СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING PROBABILITY 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 прогноза возможных сейсмических и экологических последствий, а также при заблаговременном оповещении о землетрясениях и цунами.
Известен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений [1], 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 отличающуюся от фоновой для достижения положительного технического результата.
Известен способ сейсмического микрорайонирования [2], 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 наблюдения 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, 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 данный способ имеет положительный технический эффект, то в морских условиях он практически не применим.
Кроме того, существенную роль в повышении точности измерения сигналов, по которым устанавливают предвестники катастрофических явлений, является база измерений и ориентация средств измерения относительно источника. Так, например, разнос измерителей в высоких и экваториальных широтах на более чем 10 км 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 [3-19]. 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 км 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 км они находятся в пределах 2 дБ, далее в промежутке от 15 до 30 км наблюдается их резкий рост до 6 дБ. В дальнейшем в промежутке от 30 до 60 км величина погрешности монотонно увеличивается до 7,5 дБ.
Кроме того, известные способы основаны на регистрации возбуждения высокочастотных гидроакустических полей (так называемой фазы Т), которое происходит на большой площади и существенно зависит от рельефа дна. Поэтому высокочастотные гидроакустические поля содержат относительно меньше информации собственно о формах движения дна в эпицентре землетрясения.
Выявленных недостатков лишен известный способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, который включает измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,05-0,4 Гц, а о возможности наступления катастрофического явления судят по изменению магнитуды нулевой моды [20]. Новые отличительные признаки по сравнению с аналогами, заключающиеся в измерении вариации магнитного поля на частотах 0,05-0,4 Гц, и возможности судить о наступлении катастрофического явления по изменению магнитуды нулевой моды, позволяют 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.
Кроме того, в известных способах в качестве моделей генерации цунами вода рассматривается как несжимаемая жидкость, в которой в принципе не могут возникать и распространяться акустические поля. Или наоборот, с сжимаемой жидкостью дно принимается абсолютно жестким. В этом случае низкочастотные гидроакустические поля локализованы в глубоководной части океана и не могут распространяться на большие расстояния по океаническим волноводам. В волноводе с жестким дном может существовать только дискретное акустическое поле в водной среде на частотах выше критической. При уменьшении глубины акватории вблизи континентов критическая частота уменьшается и низкочастотное гидроакустическое поле должно затухать. Более реалистичной является модель волновода с упругим дном. В таком волноводе наряду с дискретным гидроакустическим полем в водной среде существует непрерывное сейсмическое поле в донном массиве (нулевая мода). Моды дискретного поля связаны между собой через упругое дно. По сути в волноводе распространяется единое сейсмогидроакустическое поле. При изменении глубины происходит адиобатическая трансформация мод в соответствии с новой критической частотой. При достаточно плавном изменении крутизны континентального склона порядок мод понижается, в результате чего первая мода переходит в нулевую, которая распространяется на суше в виде поверхностной волны Релея.
Однако анализ ряда зарегистрированных сейсмических сигналов в период землетрясений (Левченко Д.Г. Особенности конструирования широкополосных донных сейсмографов. / Океанология, 2001, том 41, №4, с.624) показал, что зарегистрированные сигналы включают как объемные Р и S волны, так и поверхностные волны Лява и Релея. При этом были зарегистрированы диспергирующие длиннопериодные колебания в диапазоне частот 0,0125-0,05Гц, которые представляют собой низкочастотную составляющую волны Лява, высокоскоростная волна Лява, зарегистрированная в начале диспергирующего цуга с минимальными искажениями, а через 10 мин после вступления волн Лява наблюдались диспергирующие колебания, которые могут быть отнесены к волне Релея, осложненной интерференцией с волной Лява (Воронина Е.В., Левченко Д.Г., Соловьев С.В., Сонькин А.В. Особенности регистрации сильного Гималайского землетрясения на дне центральной части Атлантического океана и дисперсия длиннопериодных волн Лява. // Физика Земли. 1955. №2, с.3-17). Данное обстоятельство может вносить неоднозначность в прогноз катастрофического явления.
