СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
METHOD OF PREDICTING EARTHQUAKES

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в области сейсмологии и геоэлектричества и может быть использовано для прогноза землетрясений в пределах территорий с высокой плотностью населения, большой техногенной нагрузкой на природный комплекс, на которых расположены объекты горнорудного производства, добычи нефти и газа, крупные гидротехнические и гидроэнергетические сооружения, а также территорий, на которых размещены особо важные объекты, объекты ядерной энергетики, химической промышленности и другие экологически опасные объекты.
Известен способ прогноза землетрясений, включающий выявление сейсмогенерирующих линеаментов (СЛ), размещение пунктов наблюдений в окрестности СЛ с наименьшими скоростями контрастных движений с максимально возможным охватом удаленных от СЛ участков геоблоков, выявление на этих пунктах аномалии в виде скачков сдвиговых деформаций или зависящих от них величин (максимальных линейных деформаций, уровня микросейсмической эмиссии и/или других вторичных предвестников), следующих за землетрясениями меньшей силы, выделение в изолиниях амплитуд этих аномалий известными методами статистически значимых кольцевых составляющих и определение по ним эпицентра ожидаемого сильного землетрясения, силы и времени землетрясения (RU, патент №2282220, G01V 9/00, 2004).
Недостатком данного способа является низкая эффективность, связанная с необходимостью измерения величин целого ряда геофизических параметров, таких, например, как упругие составляющие сдвиговых деформаций, которые в полевых условиях определяются обычно с относительно невысокой точностью, что ведет к большой погрешности при определении места и особенно времени и магнитуды прогнозируемого землетрясения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ прогноза землетрясений, включающий выявление сейсмогенерирующих зон, размещение в них набора пунктов измерений геофизических величин, проведение измерений, в состав которых включены записи стационарных сейсмических станций и параметры перемещений в пунктах измерений, оценка деформационных процессов сейсмогенерирующих зон путем сопоставления параметров вышеупомянутых перемещений с результатами обработки сейсмограмм, анализ параметров землетрясений в окрестностях вышеупомянутых зон: спектры волновых форм; глубины очага h; ориентировки осей главных напряжений в очагах, определение, являются ли землетрясения умеренной силы форшоками прогнозируемого сильного землетрясения, используя признаки более высокочастотного спектра и ориентации осей P на локальный участок сейсмогенерирующей зоны, расчет для выбранных форшоков корреляционных зависимостей между моментной магнитудой Mw для прогнозируемого сильного землетрясения, числом форшоков N и временным интервалом Т от начала проявления последних до текущего момента времени, определение местоположения эпицентра прогнозируемого сильного землетрясения на карте путем наложения: областей повышенных величин длин векторов перемещений для землетрясений умеренной силы, определяемых в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, и согласования азимутов перемещений для землетрясений умеренной силы, определенных в пунктах измерений с использованием спутниковой навигации ГЛОНАСС-GPS, подъема по глубине очагов землетрясений ЗУС и пересечения осей Р, определение времени и магнитуды прогнозируемого сильного землетрясения по совпадению в пределах заданной точности корреляционных зависимостей между Mw и N, Mw и Т (RU, патент №2370790, G01V 1/00, 2008).
Недостатком данного способа является низкая достоверность и точность прогноза землетрясений, связанная с отсутствием учета влияния на процесс подготовки землетрясений внешних естественных и техногенных факторов разной физической природы. Триггерное воздействие таких факторов на землетрясения умеренной силы, в том числе и на форшоки, приводит к сильным изменениям интенсивности их потока и большой дисперсии измеряемых геофизических параметров и тем самым снижает достоверность и точность прогноза.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности прогноза землетрясения. Техническим результатом является повышение достоверности и точности прогноза землетрясения путем выделения области повышенной концентрации упругих напряжений по приращению потока суммарной сейсмической энергии, инициированного электромагнитным облучением в результате анализа пространственно-временных изменений плотности потока суммарной сейсмической энергии и сейсмотектонических деформаций, вызванных триггерным воздействием электромагнитных импульсов.
