ГРАДИЕНТОМЕТРИЧЕСКИЙ СЕЙСМОПРИЕМНИК
GRADIOMETRIC SEISMIC RECEIVER

Предлагаемое изобретение относится к области сейсмологии и направлено на решение задач оперативного прогноза землетрясений, т.е. определения места эпицентра и времени за несколько часов - сутки до предстоящего события, но может быть также использовано при геофизических исследованиях.
Актуальность проблемы оперативного прогноза землетрясений определяется тем, что на планете ежегодно происходит около 100 разрушительных землетрясений (силой более 5,5 баллов по шкале Рихтера), причем одно из них может быть катастрофическим. Очевидно, что современная сейсмология с этим не справляется, о чем свидетельствуют последствия катаклизмов, происходящих на планете почти каждую неделю. Несмотря на работу тысячи сейсмических станций, размещенных в разных странах и объединенных в единые сети, за всю историю цивилизации практически никогда не было оперативного предупреждения о приближающейся катастрофе.
Одной из причин такой ситуации являются ограниченные возможности стандартной сейсмической аппаратуры, способной фиксировать факт совершившегося события, однако прогностическая задача при этом остается не решенной [Фремд В.М. Инструментальные средства и методы регистрации сильных землетрясений. М., 1978].
В сейсмологии известны десятки предвестников землетрясений, отражающих различные физические явления в зоне предстоящего катаклизма: изменения температурных, электростатических, магнитных, гидрогеологических, геохимических и других полей. На использовании этих предвестников основаны многие из известных способов и устройств для предсказания землетрясений (см., например, патенты РФ №№2106001, 2163385, 2170448, 2172968, 2204852, 2205432, 2227311, 2229736, 2248017).
Основные недостатки упомянутых изобретений состоят в невозможности их непосредственного применения из-за неадекватности измеряемых величин контролируемому процессу и их функциональной ограниченности по выделяемым параметрам. Это связано с тем, что подавляющее большинство вышеупомянутых признаков подготовки очагов землетрясений являются косвенными указателями, тогда как и теоретические соображения, и экспериментальные данные однозначно указывают на то, что прямые признаки следует искать среди механических явлений. В настоящее время установлено, что при подготовке очага и реализации землетрясения определяющими являются механические деформационные процессы, обнаружение и отслеживание которых в прогностической задаче обеспечивает возможность использования информации о прямых признаках готовящегося катаклизма.
Некоторые из известных способов и устройств для предсказания землетрясений используют информацию о распространении низкочастотных волн от очага готовящегося катаклизма, которая состоит в изменении спектральных характеристик сейсмического фона в местах установки сейсмометрической аппаратуры при механических процессах подготовки землетрясений (например, патенты - аналоги (патенты РФ №№2181205, 2170447). Однако приведенные аналоги опираются на применение стандартной аппаратуры, не обладающей частотно-селективными свойствами и содержащей в информативных сигналах помехи различного происхождения. Поэтому достоверное предсказание землетрясений этими методами практически невозможно. Кроме того, предвестники в сверхнизкочастотном диапазоне существуют ограниченное время и могут быть пропущены.
Теоретическая модель механизма подготовки землетрясений основана на дилатантной или близких к ней моделях физических явлений в очагах землетрясений. Суть ее состоит в следующем. Когда напряжения в толще тектонических пород сейсмически опасной зоны достигают предельной величины, в них появляются микротрещины, а имеющиеся полости увеличиваются. Перед землетрясением происходит возрастание пористости пород и равномерное распределение трещин по всей очаговой области и вокруг нее. За несколько часов до магистрального разрыва в очаге будущего землетрясения образуется упорядоченная (в статистическом смысле) система трещин, протяженность которой соответствует длине предстоящего разрыва. При приближении момента землетрясения система трещин переходит в предкритическое состояние (предтрещины) с падением прочности пород и под влиянием слабых внешних возмущений, а также вследствие продолжающегося процесса упорядочивания возбуждается и колеблется как единое целое, излучая сейсмическую энергию. При этом высокочастотная часть энергии поглощается в самом очаге и его окрестностях, а колебания на низких частотах в диапазоне (0,1-5) Гц распространяются по земной коре на тысячи километров. По мере возрастания критичности состояния в очаге будущего землетрясения интенсивность колебаний предтрещины увеличивается, а эмиссия сейсмической энергии ведет к дальнейшей упорядоченности системы трещин и падению прочности пород, что в конце концов приводит к магистральному разрыву. Такая концепция объяснения природы оперативных предвестников полностью подтвердилась в 80-90-х гг. наблюдениями над многочисленными катаклизмами.
