СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ПРОГНОЗА МЕСТА ГОТОВЯЩЕГОСЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
REAL-TIME METHOD OF FORECASTING PLACE BRACING FOR EARTHQUAKE

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для оперативного прогноза землетрясений в системах наблюдений и обработки данных геофизических измерений.
Актуальность проблемы оперативного прогноза землетрясений, т.е. определение места эпицентра и времени - за несколько часов-суток до предстоящего события, определяется тем, что на планете ежегодно происходит около 100 разрушительных землетрясений (силой более 5,5 баллов по шкале Рихтера). Несмотря на работу тысяч сейсмических станций, размещенных в разных странах и объединенных в единые сети, 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.
В сейсмологии известны десятки предвестников землетрясений, отражающих различные физические явления в зоне предстоящего катаклизма: изменения деформационных, температурных, электромагнитных, гидрогеологических, геохимических и других полей. На использовании этих предвестников основаны многие из известных способов предсказания землетрясений (см. патенты RU NN 2106001, 2163385, 2170448, 2172968, 2204852, 2205432, 2227311, 2229736, 2248017).
Основным недостатком данных способов является невозможность непосредственного применения этих способов прогноза 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, 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 землетрясения определяющими являются механические деформационные процессы, обнаружение и отслеживание которых в прогностической задаче обеспечивает возможность использования информации о прямых признаках готовящегося катаклизма.
Известны способы прогноза землетрясений, основанные на использовании в качестве предвестников землетрясений низкочастотных волн, идущих от очага готовящегося землетрясения, изменении спектральных характеристик сейсмического фона в местах установки сейсмометрической аппаратуры при механических процессах подготовки землетрясений (см. патенты RU NN 2181205, 2170447).
Однако эти способы опираются на применение стандартной аппаратуры, не обладающей частотно-селективными свойствами и содержащей в информативных сигналах помехи различного происхождения. Поэтому достоверное предсказание землетрясений этими методами вызывает известные трудности. Кроме того, предвестники в квазистатическом диапазоне существуют ограниченное время и могут быть пропущены.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ оперативного прогнозирования землетрясений, тектонических и техногенных подвижек, включающий измерение не менее чем тремя сейсмологическими станциями сигналов в геофизических полях деформационной природы, отбор и анализ аномальных сигналов и определение магнитуды, места и времени землетрясений (см. патент RU №2106001, кл. G01V 9/00, 1998).
Однако данный способ имеет низкую достоверность прогноза, т.к. имеет слабую помехозащищенность и недостаточную частотную избирательность.
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 (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.
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 задачу сейсмоприемника как его реакцию - отклик на регулярный цуг упругих волн в низкочастотном спектре от далекого источника при отсутствии реакции аппаратуры 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 чувствительности 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 чувствительности и частотно-избирательными свойствами. Эти свойства гравитационных вариометров обусловлены гантельным эффектом, который возникает при пространственных колебаниях крутильной системы и приводит к моменту закрутки вывешенного коромысла - рабочего тела прибора. При этом резонансное усиление маятниковых колебаний коромысла в высокодобротной системе подвеса определяют частотно-избирательные свойства прибора и его чрезвычайно высокую чувствительность к тектонике очага готовящегося землетрясения. По чувствительности к воздействию инерционных сил гравитационные вариометры не уступают лучшим образцам геофизической аппаратуры, используемой в сейсмологии.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности оперативного прогноза землетрясений. Техническим результатом является повышение достоверности прогноза землетрясений за счет высокой частотной избирательности и чувствительности способа.
Технический результат достигается в способе оперативного прогноза землетрясений, включающем установку по меньшей мере на трех сейсмических станциях пары идентичных с многолепестковыми диаграммами чувствительности гравитационных вариометров, расположенных под углом друг к другу, некратным 90°, и ориентированных по сторонам света с начальными углами ориентации, определение при изменении положений коромысел гравитационных вариометров изменений углов относительно углов их начальной ориентации с последующим определением по диаграмме чувствительности и величине изменения угла ориентации каждого прибора направления на очаг готовящегося землетрясения, определение места очага путем пересечения направлений на этот очаг, полученных по меньшей мере с трех сейсмических станций.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются установка по меньшей мере на трех сейсмических станциях пары идентичных гравитационных вариометров, расположенных вышеупомянутым образом, определение направления на очаг с каждого гравитационного вариометра и места очага. Это позволяет повысить достоверность прогноза. Частотно-избирательные свойства гравитационных вариометров и их высокая чувствительность и установка на каждой сейсмической станции пары идентичных гравитационных вариометров вышеупомянутым способом позволяет точно определить направление на очаг землетрясения и место очага.
Способ оперативного прогноза землетрясений поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема крутильной системы гравитационного вариометра, на фиг.2 - схема размещения сейсмических станций с парами гравитационных вариометров, на фиг.3 - реальный пример изменения угла коромысла вариометра относительно угла его начальной ориентации перед землетрясением.
Способ оперативного прогноза землетрясений осуществляется следующим образом.