b
е
e
b
c
c
m
e
Технический результат достигается в способе прогноза землетрясений, включающем определение на исследуемой территории пространственного распределения плотности потока суммарной сейсмической энергии E(x, y), характеризующее фоновую интенсивность ее сейсмичности, установку на исследуемой территории по меньшей мере одного излучателя электромагнитных импульсов, облучение земной коры исследуемой территории электромагнитными импульсами, определение пространственного распределения плотности потока суммарной сейсмической энергии Е(х,у) во время облучения, логарифма отношения U(x, y)=E(x, y)/E(x, y), его среднего значения U и среднеквадратичного отклонения σ, выделение области подготовки землетрясения по превышению логарифмом отношения U(x, y) величины U+1.65·σ с последующим вычислением ее среднегеометрического линейного размера R, определение за время облучения земной коры скорости сейсмотектонической деформации выделенной области в зависимости от времени v(t), времени появления деформационной аномалии t, соответствующего моменту достижения v(t) максимального значения, и суммарной сейсмотектонической деформации выделенной области ε, определение магнитуды прогнозируемого землетрясения из соотношения
e
M=(lgR+1/3·lgε-0.27)/0.433,
где R - среднегеометрический линейный размер, м,
e
ε - суммарная сейсмотектоническая деформация области подготовки землетрясения за время облучения земной коры,
и времени возникновения прогнозируемого землетрясения из соотношения
q
m
e
8.33
t=t+ε·10,
m
где t - время возникновения деформационной аномалии, сут.,
e
ε - суммарная сейсмотектоническая деформация области подготовки землетрясения за время облучения земной коры.
b
e
e
b
c
c
m
e
b
e
e
b
c
c
e
m
Отличительными признаками предлагаемого способа прогноза землетрясений являются определение на исследуемой территории пространственного распределения плотности потока суммарной сейсмической энергии E(x, y), характеризующее фоновую интенсивность ее сейсмичности, до облучения и во время облучения E(x, y), определение логарифма отношения U(x, y)=E(x, y)/E(x, y), его среднего значения U и среднеквадратичного отклонения σ, выделение области подготовки землетрясения по превышению логарифмом отношения U(x, y) величины U+1.65·σ с последующим вычислением ее среднегеометрического линейного размера R, определение за время облучения земной коры скорости сейсмотектонической деформации выделенной области в зависимости от времени v(t), времени появления деформационной аномалии t, соответствующего моменту достижения v(t) максимального значения, и суммарной сейсмотектонической деформации выделенной области ε, определение магнитуды прогнозируемого землетрясения и времени возникновения прогнозируемого землетрясения из вышеприведенных соотношений. Определение E(x, y), E(x, y), логарифма отношения U(x, y)=E(x, y)/E(x, y), его среднего значения U и среднеквадратичного отклонения σ необходимо для выделения области подготовки землетрясения по повышению плотности потока суммарной сейсмической энергии в результате облучения коры электромагнитными импульсами. Величины U+1.65·σ является оптимальной для выделения области подготовки землетрясения, поскольку учитывает распределение интенсивности упругих сдвиговых деформаций и связанных с ними напряжений в пределах исследуемой территории, не связанных с появлением зон дилатансного упрочения коры, вызванного резким падением флюидного давления в трешиннопоровом пространстве. Вычисление среднегеометрического линейного размера R выделенной области и определение суммарной сейсмотектонической деформации выделенной области ε за время облучения земной коры необходимо для определения магнитуды прогнозируемого землетрясения. Определение скорости сейсмотектонической деформации выделенной области в зависимости от времени v(t) необходимо для определения времени появления деформационной аномалии t по времени достижения v(t) максимального значения. Определение суммарной сейсмотектонической деформации выделенной области ее также необходимо для вычисления времени возникновения прогнозируемого землетрясения.
e
b
Способ прогноза землетрясений поясняется чертежом, где на фиг.1 показан логарифм отношения плотности потока суммарной сейсмической энергии за время облучения земной коры E(x, y) к плотности потока суммарной сейсмической энергии до облучения E(x, y) (звездочкой показано место установки излучателя, кружком - эпицентр прогнозируемого землетрясения, пунктиром - выделенная область подготовки землетрясения), на фиг.2 - изменение во времени скорости сейсмотектонической деформаций выделенной области подготовки землетрясения v(t), на фиг.3 - изменение во времени сейсмотектонической деформаций выделенной области подготовки землетрясения ε(t).
Способ прогноза землетрясений осуществляется следующим образом.
