, что сверхнизкие сейсмические волны с периодом несколько тысяч секунд соизмеримы с длиной экватора земли, т.е. сферой досягаемости является вся земная поверхность. В пространстве распространения таких волн можно выделить участки сжатия, разрежения, а также участок непрерывного, почти линейного изменения плотности среды. Дисперсия плотности породы приводит к дисперсии скоростей распространения литосферных волн, а последняя к изменению формы колебательного процесса. На частотном языке рассмотренный процесс эквивалентен параметрической модуляции сейсмического фона. Способ предсказания землетрясений [6], основанный на регистрации волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала, вычисляют спектр, автокорреляционные функции, определяют интервалы корреляции с помощью двух разнесенных по пространству станций. При обнаружении сверхнизкочастотных модуляционных сигналов определяется направление на очаг и дается предсказание на землетрясение. Данное явление наблюдается за 5-7 часов до землетрясения.
Все рассмотренные выше аналоги строят свои предсказания, основываясь только на данных, полученных с помощью сейсмических станции, во-первых, основываясь на статистических свойствах слабых землетрясений как предвестников сильных землетрясений, во-вторых, основываясь на сверхнизкочастотном модуляционном эффекте сейсмического фона. Здесь гидроакустические данные не используются, что является существенным недостатком допущенных авторами рассмотренных выше аналогов.
Использование гидроакустической компоненты сейсмического сигнала дополняет и заметно усиливает по эффективности различные способы прогнозирования землетрясений, предложенные в работах [1-6]. Гидроакустические устройства прогнозирования землетрясений можно использовать при работе в регионах, омываемых океанами и морями. Особенно актуальны для Охотоморской акватории, окруженной сейсмоактивными регионами Камчатки, Курильских островов, о. Хоккайдо и о. Сахалин.
Отметим, что в Охотском море подводный звуковой канал (ПЗК) располагается в зависимости от сезона на небольших глубинах 60-80 м. Генерируемые на подводных склонах островов Курило-Камчасткого желоба акустические Т-волны с самого начала захватываются ПЗК (сигналы землетрясения представляют два вида сейсмических волн: продольную Р-волну, поперечную S-волну и акустическую третью Т-волну при регистрации в морских условиях). Поэтому Т-волны распространяются в ПЗК до момента достижения приемников. При этом если гидрофон расположен также в ПЗК, то потери сигнала при распространении будут минимальными. В таких условиях Т-волны слабых землетрясений могут быть зарегистрированы даже при отсутствии сейсмических Р-, S-волн. В качестве примера на фиг.1 приведены сигналограмма и огибающая (уровни сигналограммы дан линейном и огибающей логарифмической масштабах) Т-волны, где практически отсутствуют сейсмические Р-, S-волны (Р-волна превышает фоновые уровни на 3-4 дБ, S-волна отсутствует). Как видно из фиг.1, время вступления Р-волны относительно максимальной Т-волны составляет порядка 6 мин (временной масштаб на фиг.1 дан в сек) и согласно модели разработанной авторами область генерации максимума Т-волны должна располагаться несколько севернее о.Итуруп. При разработке прогностических параметров по технологии, предложенной в [1-4], сейсмические компоненты (Р- S-волны) землетрясения данного землетрясения применить здесь нельзя, так как они скрыты на фоне помех. Для таких случаев можно и необходимо использовать гидроакустические компоненты (Т-волну). Использование в прогностических задачах акустической компоненты позволяет осуществлять телеметрический контроль (на предмет прогнозирования землетрясений) с помощью гидроакустических станций, установленных на шельфе о.Сахалин за регионом, охватывающим сейсмоактивные районы: Камчатки, Курильских островов, о.Хоккайдо.
Таким образом, применение Т-волны в задачах прогнозирования сильных землетрясений по технологиям, предложенным в аналогах [1-6], не только возможны, но необходимы. Во-первых, имеется возможность применения гидроакустических антенн для обнаружения слабых сигналов (для землетрясений с М≤2 балла); во-вторых, имеется возможность исследования гидроакустических фоновых характеристик по обнаружению сверхнизкочастотных амплитудных модуляции, что позволит использовать технологии, изложенные в работах [1-6].
