СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКА СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
SYSTEM TO DETECT KILLER QUAKE SIGNS

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.
В настоящее время опубликовано множество работ, посвященных прогнозированию землетрясений. Рассмотрим некоторые из них, выбранные нами 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 геофона. 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 с, где λ - длина сейсмической волны.
В работе [6] предполагается, что сверхнизкочастотные сейсмические волны соизмеримы с длиной экватора, 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.
Все вышерассмотренные аналоги строят свои предсказания, основываясь только на данные сейсмических станций, во-первых, основываясь на статистических свойствах слабых землетрясений [1-4] как предвестников сильных землетрясений, во-вторых, основываясь на сверхнизкочастотный модуляционный эффект [5-6] сейсмического фона, исключив данные гидроакустических станций. Данный факт является существенным недостатком допущенных авторами рассмотренных выше аналогов.
Контроль над сейсмической обстановкой региона желательно проводить как традиционным методом с помощью наземных сейсмических станций, так и применением гидроакустических станций, установленных в водоемах (не обязательно глубоководных), что является предметом изобретения.
Экспериментальные данные, проведенные авторами, говорят, что на низких частотах гидрофон (акустический канал) практически линейно трансформирует в акустический сигнал сейсмическое колебание. Значит гидрофоном на низких частотах можно заменить сейсмоприемник. Второе преимущество гидрофона связана с шириной частотной полосы: у гидрофона ширина полосы заметно больше, чем у сейсмического канала.
Известно, чем шире полоса частоты, тем короче длительность импульса. Этот факт заметно упростит обнаружение импульсов (слабых землетрясений), статистика которых входит в число существенных признаков вышерассмотренных предвестников землетрясения. Таким образом, заметно преимущество акустического канала по сравнению с сейсмическим каналом в задаче фиксации слабых землетрясений следующих друг за другом в интервале времен 1 мин и менее. Статистические параметры слабых землетрясений, как известно, являются важными прогностическими параметрами сильных землетрясений.
Также, необходимо отметить, что обнаружение сверхнизкочастотных сейсмических предвестников землетрясений можно осуществить (вследствие нелинейных и параметрических механизмов трансформации сейсмических волн в акустическую волну, преобразовывает в сверхнизкочастотные колебания огибающих сигнала акустического канала) выявлением сверхнизкочастотной амплитудной модуляции гидроакустического фона.
Для регистрации гидроакустических сигналов используются гидроакустические станции, устанавливаемые на дно водоема. Здесь под гидроакустической станцией подразумеваем станцию, оснащенной гидрофоном, обеспечивающей непрерывную регистрацию сигналов в полосе частот 0,5-2000 Гц.
Целью изобретения является повышение достоверности способов предсказания землетрясений с помощью гидроакустических устройств (станций), установленных на естественных и искусственных водоемах (озера, пруды и т.д.) в сейсмоактивной зоне. Большинство водоемов имеют малые глубины (от нескольких м до десятков м) и малые размеры и вследствие этого не являются судоходными. Поэтому постановки и выборки станции могут быть выполнены ручным способом без применения механизмов с борта моторных лодок. Вследствие этого весогабаритные характеристики станции должны иметь следующие параметры: вес станции не должен превышать 50 кг; размер станции - не превышать 1 м. Станции предназначены для работы на глубинах до 100 м.
Гидроакустическое устройство состоит из подводного и наземного модулей. Подводный модуль (фиг.1) состоит из аппаратурного и гидрофонного модулей. Подводный аппаратурный модуль включает в себя прочный корпус 1, раму 2, вторичный источник питания 17 (фиг.3) (рабочее напряжение 9 В), блок фильтрации и усиления 14 (ограничивает частотный диапазон 0,5-2000 Гц), 14-разрядный АЦП 15 с заданной частотой квантования 4800 Гц, блок приема-передачи данных 16. Гидрофонный модуль (фиг.2) 4 крепится на тросе 6, растянутом с помощью балласта 7 и поплавка 5. Данные с гидрофона по кабелю 3 подается на вход блока фильтрации и усиления. Ввод кабеля 3 в аппаратурный модуль осуществляется с помощью герметичного кабельного ввода. Сигнал, ограниченный в полосе 0.5-2000 Гц, оцифровывается с помощью АЦП, который затем через блок приема-передачи через кабель 3 подается в аппаратурный модуль 8 (фиг.2) наземного модуля. В наземный аппаратурный модуль 8 входят: блок анализа и принятия решения 19 (фиг.3), блок приема-передачи 18, первичный источник питания 21 (рабочее напряжение 12 В), абонентный пункт спутниковой системы связи (ССС) «Гонец» 20. Обработанная информация по кабелю 3 через антенну ССС «Гонец» 9 передается в центр обработки данных. Антенна ССС «Гонец» 9 устанавливается на мачте 10, устойчивость мачты обеспечивается с помощью растяжек 12 и станины 13. На территории России в зимний и весенний периоды, особенно в дальневосточном и северном регионах, водоемы покрываются льдами, поэтому для предохранения кабеля 3 от порывов при контакте с кромками льдов кабель укладывают в специальные каналы 11.