Эта модель механизма подготовки землетрясений определяет методический подход к решению прогностической проблемы и выдвигает требования к сейсмической аппаратуре откликаться на изменения интенсивности объемных упругих волн от удаленного очага. Конкретизируя эти требования, можно сформулировать прогностическою задачу как формирование отклика на регулярный цуг упругих волн в низкочастотном спектре от далекого источника при отсутствии реакции прибора как на высокочастотные, так и низкочастотные (но кратковременные) помехи от близких источников тектонического или техногенного происхождения.
Для этого сейсмическая аппаратура должна обладать частотно-избирательными свойствами, а также диаграммой направленности подобно радиолокационным антеннам. Сейсмоприемники, используемые в настоящее время и основанные на принципиальных схемах и технических средствах изготовления длиннопериодных маятников или широкополосных акселерометров, обладают векторными свойствами благодаря пространственной ориентации осей чувствительности приборов, но для решения задач оперативного прогноза землетрясений этого недостаточно, так как частотно-селективные свойства у них практически отсутствуют.
В связи с этим использование в качестве сейсмоприемника высокочувствительного гравитационного вариометра, выполненного по схеме крутильных весов Кулона первого рода, представляется радикальным способом решения проблемы, поскольку указанные требования органически соответствуют его физической природе: его сигнал обладает диаграммой направленности и частотно-избирательными свойствами. Эти свойства гравитационных вариометров при вибрациях основания обусловлены гантельным эффектом, который возникает в приборе при пространственных колебаниях крутильной системы и приводит к моменту закрутки вывешенного коромысла - рабочего тела прибора. При этом резонансное усиление маятниковых колебаний коромысла в системе подвеса определяет частотно-избирательные свойства прибора и его высокую чувствительность к тектонике очага готовящегося землетрясения. К этому следует добавить, что по чувствительности к воздействию инерционных сил тектонического происхождения гравитационные вариометры не уступают лучшим образцам приборов, используемых в сейсмологии.
Близким аналогом является изобретение «Способ оперативного прогноза места готовящегося землетрясения» по патенту РФ №2355000, где описан пример реализации способа с помощью гравитационного вариометра, выполненного по схеме крутильных весов Кулона первого рода. Здесь крутильная система гравитационного вариометра содержит гантельное коромысло, вывешенное на торсионе (тонкой нити) в корпусе прибора, и датчик угла поворота крутильной системы в азимуте. Полезная прогностическая информация содержится в сигналах датчика угла. Недостатком такого сейсмоприемника является негибкая связь крутильной системы по азимутальной координате с корпусом прибора, определяемая упругими свойствами торсиона. В таких конструкциях в случае высокой добротности подвеса возможны автоколебательные процессы, при которых полезная информация искажается, а ее обработка весьма затруднительна. Поэтому конструкции сейсмоприемников на базе гравитационного вариометра выполнены с невысокой добротностью: в примере, приведенном в описании к патенту РФ №2355000, крутильная система находится в воздушной среде. Это является очень важным недостатком, поскольку от добротности подвеса крутильной системы зависит чувствительность прибора.