Сильные землетрясения определенным образом связаны с волнами-цунами. Подводные землетрясения с магнитудой М≥7 и эпицентром, расположенным вблизи морского дна, считают потенциально цунамигенными [7]. Цунамигенные землетрясения могут вызвать как упругие колебания морского дна, так и его разрывные подвижки, имеющие вертикальную компоненту смещения. Наличие вертикальной компоненты смещения обуславливает генерацию волн цунами, а также эффективную генерацию гидроакустических Т-волн в водном слое за счет образования акустического конуса Маха разрывом, движущимся со скоростью, превышающей фазовую скорость звука в воде. Факт регистрации в водной среде звуковых волн высокочастотного диапазона в силу большого затухания этих частот в грунте может свидетельствовать о процессах, развивающихся в самой верхней части разреза морского дна. Высокочастотные гидроакустические сигналы [7] (с частотами 100-400 Гц), захваченные подводным звуковым каналом (ПЗК), могут проходить расстояние несколько тысяч километров без значительного затухания, образуя высокочастотную часть Т-фазы. Совокупность указанных свойств (сильное затухание в породах, слагающих ложе океана, и способность распространяться на значительные расстояния в ПЗК) приводит к тому, что гидроакустические волны с частотами 100-400 Гц являются независимым источником информации о цунамигенности происшедшего подводного землетрясения.
Критерием принятия решения о цунамигенности происшедшего подводного землетрясения может служить сам факт регистрации колебаний в указанном интервале частот, понимаемый как превышение отношения интенсивности сигнала Т-фазы в диапазоне частот 100-400 Гц к средней интенсивности фоновых шумов данного района определенного порогового значения [7].
Известен другой способ определения предвестника цунами [8], включающий размещение групп устройств регистрации гидроакустических сигналов на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне, размещенных на глубинных горизонтах, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, регистрацию гидроакустических сигналов выполняют с выделением фаз типа Р, S, и Т. Рекомендуемый частотный диапазон до 100 Гц.
Чем мощнее землетрясение с эпицентром в близи морского дна, тем обширнее область генерации Т-волны, т.е. будет наблюдаться множество максимумов Т-волны со значительными энергетическими уровнями, что определенным образом служит индикатором возбуждения волн-цунами.
Авторами предлагается в дополнение прогностических параметров, предложенных в аналоге [7], провести анализ отношений Т-волны в полосе частот 100-2000 Гц относительно уровня Т-волны в полосе частот 100-500 Гц; анализ отношений уровней Т-волн в полосе частот 0.5-100 Гц к уровню Т-волны в полосе частот 10-100 Гц; анализ отношений длительности Т-волны в полосе частот 0.5-100 Гц к длительности Т-волны в полосе частот 10-100 Гц.
Таким образом, вопросы прогнозирования сильных землетрясений заметным образом связаны вопросами прогнозирования волн-цунами, поэтому эти вопросы можно и нужно увязать в единый технологический комплекс.
Предлагается установить кабельные донные гидроакустические станции (КДГАС) на Охотоморской шельфовой зоне Сахалина на границе свала глубин (по 2-3 станции в Корсаковском и Ногликском районах). Ориентировочная глубина постановки станции 250-300 м. Станция оснащена вертикальной эквидистантной 8-элементной гирляндой гидрофонов (регистрируется суммарный сигнал, т.е. формируем линейную антенную с диаграммой направленностью, ориентированной вдоль горизонта), установленной в ПЗК. Частотный диапазон 0,5-2000 Гц, для линейной антенны 30-2000 Гц.
Для систем, предназначенных для долговременной непрерывной регистрации информации в прибрежных шельфовых районах на границе свала глубин, можно использовать кабельную донную гидроакустическую станцию. С помощью проложенного по дну кабеля осуществляется съем информации КДГАС, передача команд и электропитания на КДГАС.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании КДГАС, позволяющей в течение длительного времени (нескольких лет) проводить в шельфовой зоне (глубина 200-300 м) на границе свала глубин непрерывную регистрацию гидроакустических сигналов с эквидистантной восьмиэлементной гирлянды гидрофонов в частотном диапазоне 0,5-2000 Гц, используемой в качестве линейной антенны, ориентированной горизонтально, в частотном диапазоне частот 30-2000 Гц в целях долговременных сейсмологических наблюдении прогнозирования сильных землетрясений и цунами. При этом кабельная донная станция должна иметь возможность возвращения на поверхность моря для выполнения текущих ремонтно-профилактических работ или для проведения модернизации станции.
На приемный пункт стационара подается кодированная информация о прогнозе землетрясения и цунами, выработанная по алгоритму, изложенному в аналогах [1-8].
Кабельная донная гидроакустическая станция (КДГАС) представляет собой (фиг.2) носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух полусфер, стянутых болтами 18 на флянцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца 16. Внутри НА 1 установлены: на верхней полусфере блок преобразования сигналов 5, блок анализа и принятия решения 2, устанавливаемый с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, блок приема-передачи 4 и размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке с помощью кабельного ввода 9 осуществляется ввод во внутрь станции легкого сигнального кабеля 9-1, ресивер 10 высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, проблесковый маяк (ПМ) 13, датчик давления (ДД) 14, определяющий глубину погружения кабельной станции. За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб, жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву треноги крепятся башмаки-балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками-балластами 8 остаются на дне.