Более подробно рассмотрим блок анализа и принятия решения 19. На фиг.4 приведена структурная схема блока анализа и принятия решения гидроакустической станции. Поз.18 соответствуют блоку приема-передачи, где производится прием цифровой информации с подводного модуля. Поз.22 и 33 соответствуют фильтрам нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) с частотами среза 100 Гц, т.е. частотный диапазон 0,5-2000 ГЦ делится на два частотных поддиапазона 0,5-100 Гц и 100-2000 Гц. Поз.24-25 соответствуют цифровым ФНЧ и ФВЧ фильтрам с частотами среза 10 Гц для формирования соответственно двух частотных поддиапазонов: 0,5-10 Гц (инфра-низкочастотный акустический канал, который соответствует низкочастотному сейсмическому каналу); 10-100 Гц (низкочастотный акустический канал, который соответствует высокочастотному сейсмическому каналу); поз.28-31 соответствуют цифровым полосовым фильтрам (ПФ) в полосах частот: 100-500 Гц; 500-1000 Гц; 1000-1500 Гц; 1500-2000 Гц. Поз.23 соответствует блоку прореживания временных выборок, где производится суммирование уровней по 16 последовательным временным отсчетам, сумма которых представляет уровень нового временного отсчета. Новый временной отсчет как видно представляет прореживание временного масштаба в 16 раз, т.е. соответствует частоте квантования 300 Гц=4600 Гц/16. Поз.26 и 32 соответствуют блокам анализа, реализующим преобразование исходных данных и выполнение соответственно поиска статистических параметров, изложенных в [1-4], и поиска сверхнизкочастотных амплитудных модуляций по [5, 6]. Так как блок анализа 26 осуществляет анализ слабых импульсных сигналов (слабых землетрясений), запуск в работу данного блока осуществляется следующим образом. На выходе низкочастотного сейсмического канала (инфра-низкочастотного акустического канала) (поз.24) в блоке прореживания временных отсчетов (поз.34) подвергается децимации, т.е. уровни 10 последовательных временных отсчетов суммируются, сумма которых представляет новый временной отсчет. Это соответствует частоте выборки 30 Гц. В пороговом устройстве (поз.35) при превышении текущего уровня (по абсолютной величине) выборки фоновых шумов (интегральный уровень фона усредняется по 1800 временным отсчетам, что соответствует, временному отрезку 60 с) на величину 6 дБ дается команда на включение блока анализа (поз.26), одновременно пороговое устройство (поз.35) отключается. Блок анализа работает непрерывно в течение 60 с, после чего отключается, одновременно включается пороговое устройство (поз.35). Блок анализа поз.26 подсчитывает количество импульсных сигналов за временной отрезок, равный 6 часам. Оценивает отношения огибающих уровней сигналов низкочастотного канала 0.5-100 Гц к полосе 10-100 Гц, отношения огибающего акустического канала в полосе частоты 100-2000 Гц к огибающим в полосах частот 500-1000, 1000-1500 и 1500-2000 Гц. В блоке анализа (поз.32) огибающие уровней сигналов в полосах частот 0.5-10, 10-100, 100-500, 500-1000, 1000-1500 и 1500-2000 Гц усредняются за временной отрезок, равный 20 мин. При обнаружении периодического тренда с периодом более 60 мин фиксируется момент обнаружения амплитудной модуляции и вырабатывается соответствующий код (код содержит информацию разделенные на интервалы периоды модуляции). Здесь не рассматриваются периоды с длинами 6, 12 и 24 часов, связанные приливно-отливными явлениями. Таким образом, блок анализа (поз.35) работает в циклическом режиме, а блок анализа (поз.32) работает в непрерывном режиме. При обнаружении прогностических параметров формируют соответствующий код прогноза землетрясений с фиксацией момента времени для дальнейшей передачи данных. Поз.27 - блок передачи информации, предназначенный для оперативной подготовки и передачи информации в абонентский пункт ССС «Гонец» 20 для дальнейшей оперативной передачи по ССС в стационарный центр обработки данных.
Выборка гидроакустической станции для выполнения профилактических работ производится при помощи притопленного фала, один конец привязан за раму 2, другой конец вынесен на берег.
При режиме синхронной работы нескольких станций (в случае работы не менее 4 станций определяются эпицентры землетрясений), они должны быть оснащены высокостабильными кварцевыми часами. Эти станции могут устанавливаться на одном или на нескольких водоемах, отстоящих на десятки или сотни км.
Рассмотрим экспериментальный материал, полученный 18 августа 2006 г. при натурном испытании подводного модуля гидроакустической станции. В середине августа 2006 года севернее города Холмска (западное побережье Сахалина) в районе водозабора на р.Малка была установлена гидроакустическая станция.
18 августа 2006 г. в 2:20:37 местного времени на юге О.Сахалин в районе г.Невельска в точке с координатами 46,583° с.ш., 141,857° в.д. на глубине 32,3 километра произошло землетрясение с магнитудой ~5,6 балла по шкале Рихтера, зафиксированное многими сейсмостанциями мира, в том числе, и г.Южно-Сахалинска. На фиг.5 приведены сигналограммы землетрясения зарегистрированного с помощью гидроакустической станции в полосе 1,5-50 Гц и оцифрованных с частотой квантования 200 Гц. В сигналограмме землетрясения хорошо зафиксированы вступления как Р-, так и S-волн.
Использование гидроакустической компоненты сейсмического сигнала дополняют и заметно усиливают по эффективности различные способы прогнозирования землетрясений, предложенные в работах [1-6].
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, 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.