СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИБЛИЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО СОБЫТИЯ
METHOD OF DETERMINING APPROACH OF SEISMIC EVENT

Техническое решение относится к сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования землетрясений по результатам обработки непрерывных временных рядов данных деформационного мониторинга в сейсмоактивных зонах литосферы.
Известен способ определения предвестника землетрясения, включающий измерение сигналов электростатических аномалий сетью сейсмических станций с выделением контрольных зон, определение их энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса, выявление миграции локальных областей сейсмической активности, по изменению параметров которой судят о местоположении и величине готовящегося землетрясения в сейсмоактивной зоне, при этом определение электромагнитных предвестников землетрясения выполняют с учетом амплитуд частоты резонанса в волноводе Земля-ионосфера на фиксированных частотах с размещением по крайней мере одной из сейсмических станций на космической орбите, определение в качестве предвестника землетрясения повышенного содержания радона в подземных водах, определение в качестве предвестника землетрясения повышенного содержания водорода на линиях разлома, в котором определение энергетических и пространственно-временных параметров и направленности развития сейсмического процесса производят в моменты, когда частота временного хода синусоидального периодического процесса будет соизмерима с частотой циклического времени измерения, измерение сигналов электрических аномалий наземными станциями производят на фиксированных частотах 7,8; 14,4; 20,3 Гц, а станцией, находящейся на космической орбите, измерения регистрируют в инфранизкочастотном диапазоне в области первой резонансной частоты, при этом максимальные значения амплитуды определяют по гармонической составляющей электромагнитной волны, ограниченной по контуру поверхности, причем максимальные значения амплитуд определяют для нескольких точек с вещественными или плановыми координатами с учетом высоты уровня моря для каждой точки (патент РФ 2269145, G01V 9/00, 2006 г., [1]).
Данный способ определения предвестника землетрясения весьма дорогостоящий, и при этом с учетом влияния внешних факторов, помех и измерительных ошибок приборов точность прогноза кране невысока.
max
Известен способ краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала A(t), находят спектр Фурье от зарегистрированной функции, в котором регистрацию осуществляют в двух разнесенных по координатам пунктах, спектр Фурье рассчитывают от последовательности выборок измерений с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2F/σ, вычисляют автокорреляционные функции В(τ), сигналов выборок и определяют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δτ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага
определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиус векторов пунктов с косинусом угла при вершине
0
x
0
max
1
2
<mrow><mn>110</mn><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
вычисляют период Т параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду М
(ч) и время удара t=2,3 Т, где F - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц; σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений; a - длина базы между двумя пунктами, м; v - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с; B(0), В(0) - значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта (патент РФ 2181205, G01V 9/00, 2002 г., [2]).
По назначению, по технической сущности и по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатки известного решения: для выполнения прогноза необходимо иметь данные как минимум с 2-х разнесенных пунктов наблюдения, что существенно повышает затраты на мониторинг, недостаточно велика достоверность прогноза.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности краткосрочного прогноза землетрясений с указанием места и времени энергетического класса предстоящего сейсмического события в сейсмической зоне.
Техническим результатом является регистрация характерных изменений прогнозного параметра за несколько часов до землетрясения.
Технический результат достигается тем, что в способе краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающем инструментальный мониторинг прогнозного параметра в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны, оценку ее динамического состояния по результатам компьютерной обработки получаемого временного ряда данных, прогнозирование сейсмического события по изменению во времени характеристик прогнозного параметра, в качестве прогнозного параметра используют низкочастотные микросейсмические колебания, проводят спектрально-временной анализ регистрируемого прогнозного параметра и по снижению уровня сигнала в спектральном окне 25-40 Гц определяют приближение сейсмического события и его параметры.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, показывает следующее.