Прототипом предлагаемого изобретения является гравитационный вариометр [патент РФ №2175773, G01V 7/10, бюллетень №31, 24.11.2001 г.], конструкция которого включает размещенное в герметичном корпусе гантельное коромысло, вывешенное в управляемом магнитном подвесе, электростатические датчики момента, управляющие движением коромысла относительно вертикальной оси по сигналам от оптических датчиков угла. Измерение полезного сигнала в устройстве прототипа производится с помощью автокомпенсационной схемы, формируемой датчиками угла и момента и электронными блоками, определяющими заданные частотные характеристики прибора как замкнутой системы автоматического регулирования. Недостатки прототипа с точки зрения его использования в качестве сейсмоприемника связаны с фактом иного назначения прибора, который применяется для измерения гравитационного момента вследствие пространственной неравномерности гравитационного поля. Крутильная система прототипа выполнена таким образом, что собственные частоты ее колебаний как физического маятника существенно отличаются относительно друг друга вследствие анизотропных свойств тензора инерции вывешенного коромысла. Однако для прогностической задачи требуется совпадение собственных частот маятниковых колебаний относительно обеих горизонтальных осей. В противном случае (как это выполнено в устройстве прототипа) нарушается синхронность вынужденных колебаний маятника, вызываемых упругими колебаниями земной поверхности вследствие сейсмической активности в районе очага предстоящего землетрясения. Нарушение синхронизма маятниковых колебаний в свою очередь приводит к тому, что гантельный эффект выражается в виде совокупности гармоник с разными частотами; при этом полезная прогностическая информация содержится в величине амплитуд этих гармоник. Измерение полезной информации в этом случае весьма проблематично по ряду причин. Во-первых, высокие частоты в автокомпенсационной схеме измерения крутящего момента коромысла по азимутальной координате достаточно эффективно подавляются, поскольку замкнутая система управления является узкополосной из условия обеспечения устойчивости. Во-вторых, при высокой добротности резонансной настройки крутильной системы на частоту прогностического сигнала и близких значениях собственных частот маятника по обеим координатам измерение амплитуды ультранизкочастотного сигнала затруднено искажениями вследствие низкочастотных помех в сигналах прибора и требует большого времени. Последнее противоречит условию постановки задачи оперативного прогноза, т.е. основному назначению прибора в качестве сейсмоприемника.
Задачей изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей гравитационного вариометра.
Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что собственная частота маятника выбором величины смещения его центра тяжести относительно точки приложения равнодействующей силы подвеса установлена в диапазоне 0,1-1 Гц, при этом соотношение между приведенной длиной маятника и максимальным радиусом инерции коромысла выбрано из условия:
где L - приведенная длина маятника;
r - максимальный радиус инерции коромысла относительно главной оси;
D - функциональный параметр прибора, равный добротности колебательной системы маятника относительно горизонтальной оси; а собственная частота системы управления движением коромысла относительно вертикальной оси установлена ниже собственной частоты колебаний маятника по крайней мере на декаду.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в том, что при выполнении принципа построения конструкции гравитационного вариометра с учетом приведенных соотношений достигается высокая чувствительность прибора как сейсмоприемника и формирование прогностического сигнала в виде, обеспечивающем его точное измерение и обработку с целью определения координат места и магнитуды предстоящего землетрясения за несколько десятков часов до события.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графические зависимости резонансных характеристик двух маятниковых каналов крутильной системы и на фиг.2 представлена кинематическая схема крутильного маятника.
1
2
На фиг.1 обозначен случай, когда резонансные частоты двух маятниковых контуров 1 и 2 различны и представлены амплитудные частотные характеристики W(ω) резонансных контуров с частотами ω и ω.
На фиг.2 обозначено: 3 - коромысло с двумя массами m на концах; центр тяжести коромысла смещен относительно точки О шарнирного устройства подвеса.
k
k
Вектор  характеризует перемещения основания прибора вследствие колебаний земной поверхности; угол φ - направление фронта сейсмических волн от источника аномальной сейсмической активности относительно одной из осей системы координат OX Y, связанной с корпусом прибора (в начальном положении крутильной системы, параллельной главным осям инерции коромысла X, Y).