На каждой сейсмической станции устанавливают пару идентичных с многолепестковыми диаграммами чувствительности гравитационных вариометров, расположенных под углом друг к другу, некратным 90°, и ориентированных по сторонам света с начальными углами ориентации. При изменении положений коромысел гравитационных вариометров определяют изменения углов относительно углов их начальной ориентации с последующим определением по диаграмме чувствительности и величине изменения угла ориентации каждого прибора направления на очаг готовящегося землетрясения. Место очага определяют путем пересечения направлений на этот очаг, полученных, по меньшей мере, с трех сейсмических станций.
1
2
3
1
2
3
Способ оперативного прогноза землетрясений реализуется в устройстве (фиг.1), которое содержит корпус 1 гравитационного вариометра, установленного на сейсмической станции, коромысло 2 крутильной системы с массами m на концах, торсион (тонкая нить) для вывешивания коромысла, точку (0) подвеса коромысла в корпусе 1, углы поворота α, β, γ коромысла 2 относительно корпуса 1, главные оси х, у, z инерции коромысла 2. На фиг.2 обозначено: С, С, С - сейсмические станции с гравитационными вариометрами, φ, φ, φ - углы направлений (пеленги) от сейсмических станций на очаг предстоящего землетрясения.
Конкретный пример способа оперативного прогноза землетрясений.
0
На каждую сейсмическую станцию устанавливается пара идентичных гравитационных вариометров, крутильная система которых выполнена по схеме крутильных весов Кулона первого рода (фиг.1). Каждый вариометр имеет восьмилепестковую диаграмму чувствительности. Каждый лепесток имеет эффективную ширину - около 30 градусов. Вариометры на каждой сейсмической станции, ориентированные по сторонам света, устанавливаются под углом φ друг к другу, некратным 90°, т.е. отличным от угла, кратного 90°. При установке вариометров определяется их начальный угол ориентации относительно направления на север. При возникновении колебаний корпуса вариометра - предвестника предстоящего землетрясения - возбуждаются маятниковые колебания коромысла, изменяются положения коромысел всех вариометров по угловым координатам (α, β). Вследствие этих колебаний формируется крутящий момент вокруг крутильной оси z подвеса коромысла гравитационного вариометра - результат гантельного эффекта в крутильной системе, совершающей колебательное движение с угловыми скоростями :
где обозначено:
x
y
I, I - главные моменты инерции коромысла.
На резонансной частоте маятниковых колебаний ω момент закрутки имеет постоянную составляющую в виде:
где обозначено:
С - амплитуда перемещений корпуса вариометра;
Д - добротность маятниковой степени свободы крутильной системы;
Ψ - угол (азимут) направления колебаний корпуса вариометра относительно главной оси инерции коромысла х.
0
0
Отсюда следует, что измеренная величина изменения угла ориентации одного гравитационного вариометра зависит от интенсивности возмущающего воздействия и направления на его источник - очаг предстоящего землетрясения. При наличии второго прибора, развернутого в азимуте на некоторый угол φ, имеем дополнительную информацию в виде величины изменения его угла ориентации о крутящем моменте во втором приборе, пропорционального sin2(ψ+ϕ), благодаря чему по показаниям с пары приборов вычисляется угол φ направления (пеленг) от сейсмической станции на очаг готовящегося землетрясения. Предпочтительным оптимальным углом взаимного разворота пары приборов является угол, равный 45°, тогда показания одного прибора пропорциональны sin2ψ, а другого - cos2ψ. При изменении положений коромысел гравитационных вариометров определяются изменения углов относительно углов их начальной ориентации с последующим определением по диаграмме чувствительности и величине изменения угла ориентации путем векторного построения направления на очаг готовящегося землетрясения.
При наблюдении только одним прибором определить точное направление на очаг нельзя, поскольку изменения угла коромысла относительно угла его начальной ориентации зависят от двух параметров: угла направления φ на очаг и амплитуды А колебаний корпуса вариометра. Наличие второго вариометра позволяет решить задачу определения этих двух параметров. Наличие трех сейсмических станций, разнесенных на значительные расстояния в десятки, сотни и даже тысячи километров, позволяют однозначно определить место будущего очага землетрясения даже в случае, когда очаг и две станции лежат на одной прямой (точнее на одной окружности большого круга).
После определения направлений на очаг готовящегося землетрясения по каждой из трех станций на координатной сетке находят место пересечения трех направлений от сейсмических станций, т.е. координаты очага предстоящего землетрясения (фиг.2).
На фиг.3 представлен реальный пример изменения угла коромысла вариометра относительно угла его начальной ориентации перед землетрясением, где по оси абсцисс отложено время в часах, по оси ординат - изменения угла коромысла вариометра (угол закручивания нити гравитационного вариометра в относительных единицах). Вертикальной линией со стрелкой на фиг.3 обозначен момент землетрясения с магнитудой 6,1 с эпицентром на расстоянии 893 км.
На фиг.3 видно, что за 50 часов до катаклизма угол коромысла вариометра из невозмущенного состояния стал резко изменяться и через 12 часов установился на смещенном уровне (ΔU), где оставался неизменным в течение 40 часов. В конце этого интервала произошло землетрясение, что отразилось в изменениях угла коромысла вариометра.
Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность прогноза землетрясений за счет высокой избирательности и чувствительности гравитационных вариометров, что позволит оперативно оповестить о готовящемся землетрясении за несколько часов и до полутора суток и провести необходимые мероприятия для спасения людей, уменьшения ущерба и предотвращения возможной экологической катастрофы.