Предлагаемое техническое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающий:
- инструментальный мониторинг прогнозного параметра в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны;
- оценку динамического состояния сейсмоактивной зоны по результатам компьютерной обработки получаемого временного ряда данных;
- прогнозирование сейсмического события по изменению во времени характеристик прогнозного параметра.
Предлагаемое техническое решение характеризуется признаками, отличительными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- в качестве прогнозного параметра используют вариации уровня микросейсмических колебаний;
- проводят спектрально - временной анализ регистрируемого прогнозного параметра;
- по снижению уровня сигнала в спектральном окне 25-40 Гц определяют приближение сейсмического события;
- по результатам обработки сигнала в спектральном окне 25-40 Гц, в котором зафиксировано снижение уровня микроколебаний, определяют параметры приближающегося сейсмического события.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Преобладающее большинство землетрясений, особенно средней силы и сильные, как правило, связаны с подвижками по уже существующим разломам или их разрастанием (удлинением). Подвижки происходят при каждой активизации, и каждая подвижка синхронна сейсмическому событию. Периодичные во времени активизации разрывов и возбуждение в них сейсмических событий подчиняются периодичности прохождения деформационных волн, физические параметры которых отражаются в направленности и интенсивности (скорости) возникновения событий в областях динамического влияния разломов.
Важнейшей задачей является выбор прогнозного параметра, отражающего реальные геофизические процессы в литосфере, изменения которого однозначно (с большой вероятностью) свидетельствуют о приближении сейсмического события в пределах локального участка литосферы сейсмоактивной зоны.
По результатам анализа инструментально регистрируемых сейсмических параметров и последующей обработки полученных данных авторами в качестве такого прогнозного параметра выбраны вариации уровня микросейсмическиих колебаний, являющиеся следствием изменения состояний энергетически напряженных неустойчивых разрывных структур литосферы. И именно такие повышения энергетических состояний являются причиной активизации сейсмоактивной зоны и, как правило, грядущих сейсмических событий. Использование данного прогнозного параметра в значительной степени повышает достоверность прогноза землетрясений, т.к. микросейсмические колебания отражают внутреннее состояние геофизической системы. Иные прогнозные параметры - электромагнитные поля, радоновая активность, в значительной мере подвержены воздействиям внешних атмосферных и иных факторов и в меньшей степени отражают состояние сейсмоактивной зоны, а следовательно, их использование снижает достоверность прогноза сейсмического события.
По результатам регистрации сейсмических параметров установлено значительное понижение уровня сейсмического шума за несколько часов до землетрясения (в среднем за 2-3 часа до землетрясения). Это понижение наблюдалось также в течение нескольких часов после землетрясения. Через два с половиной часа после землетрясения началось постепенное повышение уровня сейсмического шума, и через четыре часа после толчка амплитуда сейсмического шума достигла своей нормальной величины.
Методом спектрально-временного анализа сейсмического шума для девяти землетрясений Байкальской рифтовой системы (БРС) установлено значительное понижение уровня сейсмического шума за несколько часов перед толчком, что может классифицироваться как краткосрочный предвестник. Указанный эффект может быть использован для автоматического определения приближающегося землетрясения на объектах повышенной опасности, располагающихся в сейсмически активных зонах.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области выявил следующее.
Известна работа А.А. Любушина «Сейсмическая катастрофа в Японии 11 марта 2011 г. Долгосрочный прогноз по низкочастотным микросейсмам» (журнал «Геофизические процессы и Биосфера», 2011, Т.10, №1, с.9-35, [3]), в которой по данным двух или более разнесенных сейсмостанций отслеживаются параметры когерентности низкочастотных микросейсм.