b
e
e
b
c
c
m
e
На исследуемой территории определяют пространственное распределение плотности потока суммарной сейсмической энергии E(x, y), характеризующее фоновую интенсивность ее сейсмичности. Устанавливают на ней по меньшей мере один излучатель электромагнитных импульсов. После чего проводят облучение земной коры исследуемой территории электромагнитными импульсами. Определяют пространственное распределение плотности потока суммарной сейсмической энергии E(x, y) во время облучения. Затем определяют логарифм отношения U(x, y)=E(x, y)/E(x, y), его среднее значение U и среднеквадратичное отклонение σ. Выделяют область подготовки землетрясения по превышению логарифмом отношения U(x, y) величины U+1.65·σ и вычисляют ее среднегеометрический линейный размер R. Определяют за время облучения земной коры скорость сейсмотектонической деформации выделенной области в зависимости от времени v(t), время появления деформационной аномалии t, которое соответствует моменту достижения v(t) максимального значения, и суммарную сейсмотектоническую деформацию выделенной области ε. Затем определяют магнитуду прогнозируемого землетрясения из соотношения
e
M=(lgR+1/3·lgε-0.27)/0.433,
где R - среднегеометрический линейный размер, м,
e
ε - суммарная сейсмотектоническая деформация области подготовки землетрясения за время облучения земной коры,
и время возникновения прогнозируемого землетрясения из соотношения
q
m
e
8.33
t=t+ε·10,
m
где t - время возникновения деформационной аномалии, сут.,
e
ε - суммарная сейсмотектоническая деформация области подготовки землетрясения за время облучения земной коры.
Конкретный пример осуществления способа прогноза землетрясений.
2
b
Исследуемая территория, в качестве которой был выбран один из наиболее сейсмоопасных районов Средней Азии площадью 320×480 км, имеющий сложное геологическое строение, сильнопересеченный горный рельеф и высокий уровень сейсмической активности, для определения пространственного распределения плотности потока суммарной сейсмической энергии была разбита на ячейки площадью 1000 км. В каждой ячейке была определена плотность потока суммарной сейсмической энергии E(x, y), характеризующая фоновую интенсивность ее сейсмичности, определяемую как
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>b</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Δ</mi><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>N</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msup></mrow></mstyle></mrow>
,
i
где ΔS - площадь ячейки с геометрическим центром в точке x, y, i - порядковый номер землетрясения, возникшего в ее пределах за время наблюдений ΔT, N - общее число таких землетрясений, K - энергетический класс i-ого землетрясения, определяемый с помощью известной методики по максимальным амплитудам сейсмических P- и S-волн, измеренных на записях группы сейсмических станций, регистрирующих колебания дневной поверхности при землетрясениях рассматриваемой территории.
-2
S
S
Затем на исследуемой территории установили один излучатель электромагнитных импульсов. Выбор местоположения излучателя определялся условием r≤2.5·10·E, где r - расстояние от излучателя до максимально удаленной точки исследуемой территории, E - энергия излучаемых электромагнитных импульсов. Выполнение данного условия необходимо для того, чтобы обеспечить требуемый уровень облучения на всей исследуемой территории с учетом геометрического расхождения электромагнитных волн в приповерхностном слое. Кроме того, излучатель был установлен в пределах одной из наименее сейсмоопасных зон исследуемой территории, так как этим исключается инициирование сильных землетрясений в результате триггерного воздействия электромагнитных импульсов.
В качестве излучателя электромагнитных импульсов был использован электрический диполь с разносом электродов 4.5 км и сопротивлением 0.4 Ом. В качестве источника использовался магнитогидродинамический (МГД) генератор. При запуске генератора ток в диполе достигал 0.28-2.8 кА, длительность импульсов - 1.7-12.1 с, а их энергия составляла 1.2-23.1 МДж. Затем было проведено облучение земной коры электромагнитными импульсами.
e
e
b
c
По изложенной выше методике была определена плотность потока суммарной сейсмической энергии E(x, y) в каждой ячейке во время облучения и логарифм ее отношения к соответствующему для данной ячейки фоновому значению U(x, y)=E(x, y)/E(x, y), характеризующего изменение потока суммарной сейсмической энергии рассматриваемой территории в результате триггерного воздействия электромагнитного облучения, а также среднее значение U и среднеквадратичное отклонение σ этого параметра. Далее, была построена карта пространственного распределения lg[U(x, y)] и проведен поиск ячеек, в пределах которых произошло аномальное (с уровнем статистической значимости 0.05) повышение плотности потока суммарной сейсмической энергии во время облучения, определяемое из условия
c
lg[U(x, y)]≥U+1.65·σ.
По совокупности таких ячеек в юго-восточной части этой карты была выявлена обширная пространственная аномалия, в пределах которой плотность потока суммарной сейсмической энергии возросла во время облучения на 2-3 порядка (фиг.1), что свидетельствует о высокой концентрации упругих напряжений, характерной для области подготовки сильного землетрясения. Это позволило ее идентифицировать с областью подготовки сильного землетрясения и спрогнозировать место его возникновения в пределах выявленной пространственной аномалии.
e
Для уточнения границ этой области и прогноза магнитуды и времени возникновения ожидаемого землетрясения облучение коры исследуемой территории было продолжено. По мере накопления новых данных значения E(x, y) в каждой из ячеек уточнялись, строились новые карты пространственного распределения логарифма их отношения к соответствующим фоновым значениям, по которым уточнялось положение пространственных границ области подготовки землетрясения.