Подвижная крутильная система при этом является физическим маятником, обладающим тремя степенями свободы: углы α, β - колебания маятника относительно вектора g ускорения силы тяжести и угол γ - вокруг оси, проходящей через центр тяжести коромысла 3 и центр шарнира О (вертикальной оси крутильного маятника).
Устройство предлагаемого градиентометрического сейсмоприемника основано на гантельном эффекте, состоящем в том, что при маятниковых колебаниях крутильной системы относительно горизонтальных осей возникает крутящий момент вокруг ее вертикальной оси. Крутящий момент описывается выражением:
x
y
Здесь J, J - главные моменты инерции гантельного коромысла гравитационного вариометра относительно осей X, Y, одна из которых проходит через центры пробных масс;
x
y
Ω, Ω - составляющие угловой скорости колебаний крутильной системы относительно горизонтальных осей, параллельных главным осям инерции коромысла.
Колебания основания вызываются упругими волнами, возникающими в районе очага зарождающегося землетрясения и распространяющимися по земной поверхности на большие расстояния. Эти колебания происходят в низкочастотном спектре - (0,01-10) Гц с интенсивностью, резко возрастающей за несколько десятков часов перед катаклизмом.
Но когда возбуждаются (вследствие сейсмических волн) колебания маятника с частотой ω, то его движение по каждой из угловых координат описывается формулой:
а скорости угловых колебаний, входящие в формулу (1), соответственно выражениями:
Если вынужденные колебания по обеим координатам происходят синхронно на одной частоте, то имеем:
Тогда согласно (1) получим:
2
Но cosωt=0,5(1-cos2ωt).
Таким образом, инерционный крутящий момент вследствие гантельного эффекта содержит постоянную составляющую и переменную с двойной частотой. Обе компоненты содержат полезную информацию, причем переменная компонента - в виде амплитуды второй гармоники. Система управления движением гантели в азимуте является узкополосной автокомпенсационной схемой измерения момента, который формируется в виде управляющего сигнала на входе датчика момента. При этом измерение постоянной составляющей производится с высокой точностью, но переменные компоненты в узкополосном контуре эффективно подавляются, и измерять их при этом весьма проблематично.
x
y
x
y
Для гравитационных вариометров, обычно используемых в геофизических исследованиях, в случае синфазных гармонических колебаний крутильной системы такой момент создает крайне неприятную помеху в выходном сигнале, выражение которой может быть записано в виде ΔГ=ΩΩ. Произведение компонент Ω, Ω определяет влияние на гравитационный вариометр угловых колебаний основания, на котором установлен корпус прибора. Однако в случае применения гравитационного вариометра в качестве сейсмоприемника для прогностических задач этот эффект, напротив, является положительным свойством, на котором основан принцип работы прибора.
Постоянная составляющая сигнала при резонансной настройке маятниковых каналов гравитационного вариометра на одну из частот спектра сейсмических колебаний выражается формулой:
В этой формуле обозначено:
max
А - амплитуда перемещения основания прибора вследствие сейсмических колебаний поверхности Земли;
D - добротность резонансной настройки крутильной системы гравитационного вариометра на частоту маятниковых колебаний;
c
ω - функциональный параметр прибора, определяемый уровнем диссипативных потерь в устройстве подвеса крутильной системы;
φ - угол между направлением вектора перемещения основания и главной осью инерции коромысла X;
g - ускорение силы тяжести.
Из выражения (4) видно, что в сигнале прибора содержится информация о прогностических признаках: направлении на источник колебаний земной поверхности и их интенсивности. При этом уровень сигнала существенно зависит от добротности резонансной настройки маятниковой системы, собственная частота которой определяется расстоянием L от точки подвеса крутильной системы до ее центра тяжести:
Поэтому (в противоположность геофизическим гравитационным вариометрам) здесь естественно стремление поднять уровень сигнала, а следовательно, и чувствительность прибора путем увеличения добротности резонансной настройки прибора. В экспериментальных установках, решающих задачи прогноза землетрясений, добротность резонансной настройки достигает величин от десятков до нескольких сотен благодаря уменьшению диссипативных потерь в конструкции прибора путем вывешивания крутильной системы в прецизионном подвесе и ее размещением в вакуумной камере. Это противоречит характеристикам всех известных гравитационных вариометров, где свойства крутильной системы соответствуют демпфированным устройствам с большим затуханием собственных колебаний, что связано не только с фактом влияния вибраций на работу прибора (здесь гантельный эффект является весьма негативным свойством), но и с требованиями по производительности приборов при гравиразведке.