1
2
3
4
Известен способ определения ширины и релаксационных характеристик зоны тектонического нарушения, включающий регистрацию упругих колебаний сейсмоприемниками, размещенными на профиле, определение скорости распространения упругих колебаний и суждение по полученным данным о местоположении границ тектонического нарушения, в котором в качестве упругих колебаний регистрируют импульсные колебания волнового типа (ИКВТ), сейсмоприемники располагают с шагом, обеспечивающим размещение по крайней мере одного сейсмоприемника в пределах зоны тектонического нарушения, на профиле, расположенном вкрест простирания зоны тектонического нарушения, скорость распространения ИКВТ определяют на каждом участке между двумя соседними пунктами регистрации, дополнительно определяют спектральную плотность мощности ИКВТ для каждого пункта, а о ширине зоны тектонического нарушения судят по величине ширины зоны, в которой скорость распространения упругих колебаний (С) уменьшается на величину a≥3 по сравнению со скоростью распространения упругих колебаний, определенной вне зоны тектонического нарушения, где а среднеквадратичная ошибка определения С, при этом релаксационные характеристики T время релаксации напряжения при постоянной деформации, Т время релаксации сдвиговой деформации при постоянном сдвиговом напряжении, Т время релаксации напряжений сжатия при постоянной объемной деформации, Т время релаксации деформации при постоянном среднем давлении определяют по спектральной плотности мощности ИКВТ, определенной для зоны тектонического нарушения и вне нее путем моделирования, аппроксимируя тектоническое нарушение телом Бюргерса (патент РФ 2077736, G01V 9/00, 1997 г.,
[4]).
Известен способ оперативного прогнозирования землетрясений, тектонических и техногенных подвижек, включающий измерение сигналов в геофизических полях деформационной природы, отбор аномальных сигналов, определение на основании измерений магнитуды, места и времени землетрясений, масштаба и места тектонических и техногенных подвижек, в котором измеряют не менее чем тремя прогностическими станциями амплитуду и частоту повторений импульсных сигналов и частоту повторений серий импульсных сигналов, скорость нарастания фронта и длительность импульсных сигналов и по полученным данным проводят отбор аномальных сигналов, после чего измеряют продолжительность стадии увеличения интенсивности аномального сигнала, продолжительность стадии уменьшения интенсивности аномального сигнала и продолжительность стадии замирания аномального сигнала на каждой прогностической станции, при этом расстояния от прогностических станций до гипоцентра землетрясений места тектонических и техногенных подвижек определяют из соотношения
1
где t продолжительность стадии увеличения интенсивности аномального сигнала, с;
2
t продолжительность стадии уменьшения интенсивности аномального сигнала, с;
3
t продолжительность стадии замирания аномального сигнала, с;
M магнитуда;
1
2
3
K, K, K масштабные коэффициенты, характеризующие региональные особенности процесса подготовки тектонического землетрясения, тектонической и техногенной подвижки;
1
A постоянная, характеризующая масштаб очаговой зоны;
1
1
B масштабная поправка к A;
2
A постоянная, характеризующая масштаб процесса уменьшения интенсивности аномального сигнала;
2
2
B масштабная поправка к A;
3
A постоянная, характеризующая процесс замирания интенсивности аномального сигнала;
3
3
B масштабная поправка к A;
C постоянная, характеризующая время развития неупругих деформаций в очаге;
1
2
3
T постоянная, характеризующая время развития процесса подготовки землетрясений, тектонической, техногенной подвижки для данного региона, T t+t+t;
p постоянная, характеризующая поправку к продолжительности стадии увеличения сигнала для данного района;
q постоянная, характеризующая поправку к продолжительности стадии уменьшения аномального сигнала для данного региона;
D ошибка измерений (патент РФ 2106001, G01V 9/00, 1998 г., [5]).