Однако для реализации известного способа используются сейсмографы, в которых для увеличения срока работы на дне регистрация сейсмических сигналов производится в стартстопном (ждущем) режиме накопителя информации. Управление накопителем производится от специального устройства, в котором непрерывно определяется средний уровень сейсмического фона за большой промежуток времени и одновременно за малый промежуток времени, соизмеримый со средней длительностью сигналов землетрясений. Отношение этих уровней используется как пороговое значение для включения накопителя. Поскольку такое управляющее устройство имеет инерцию, то для исключения потери начальной части сигнала применяется буферная память ограниченного объема. В случае превышения порогового значения сигнал переписывается из буфера в накопитель. При этом такая система реагирует только на землетрясения определенной продолжительности и интенсивности. В то же время длительность сигналов землетрясений может оставлять от единиц секунд (местные слабые землетрясения) до единиц часов (сильные удаленные землетрясения), а их интенсивность может меняться на много порядков. С другой стороны, такая система сильно подвержена помехам, которые приводят к ложным записям сигналов. Например, периодические сигналы от пневмопушки, используемой при сейсморазведки, или сигналы подводной гидроакустической связи, а также импульсные помехи биологического происхождения могут полностью заполнить накопитель и привести к преждевременной разрядки источника питания.
Кроме того, определение координат гипоцентра морского землетрясения и его магнитуды с помощью наземных сейсмографов для оценки возможности появления цунами является не точным, так как 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 и т.п. (Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами. - М.: «Янус-К», 2005. 360 с.).
Кроме того, регистрация сейсмических сигналов посредством одной сейсмической станцией не позволяет определить эпицентр землетрясения с необходимой достоверностью.
Задачей заявляемого технического решения 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 измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,05-0,4 Гц, а о возможности наступления катастрофического явления судят по изменению магнитуды нулевой моды, в отличие от известного способа регистрируют сейсмические сигналы в диапазоне частот 0,003-20 Гц, при этом регистрируют давление волн цунами на дно на частотах ниже 0,01 Гц.
Совокупность новых признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".
Сущность способа заключается в следующем.
Устройство для реализации способа состоит из датчиков слабых сейсмических сигналов (3 компоненты), датчиков сильных движений дна (3 компоненты), цифрового многоканального накопителя информации, буферной памяти, устройства управления, поверхностного ретрансляционного буя, канала гидроакустической связи, канала спутниковой связи, датчика магнитного поля и источника питания.
В качестве датчика магнитного поля, предназначенного для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 метров, применен датчик с диапазоном измеряемой величины магнитной индукции 20000-100000 нТ.
В качестве сейсмических датчиков, для реализации заявляемого способа, применен акустический сейсмодатчик, 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 сейсмоприемник типа СМ-5 (велосиметр), включающий три сейсмических датчика с частотным диапазоном регистрации сейсмических сигналов 0,05-0,4 Гц, полный динамический диапазон не менее 120 дБ.
Широкополосные сейсмические каналы (0,003-20 Гц) позволяют регистрировать давление волн цунами на дно (частоты ниже 0,01 Гц).
Устройство управления непрерывно анализирует уровень сигналов, приходящих от датчиков слабых сейсмических сигналов, и в случае превышения порогового уровня включает датчики и каналы регистрации сильных движений. Далее устройство управления анализирует сигналы, поступающие от датчиков сильных движений (после их включения), определяет элементы движения дна и, в случае существенных вертикальных или наклонных скоростей его смещения, формирует и передает по линиям связи сигнал тревоги.
Поскольку устройство управления работает с инерцией, с целью исключения потери первых вступлений сильных движений дна, сигналы с выходов датчиков слабых сигналов непрерывно регистрируются в буферную память и затем используются для определения элементов движения дна и регистрируются в накопителе информации. Пороговый уровень определяется путем усреднения за длительный период времени шумов, поступающих с выходов датчиков слабых сигналов.
Одновременно с регистрацией сигналов в открытом море, посредством измерительной аппаратуры, установленной на сейсмических станциях, расположенных на берегу или в прибрежной зоне в районах, подверженных опасности цунами, например, на полуострове Камчатка, Курильских островах и на острове Сахалин регистрируют низкочастотные поля. Выполняют измерения вариации магнитного поля на частотах 0,05-0,4 Гц.