Если колебания маятника относительно горизонтальных осей происходят на разных частотах, то вместо (2) имеем угловые скорости в виде:
Очевидно, что произведение (1) гармоник с разными частотами постоянной составляющей не дает, а получаются две гармоники, из которых извлечь полезную информацию весьма сложно. Трудности здесь связаны с измерением амплитуд гармоник, поскольку последние подавляются в контуре управления движением крутильной системы в азимуте. Одна из них - высокочастотная (сумма собственных частот маятника) - подавляется весьма эффективно. Другая гармоника с разностной частотой при близких значениях собственных частот маятника - ультранизкочастотная - искажается низкочастотными трендами, при этом ее измерение требует большого времени, что противоречит постановке задачи создания прибора для оперативного прогноза.
Таким образом, для того чтобы в приборе вырабатывался качественный сигнал, удобный для измерения, необходимо выполнение условий (2) и (3), т.е. обеспечить совпадение частот собственных колебаний маятника по обеим координатам.
В гравитационном вариометре с гантельным коромыслом это теоретически невозможно вследствие различия его главных моментов инерции. Поэтому крутильная система как физический маятник имеет две разные частоты собственных колебаний согласно формулам:
или:
i
i
Здесь m - масса коромысла; r - радиус инерции коромысла относительно одной из главных осей инерции Х или Y;  основная компонента в формировании частоты колебаний маятника, близкая величине собственной частоты симметричного маятника в формуле (5), когда L значительно больше радиусов инерции r.
Ширина частотной характеристики резонансного звена определяется формулой:
Это значит, что в этом частотном диапазоне при вынужденных колебаниях маятника происходит резонансное усиление сигнала с коэффициентом, равным добротности D. Поэтому для формирования качественного сигнала с прогностическими признаками на основе гантельного эффекта требуется, чтобы частотные характеристики обоих каналов маятника совместились в полосе частот (9). Тогда колебания маятника по обеим координатам будут синхронными, а в результате крутящий момент вокруг вертикальной оси маятника формируется в виде постоянного сигнала большой величины аналогично эффекту усиления сигнала при синхронном детектировании.
Но поскольку главные моменты инерции гантельного коромысла разные, то разница между собственными частотами колебаний относительно главных осей инерции коромысла в соответствии с (7) и (8) определяется формулой:
Эта разница не должна превышать диапазона, соответствующего выражению (9), тогда оба резонанса совместятся в одной полосе частот, и вынужденные колебания будут синхронными. Из этого следует:
В гантельном коромысле , по крайней мере, в несколько раз. Поэтому можно требования по ограничению добротности несколько ужесточить:
Тогда в результате колебаний земной поверхности вследствие сейсмической активности в азимутальном контуре формируется крутящий момент в виде постоянного сигнала, измеряемого схемой управления, и согласно (4) несущего информацию с прогностическими параметрами:
Здесь С характеризует магнитуду предстоящего землетрясения; φ - направление (пеленг) от сейсмической станции на место его очага.
Технико-экономические преимущества заявляемого устройства по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники, заключается в том, что оно позволяет повысить достоверность прогноза землетрясений вследствие высокой избирательности и чувствительности гравитационных вариометров и оперативно оповестить о готовящемся землетрясении за сутки до катаклизма с указанием места его очага и магнитуды, благодаря чему могут быть проведены необходимые мероприятия по спасению людей и снижению экономического ущерба.