Одновременно по всем сейсмическим событиям, возникшим в пределах данной области, вычислялась зависимость сейсмотектонической деформации от времени
<mrow><mi>ε</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>V</mi></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>o</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow></mstyle></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>o</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>o</mi><mi>i</mi></msubsup></mrow>
i
10
2
где t - время, сут., отсчитываемое от начала облучения,
- скалярный сейсмический момент, Н·м i-ого землетрясения, время возникновения которого t≤t, N - число таких землетрясений, µ - модуль сдвига, принятый равным 2.65·10 Н/м. Для определения
по энергетическим классам землетрясений использовалось корреляционное соотношение
<mrow><mi>lg</mi><msubsup><mi>M</mi><mi>o</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>0.75</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mn>7.0</mn></mrow>
3
x
y
z
x
y
z
Эффективный объем, м, оценивался по совокупности землетрясений как V=4·δ·δ·δ, где δ, δ и δ - среднеквадратичное отклонение координат гипоцентров по осям X, Y и Z, м.
После чего определялась скорость сейсмотектонической деформации
v(t)=[ε(t+Δt/2)-ε(t-Δt/2)]/Δt,
где Δt - длительность временных интервалов, сут., на которые разбивался весь период наблюдений.
m
Анализ зависимости ε(t) показал, что до начала обучения коры сейсмотектоническая деформация этой области возрастала со временем очень медленно, что отчасти может быть связано с развитием сейсмического затишья перед готовящимся землетрясением (фиг.3). После начала облучения значения ε(t) стали заметно возрастать, и через некоторое время произошло их очень резкое повышение. Возникновение такой яркой аномалии показало, что в это время в выделенной области произошло резкое повышение интенсивности деформаций земной коры, которые в результате инициирующего воздействия электромагнитных импульсов начали быстро высвобождаться в виде сейсмотектонических деформаций. Поэтому время появления этой аномалии t было определено как время достижения функцией v(t) своего максимального значения (фиг.2) и оказалось равным 998.2 сут.
1/2
-7
e
Наращивание временных рядов ε(t) и v(t) по мере удлинения периода облучения и поступления новых данных о землетрясениях выделенной области продолжалось до достижения функцией v(t) своей максимальной величины и последующего падения ее значений в 2 раза (фиг.2). После этого были уточнены географические границы выделенной аномальной области (фиг.1), определены ее длина L=136 км и ширина W=92 км, а также ее среднегеометрический линейный размер R=(L·W)=112 км. Кроме того, была определена суммарная сейсмотектоническая деформация этой области ε=7.995·10, высвобожденная к этому времени с момента начала облучения (фиг.3). Все эти величины были использованы для прогноза места, времени и магнитуды ожидаемого землетрясения.
Место возникновения ожидаемого землетрясения определялось как область размерами ±L/2 и ±W/2 от соответствующих координат геометрического центра выделенной пространственной аномалии (фиг.1). Магнитуда этого события была определена из соотношения
e
M=(lgR+1/3·lgε-0.27)/0.433,
e
-7
в которое подставлялись среднегеометрический линейный размер области подготовки землетрясения R, равный 112000 м, и ее суммарная сейсмотектоническая деформация ε, равная 7.995·10. Время возникновения ожидаемого землетрясения было определено из соотношения
q
m
e
8.33
t=t+10·ε,
m
e
-7
где t - время появления деформационной аномалии, равное 998.2 сут., ε - суммарная сейсмотектоническая деформация области подготовки землетрясения, равная 7.995-10. В таблице приведены прогнозируемые и фактические параметры землетрясения.
Таблица
Параметры землетрясения
Время, сут.
Магнитуда
Координаты эпицентра
Широта, гр.
Долгота, гр.
Прогнозируемые
1169
6.34
41.94±0.61
79.25±0.56
Фактические
1181
6.30
41.40
79.17
Из таблицы видно, что ошибка определения магнитуды прогнозируемого события составила всего 0.04. Для оценки возможных разрушений такая погрешность очень мала. Ошибка предсказания времени возникновения этого землетрясения составила 12 сут, что для среднесрочного прогноза является хорошей точностью. При этом положение эпицентра оказалось в пределах выделенной области подготовки землетрясения.
Предлагаемый способ прогноза землетрясений повышает достоверность и точность прогноза землетрясений, позволяет раньше заметить начало процесса его подготовки, что дает больше времени на проведение превентивных мероприятий, не требует больших затрат на развертывание сети деформографов, является экологически чистым.