Блок питания (вторичные источники питания) 3 собран из аккумуляторных батарей, которые непрерывно подзаряжается от стационара по электрическому кабелю. Блок питания выдает необходимый ряд напряжений питаний для различных блоков и узлов кабельной донной гидроакустической станции. Блок питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости кабельной станции на поверхности моря. В случае необходимости источник питания обеспечивает непрерывную работу в течение одного месяца. Рабочее напряжение источника питания 9 В.
Станция оснащена вертикальной эквидистантной 8-элементной гирляндой гидрофонов 12 (регистрируется суммарный сигнал, т.е. формируется линейная антенна с диаграммой направленности, ориентированной вдоль горизонта), установленной в подводном звуковом канале (ПЗК). Частотный диапазон 0.5-2000 Гц. Как антенна гирлянда гидрофонов 12 используется в частотном диапазоне 30-2000 Гц.
Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, контроль герметичности станции (при обнаружении течи станции замыкает цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя).
Исполнительный механизм размыкателя электромагнитного типа 6 при подаче импульса тока на обмотку электромагнита втягивает сердечник в стакан, при этом сердечник освобождает хвостовик крюка 6-3 и последний под действием силы растяжения проворачивается вокруг своей оси, освобождая серьгу 6-4. Винт 6-5 и гайка 6-2 предназначены для выборки люфта между всплывающей частью треноги 7-1 и частью 7-2, остающейся на дне.
Легкий сигнальный кабель 9-1 (фиг.2, 3) крепится за возвращаемую раму 7-1 с помощью специальной скобы 9-2. С помощью этой скобы крепится также страховочный фал 9-5. Легкий кабель 9-1 имеет длину, соответствующую 1,5-2-кратной глубине места, где проводится постановка станции. Один конец кабеля 9-1 заведен в КДГАС с помощью кабельного ввода 9, а другой конец кабеля 9-1 заведен в муфту-соединитель 9-3, куда с другой стороны заведен бронированный магистральный кабель 9-4, проведенный со стороны берегового стационара. Муфта-соединитель 9-3 жестко связана с якорем-балластом 8-1. Конец страховочного фала 9-5 закрепляется к балласту 8-1 с помощью кольца 9-6. Такая схема выбрана с целью упрощения и удешевления ремонтно-профилактических работ. Для выполнения этих работ достаточно по команде со стационара или с борта обеспечивающего судна подать команду на отдачу балласта 8. После выполнения команды КДГАС отдает балласт 8 и всплывает на поверхность моря. В случае аварийного всплытия, КДГАС удерживается в районе постановки якорем-балластом 8-1. Бронированный кабель выбран по причине того, что обычный кабель в прибрежной зоне быстро перетирается вследствие взаимодействия прибойной морской волны и песка, что приводит к выходу кабеля из строя. Такая конструкция заметно облегчает проведение ремонтно-профилактических работ.
На фиг.4 приведена структурная схема кабельной донной гидроакустической станции.
Поз.12-1 соответствует гидрофонному модулю гирлянды гидрофонов 12. Гидрофонный модуль 12-1 представляет собой гидрофон с предварительным усилителем.
Поз.5 соответствует блоку преобразования сигналов, где проводится усиление и ограничение сигнала в полосе частот 0.5-2000 Гц 21, оцифровывание с помощью 8-канального аналого-цифрового преобразователя 22 частотой квантования 4800 Гц, далее производится суммирование сигналов 23 для формирования антенны с диаграммой, ориентированной горизонтально.
Позиции 24 и 25 соответствуют фильтрам нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) с частотой среза 100 Гц, т.е. частотный диапазон 0,5-2000 Гц делится на два частотных поддиапазона 0,5-100 Гц и 100-2000 Гц.
Прореживание выборок 26 в 16 раз проводится посредством суммирования по 16 последовательных временных отсчетов, сумма которых будет соответствовать текущему временному отсчету. На выходе с поз.26 имеем временной ряд с частотой выборки, равным 300 Гц.
Поз.27-28, 34-37 соответствуют цифровым полосовым фильтрам соответственно в полосе частот: 0,5-10 Гц (инфранизкочастотный гидроакустический канал); 10-100 Гц (низкочастотный гидроакустический канал); 100-500 Гц; 500-1000 Гц; 1000-1500 Гц; 1500-2000 Гц.