Система донных сейсмографов располагается в районах, подверженных сильным землетрясением, которые могут вызвать цунамигенные волны. В случае катастрофического землетрясения (с магнитудой около 8) донные станции посредством датчиков сильных движений регистрируют элементы движения дна и с помощью канала гидроакустической связи передают экспресс-информацию на поверхностный буй и через спутниковые или радиоканалы связи на наземные пункты управления. Такая система обеспечивает надежную регистрацию и классификацию цунамигенных землетрясений и дает своевременное (в течение нескольких минут) предупреждение об опасности цунами.
Зарегистрированные сейсмические сигналы донными и береговыми станциями анализируются на наземных пунктах управления и о возможности наступления катастрофического явления судят по изменению магнитуды нулевой моды. При этом регистрируют сейсмические сигналы в диапазоне частот 0,003-20 Гц в том случае, если указанные сигналы превышают пороговый уровень, регистрируют сильные движения дна, определяя при этом давление волн цунами на дно на частотах ниже 0,01 Гц.
Предлагаемый способ, состоящий в измерении на больших расстояниях от эпицентра землетрясения низкочастотных гидроакустических полей, вызванных подвижками дна, позволяет осуществлять дистанционное определение цунамигенности землетрясений. Поскольку скорость распространения низкочастотных гидроакустических полей в океане примерно в пять раз выше, чем у волн цунами, они могут служить предвестниками опасности цунами. В настоящее время теоретически доказано, что возбуждение волн цунами землетрясениями в сжимаемой жидкости должно сопровождаться генерацией гидроакустических полей в широком частотном диапазоне, а их энергия может превышать энергию волн цунами (Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами. - М.: «Янус-К», 2005. 360 с.). При этом низкочастотные поля (F<1 Гц), так же как и волны цунами, возбуждаются в основном за счет вертикальных подвижек дна в эпицентре землетрясения. Возбуждение высокочастотных гидроакустических полей (так называемой фазы Т) происходит на значительно большей площади и существенно зависит от рельефа дна (Кадыков И.Ф. Акустика подводных землетрясений. 1986). Поэтому высокочастотные гидроакустические поля содержат относительно меньше информации собственно о формах движения дна в эпицентре землетрясения. Наличие интенсивных низкочастотных акустических полей в очаге цунами подтверждено экспериментально во время землетрясения 25 сентября 2003, которое произошло в Тихом океане южнее острова Хоккайдо. Измерения проводились с помощью широкополосных датчиков придонного давления. Основная энергия упругих колебаний наблюдалась в диапазоне 0,05-0,4 Гц и превышала энергию волны цунами примерно в 300 раз.
Конкретная реализация предлагаемого способа основана на модели волновода с упругим дном. В таком волноводе наряду с дискретным гидроакустическим полем в водной среде существует непрерывное сейсмическое поле в донном массиве (нулевая мода). Моды дискретного поля связаны между собой через упругое дно. По сути в волноводе распространяется единое сейсмогидроакустическое поле. При изменении глубины происходит адиобатическая трансформация мод в соответствии с новой критической частотой, что и обуславливает необходимость регистрации сейсмических сигналов в диапазоне частот 0,003-20 Гц, а в том случае, если указанные сигналы превышают пороговый уровень, регистрируют сильные движения дна, определяя при этом давление волн цунами на дно на частотах ниже 0,01 Гц.
Размещение системы донных сейсмографов в исследуемом регионе позволяет также путем выделения характерного сигнала определить расстояние до эпицентра землетрясения путем решения триангуляционной задачи.
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 заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".
Источники информации
1. Патент RU №2030769.
2. Авторское свидетельство SU №1251694.
3. Патент EP №0525391.
4. Патент NL №9120014.
5. Патент EP №0509062.
6. Патент EP №0512756.
7. Патент US №5131489.
8. Патент US №5128907.
9. Патент NO №923269.
10. Патент NO №923364.
11. Патент NO №169985.
12. Патент EP №0516662.
13. Патент US №5142501.
14. Патент NO №923269.
15. Патент EP №0519810.
16. Патент EP №0519031.
17. Патент CA №1310101.
18. Патент NO №911639.
19. Патент MO №171387.
20. Заявка RU №2009116099.