СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКА СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
METHOD TO DETERMINE 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 микрозелетрясений.
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 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 данных сейсмических станций, во-первых, основываясь на статистических свойствах слабых землетрясений [1-3] как предвестников сильных землетрясений, во-вторых, основываясь на сверхнизкочастотный модуляционный эффект [5-6] сейсмического фона, исключив данные гидроакустических станции. Данный факт, как будет рассмотрено ниже, является существенным недостатком допущенных авторами рассмотренных выше аналогов.
Контроль над сейсмической обстановкой региона желательно проводить как традиционным методом с помощью наземных сейсмических станции, так и применением гидроакустических станций, установленных в водоемах (не обязательно глубоководных), что является предметом изобретения.
Целью изобретения является повышение достоверности способов предсказания землетрясений с помощью гидроакустических станций, установленных на естественных и искусственных водоемах (озера, пруды и т.д.).
Рассмотрим экспериментальный материал, полученный 18 августа 2006 г. В середине августа 2006 года севернее города Холмска (западное побережье Сахалина) в районе водозабора на р.Малка была установлена сейсмогидроакустическая 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.1 приведены сигналограммы землетрясения с гидрофона и компоненты Z сейсмоприемника сейсмогидроакустической станции в полосе 1,5-50 Гц оцифрованных с частотой квантования 200 Гц. В сигналограмме землетрясения, полученной с помощью гидрофона (акустический канал) (фиг.1-а) и с помощью сейсмоприемника (сейсмический канал) (фиг.1-z)), хорошо зафиксированы вступления как Р-, так и S-волн. Огибающие сигнала землетрясения приведены на фиг.2. Здесь масштаб горизонтальной оси дан в сек, вертикальной оси - в дБ. На фиг.1 и 2 четко фиксируются вступления Р- и S-волн. Длительность сигнала землетрясения на уровне 10 дБ относительно помехи для акустического канала составляет порядка 40 сек, для сейсмического канала - 140 сек. Длительность сигнала землетрясения сейсмического канала заметно превышает длительность акустического канала.
Для оценки эпицентрального расстояния А воспользуемся формулой, приведенной в работе [7]:
Δ=11,2·ts-p,
где t s-p - разность времен вступления между продольной Р- и поперечной S-волнами и t s-p как видно из фиг.1 и 2 равно 8,4 сек и вследствие расчета имеем эпицентральное расстояние Δ=94 км. Разность времен вступления между продольной Р - и поперечной S-волнами оценены приблизительно, так как вступление S-волны замаскировано «хвостом» Р-волны.
В связи с тем, что очаг землетрясения находится вблизи проведения натурных испытаний, первыми из Р- и S-волн должны вступить прямые рефрагированные сигналы Р- и S-волн и только затем остальные. Этим объясняются многочисленные вступления сигналов, фиксируемые на сигналограмме, полученные с помощью сейсмоприемников, особенно для S-волны. Отметим также, что последующие амплитудные уровни вступления S-волн (после 20 сек с момента вступления Р-волн) акустического канала заметно уменьшаются по сравнению с сейсмическим каналом. Это говорит о том, что водная среда является хорошим фильтром, устраняющим многочисленные последующие вступления поперечных S-волн, которые могут восприниматься при обработке данных как помехи. Спектральный состав сигналов землетрясения гидроакустического канала как видно из фиг.3 оказался заметно шире, чем у сигнала землетрясения сейсмического канала.
Как видно из фиг.3 спектральный уровень сейсмического канала с ростом частоты спадает заметно круче по сравнению с акустическим каналом. Крутизна спада спектрального уровня сейсмического канала имеет величину порядка - 14 дБ на октаву, акустического канала - 8 дБ на октаву. Как видно из фиг.3 в основном энергия землетрясения сейсмического канала в полосе частот до 5 Гц.
На фиг.4 приведена функция когерентности акустического и сейсмического каналов. В полосе частот 1,5-3,5 Гц, как видно из фиг.4, функция когерентности достигает величины 0,95, что говорит о линейности рассматриваемых акустического и сейсмического каналов в этой полосе частот. Данные фиг.4 иллюстрируют о наличии связи между акустическим и сейсмическим каналами на уровне в среднем 0,5 на частотах до 25 Гц.
Действительно, как видно из фиг.5. где приведены огибающие сигналов в полосе частот 1,5-3,5 Гц, огибающий сигнала сейсмического канала в полосе 1,5-3,5 Гц практически совпадает с огибающим сигнала сейсмического канала в полосе частот 1,5-49 Гц (см. фиг.3). Также должны отметить схожесть сигналов акустического канала в полосе частот 1,5-3,5 Гц (фиг.4) с сигналом сейсмического канала в полосе частот 1,5-3,5 Гц. Это говорит, 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 (см. фиг.3), чем у сейсмического канала.
Известно, чем больше ширина полосы частот, 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 [1-4], 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, в сверхнизкочастотные колебания огибающих сигнала акустического канала, т.е. выявляем сверхнизкочастотную амплитудную модуляцию гидроакустического фона. Известно в соответствии с открытием [8], в котором экспериментально установлено явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов длиннопериодными деформирующими процессами, которые можно обнаружить в огибающих гидроакустического сигнала.
Для регистрации гидроакустических сигналов используются гидроакустические станции, устанавливаемые на дно водоема. Здесь под гидроакустическими станциями подразумеваем станции, оснащенные одним или несколькими гидрофонами, обеспечивающие непрерывную регистрацию сигналов в полосе частот 0,5-2000 Гц. На фиг.6 приведена структурная схема измерительно-анализирующего тракта гидроакустической станции. Поз.1 и 2 соответствуют соответственно гидрофону, усилителю. Поз.3 и 9 соответствуют фильтру 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.4 и 10 соответствуют аналого-цифровому преобразователю (АЦП) соответственно с частотами выборки 300 и 4800 Гц. Поз. 16 формирователь импульсов с частотой 4800 Гц, предназначенный для запуска АЦП (поз.4), поз.17 делитель частоты на 16, предназначенный для запуска АЦП (поз.10). Поз. 5-6, 11-14 соответствуют цифровым полосовым фильтрам соответственно в полосе частот: 0,5-10 Гц (низкочастотный сейсмический шум); 10-100 Гц (высокочастотный сейсмический шум); 100-500 Гц; 500-1000 Гц; 1000-1500 Гц; 1500-2000 Гц. Поз.7 и 15 соответствуют блокам анализа и выбора решений, реализующих преобразование исходных данных и соответственно выполнение поиска статистических параметров, изложенных в [1-4], и поиска сверхнизкочастотных амплитудных модуляции по [5, 6, 8]. При обнаружении прогностических параметров формируют соответствующий код прогноза землетрясений для дальнейшей передачи данных. Поз.6 - блок передачи информации, предназначенный для оперативной подготовки и передачи информации в стационарный пункт обработки данных.
Так как большинство водоемов являются не судоходными, работы, связанные с постановкой и выборкой станции, производятся вручную с борта лодок или плотов. Поэтому весогабаритные характеристики должны иметь следующие параметры: по весу не более 30 кг, по габаритам не более 1 м.
При режиме синхронной работы нескольких станции (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.
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.
7. Кадыков И.Ф., Болдырев С.А. Особенности регистрации сигналов сейсмических событий в центральной части Индийского океана. - В кн.: Краткосрочный и долгосрочный прогноз цунами: Тез. докл. Всесоюз. шк., Звенигород, 1983. М.: Наука, 1983, с.98-99.
8. Рыкунов и др. Открытия в СССР в 1983 г. - М.: ВНИИПИ, 1984, с.31-32.