Дальнейшее прореживание временных выборок, соответствующих частоте выборок 300 Гц в 10 раз, проводится посредством суммирования 10 последовательных временных отсчетов, сумма которых будет соответствовать текущему временному отсчету. На выходе с поз.39 имеем временной ряд с частотой выборки, равным 30 Гц.
Поз.40 представляет собой пороговое устройство, запускающее блок анализа 29, реализующее алгоритм по поиску статистических параметров слабых землетрясений, предваряющих сильные землетрясения, рассмотренные в аналогах [1-4]. Пороговое устройство 40 запускает блок анализа 29 при превышении текущего значения сигнала на величину 6 дБ предыдущее значение, после чего само пороговое устройство отключается. При обнаружении прогностических статистических параметров вырабатывается определенный код в формирователе 30.
Блок анализа 29, реализующий алгоритм прогнозирования землетрясений, рассмотренный в аналогах [1-4], с момента включения в течение 1 мин анализирует статистические параметры слабых землетрясений. По истечении 1 мин блок 29 отключается и выдает команду на включение порогового устройства 40.
Блок анализа 38, реализующий алгоритм прогнозирования землетрясений, рассмотренный в аналогах [5-6], работает непрерывно и производит поиск амплитудных модуляций, с периодами модуляции от 1000-10000 сек. Из рассмотрения исключаются периоды, соответствующие периодам приливно отливных течений 6, 12 и 24 часов. При обнаружении амплитудной модуляции с определенным периодом вырабатывается определенный код в формирователе 30.
Блок анализа 44, реализующий анализ параметров Т-волн сильных землетрясений по алгоритмам прогнозирования цунами, рассмотренным в [7-8] и предложенным авторами на предмет обнаружения прогностических параметров волн-цунами работает в циклическом режиме и запускается пороговым устройством 45. Пороговое устройство 45 запускает блок анализа 44 при превышении текущего уровня по модулю сигнала сильного землетрясения на величину 10 дБ заданного усредненного фонового уровня. При этом блок 45 отключается. Блок 44 анализирует отношения 10 lg  10 lg  10 lg  10 lg  где x1, x2, x3, x4 - сумма энергии соответственно в полосе частот 0.5-100, 0.5-10, 100-2000, 100-500 Гц в течение времени, при котором уровень сигнала по модулю превышает усредненный заданный фоновый уровень на 6 дБ. При этом если временной отрезок окажется меньше 1 мин, результат обнуляется и процесс анализа прекращается. Выдается команда на запуск порогового устройства 45. Временные отрезки t1, t2, t3, t4, в течение которых соответствующие уровни сигналов в полосе частот составляют 0.5-100, 0.5-10, 100-2000, 100-500 Гц, превышают заданные фоновые уровни на 6 дБ. При достижении определенных значений отношений вырабатывается определенный код в формирователе 30 и передается в блок приема-передачи 4.
Блоки приема-передачи 4 и 41 предназначены для приема информации, передачи команд и подачи электропитания для подзарядки во вторичный источник питания из первичного источника питания 43 по кабелям 9-1 и 9-4.
Информация передается в центр обработки с помощью абонентского пункта 42 и антенны 11 спутниковой системы связи «Гонец».
Источники информации
1. Моргунов В.А. Способ оперативного прогнозирования землетрясений, тектонических и техногенных подвижек. Патент РФ №2106001, G01V 9/00, 1996 г.
2. Хамидулин Я.Н. Способ контроля землетрясений. Патент РФ №2102780, G01V 9/00, 1996 г.
3. Трофимов Р.С., Шахраманьян М.А., Махутов Н.А., Нигметов Г.М., Петров В.П. Способ определения среднесрочных предвестников землетрясения. Патент РФ №2233461, G01V 9/00, 2002 г.
4. Каррыев Б.С., Косарев В.Г., Курбанов М.К., Аширов Т.А. Способ прогнозирования землетрясений. Патент №1389473, G01V 1/00, 1995 г.
5. Давыдов В.Ф., Щербаков А.С., Комаров Е.Г., Малков Я.В., Бурков В.Д. Способ предсказания землетрясений. Патент РФ №2130195, G01V 1/00, 1998 г.
6. Давыдов В.Ф., Шахраманьян М.А., Нигметов Г.М., Шалаев B.C., Шипов А.В. Способ краткосрочного предсказания землетрясений. Патент РФ №2181205, G01V 9/00, 2000 г.
7. Ставров К.Г., Парамонов А.А., Аносов B.C. Способ определения предвестника цунами. Патент РФ №2292569, G01V 1/38, 2005 г.
8. Иванов В.В., Лопатников С.Л., Рок В.Е. Способ установления цунамигенности происшедшего подводного землетрясения. Патент РФ №1584585, G01V 1/00, 1995 г.