Известен способ краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающий регистрацию сейсмического фона в виде дискретных цифровых отсчетов амплитуд сигналов во взаимно ортогональных плоскостях Ax(t), Ay(t) в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, оси чувствительности которых по координате x ориентируют по направлению базы, обработку зарегистрированных сигналов расчетом спектра Фурье от последовательности выборок измерений, в котором вычисляют одномоментные спектры Фурье ортогональных сигналов Fx, Fy для каждого из пунктов, определяют направление на фазовый фронт сейсмического фона каждого из пунктов
1
2
1
2
отождествляет момент начала сейсмического процесса с условием Q≠Q, гипоцентр которого находят как точку пересечений лучей, исходящих из начала координат пунктов под углами Q и Q; находят период T сейсмических волн для каждого момента времени t как
2
bt
<mrow><mi>w</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
по зависимости периода (T) механических колебаний от колебательной массы (m), коэффициента жесткости земной коры (к), углового ускорения Aω получают функцию плотности распределения вероятности
от относительной скорости изменения периода и аналитическое выражение для функции изменения периода T(t)=e, рассчитывают время сейсмического удара от момента начала сейсмического процесса
y
2
1
max
<mrow><mi>b</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
и магнитуду удара из соотношения lgt [сут]=0,54М-3,37, где b - расчетный параметр наблюдаемого сейсмического процесса
, Δt=t-t - интервал времени между двумя измерениями периода T; T - максимальная длительность периода сейсмических волн наблюдаемого процесса, ч (патент РФ 2458362, G01V 9/00, 2012 г., [6]).
В результате поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся совокупностью признаков, аналогичной или идентичной совокупности признаков, характеризующей предлагаемое техническое решение, обеспечивающей при использовании достижение аналогичных технико-экономические результатов, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
P
Предлагаемый способ краткосрочного прогнозирования землетрясений реализуется следующим образом. В качестве примера было выбрано Куморское землетрясение 16 сентября 2003 г. с энергетическим классом K=14.3, магнитуда Mw=5.6. Анализировалась сейсмограмма микросейсмического шума перед землетрясением, полученная на сейсмостанции Кумора (расстояние до эпицентра 25 км) (Фиг.1).
Для данной станции был определен средний спектр микросейсмического шума. Далее выполнялся спектральный анализ 20-минутных участков записи микросейсм (Фиг.1): для них строились спектры и СВАН-диаграммы. Далее проводилось сравнение полученных текущих спектров со средним спектром. На Фиг.2 приведены примеры вариаций уровня микросейсм за 5 часов до сильного Куморского землетрясения. Явно видно понижение уровня текущего спектра микросейсм Acp относительно среднего примерно за час до землетрясения.
Помимо вариаций уровня микросейсм Acp для прогноза дополнительно также использовались следующие параметры: показатель степенной функции тренда (γ), коэффициент множественной регрессии (R). Чтобы определить параметр γ, строились графики зависимости между средним и текущими спектрами, графики аппроксимировались степенной зависимостью вида:
γ
y(x)=a·х,
В дальнейшем анализировались параметры γ и R, полученные для каждой эмпирической зависимости.
На Фиг.3 приведены примеры использования этих параметров для прогноза. Сопоставление временных вариаций уровня микросейсм и параметров γ и R говорит о том, что последние также могут быть использованы для прогноза землетрясений, т.к. понижение коэффициента множественной регрессии наблюдается для более продолжительного промежутка времени (в данном примере за 1 час 40 минут до землетрясения).
Предлагаемый способ позволяет осуществлять краткосрочный прогноз землетрясения и предпринять необходимые меры по предотвращению серьезных последствий на объектах повышенной опасности, на которых ведется сейсмический мониторинг.
Источники информации
1. Патент РФ 2269145, G01V 9/00, 2006 г.
2. Патент РФ 2181205, G01V 9/00, 2002 г.
3. А.А. Любушина. Сейсмическая катастрофа в Японии 11 марта 2011 г. Долгосрочный прогноз по низкочастотным микросейсмам (журнал «Геофизические процессы и Биосфера», 2011, т.10, №1, с.9-35.
4. Патент РФ 2077736, G01V 9/00, 1997 г.
5. Патент РФ 2106001, G01V 9/00, 1998 г.
6. Патент РФ 2458362, G01V 9/00, 2012 г.