ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
MEASURING DEVICE FOR EARTHQUAKE PRECURSORS

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.
Достоверный прогноз землетрясений возможен, если измерять первопричины сейсмических процессов. Установлено, что первопричиной землетрясений является дегазация верхних слоев мантии Земли в виде восходящего, под большим давлением, потока газов: водорода, гелия, метана, радона. Факт эманации различных газов из земной коры в атмосферу накануне сейсмического удара - см. Патент RU №2497158, 2013 г.
Эманация радона (период полураспада 3,81 суток) сопровождается увеличением фонового уровня радиации и ионизацией молекул атмосферы. Ионизация молекул атмосферы приводит к образованию нескомпенсированного заряда кулоновского электричества в виде электростатического «купола» над гипоцентром очага с диаметром основания ~ 100-150 км [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции Сборник РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, стр. 27-29].
Известен ряд динамических краткосрочных признаков-предвестников землетрясений с интервалом существования от нескольких часов до 1,7 суток, см., например, «Регистратор предвестника землетрясений», Патент RU №2229736, 2004 г. - аналог. Устройство аналога содержит канал измерений из последовательно включенных функционального преобразователя-политрона и интегратора, отличающийся тем, что регистратор выполнен из двух параллельных каналов измерений, разнесенных на протяженной измерительной базе, на входы которых подключены электростатические датчики, а входы каналов подключены к дифференциальной мостовой схеме, выход которой соединен с последовательно включенными элементами: пороговой схемой, аналогово-цифровым преобразователем, буфером-накопителем и ПЭВМ, осуществляющей запись регистрируемого сигнала и синхронизацию работы перечисленных элементов через программируемую схему выборки измерений посредством закладки в нее программы измерений.
Недостатками аналога являются:
- невысокая чувствительность, большая погрешность из-за накопления систематических ошибок измерений на выходе интегратора;
- недостоверность прогноза, основанная на измерении единственного признака-предвестника - электростатического потенциала.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Система измерений предвестника землетрясений», Патент RU №2275659, 2006 г. Система измерений ближайшего аналога содержит измерительный канал из соединенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналогово-цифровому преобразователю и буферу-накопителю, в отличие от известной, в ней чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха, а буфер-накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций, в качестве которой предлагается подключить узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций AVL.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- большой участок (длительный по времени) нечувствительности при малых концентрациях водорода на начальном этапе проявления признака-предвестника, снижающий интервал времени упреждающего прогноза;
- недостоверность прогноза, основанная на измерении одного признака-предвестника.
Задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в повышении достоверности обнаружения сейсмического процесса и точности прогноза его магнитуды путем комплексирования измерений трех признаков-предвестников тремя независимыми датчиками.
Поставленная задача решается тем, что измеритель предвестников землетрясений содержит мостовую схему на постоянном токе, работающую в режиме разбалансировки, в одно из плеч которой включено сопротивление, являющееся потенциометром датчика атмосферного давления, а в другое плечо включено сопротивление датчика концентрации содержания водорода в атмосфере, измерительная диагональ моста подключена к последовательно соединенным операционному усилителю, пороговому элементу, аналогово-цифровому преобразователю, буферному запоминающему устройству, ноутбуку, соединенному с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя и буферного запоминающего устройства, пороговый элемент управляется напряжением от датчика электростатического поля атмосферы.
Изобретение поясняется чертежами, где
фиг. 1 - функциональная схема измерителя;
фиг. 2 - динамика изменения атмосферного давления над сейсмоактивной областью;
фиг. 3 - динамика изменения концентрации водорода в атмосфере над сейсмоактивной областью;
фиг.4 - динамика изменения напряженности электростатического поля над сейсмоактивной областью;
фиг. 5 - динамика изменения результирующего сигнала на выходе измерителя.
1
4
2
3
1
2
Измеритель предвестников землетрясений, фиг. 1, содержит мостовую схему 1 с запиткой от постоянного источника 2, работающую в режиме разбалансировки плеч RR и RR путем включения в первое плечо сопротивления датчика 3 атмосферного давления (R+ΔR), а во второе плечо - сопротивления датчика 4 концентрации водорода в атмосфере (R-ΔR), в измерительную диагональ моста последовательно включены операционный усилитель 5, пороговый элемент 6, аналогово-цифровой преобразователь 7, буферное запоминающее устройство 8, ноутбук 9, соединенный с программируемой схемой выборки измерений 10, синхронизирующей работу элементов 6, 7, 8 посредством закладки в нее программы измерений от ноутбука, пороговый элемент управляется напряжением электростатического датчика 11 через усилитель заряда 12.
2
2
2
Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Накануне землетрясения, в результате тектонических напряжений в земной коре, происходит активная эманация водорода в атмосферу. Атмосфера содержит 78% азота (N, молярный вес 28), 21% кислорода (О, молярный вес 32), что создает нормальное атмосферное давление 746 мм рт.ст. Поскольку молярный вес водорода Н равен 2, то изменение концентрации водорода в атмосфере воздуха на 1% изменяет атмосферное давление на () порядка 7 мм рт.ст. Зарегистрированное изменение атмосферного давления накануне состоявшегося землетрясения в районе ст. Лысогорская 21.12.1995 г. (полигон МЧС, Кавказские Минеральные воды) магнитудой 4,7 иллюстрируется графиками фиг. 2. Одновременно с эманацией газов в атмосферу (вследствие радиоактивного распада радона) происходит ионизация молекул воздуха с образованием некомпенсированного заряда кулоновского электричества, создающего электростатическое поле над зоной подготавливаемого землетрясения напряженностью (Е) нескольких кВ/м. Пример регистрации такого признака-предвестника иллюстрируется графиком фиг. 3.
Для регистрации перечисленных признаков-предвестников землетрясения в измерителе использованы три независимых датчика: датчик атмосферного давления 3, датчик концентрации водорода 4 и датчик напряженности электрического поля 6.
1
Датчик атмосферного давления 3 выполнен по схеме [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 2, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1968 г., стр. 475, рис. 19-21 в) датчик давления с сильфоном и потенциометром]. Потенциометр датчика давления включен в первое плечо измерительного моста (R+ΔR).
Датчик концентрации водорода 4 выполнен по схеме [см. Патент RU №2137115, 1999 г., «Селективный газовый сенсор»]. Рабочая характеристика газового сенсора на основе оксидных полупроводниковых пленок иллюстрируется графиком фиг. 3.
2
Для каждого типа газа изготавливается свой газовый сенсор. Электрическое сопротивление типичного газового сенсора составляет порядка 10 МОм, которое при адсорбции газовых молекул детектируемого газа в полупроводниковую пленку уменьшается примерно на порядок, в зависимости от концентрации. Сопротивление газового датчика включено во второе плечо моста (R-ΔR).
Датчик напряженности электростатического поля 11 [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 2, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1968 г., стр. 468, рис. 19-13 б), схема датчика с электретом] используется для управления пороговым элементом 6. Пороговый элемент выполнен по схеме [см. Справочник по радиоэлектронике, т. 1, под ред. А.А. Куликовского, изд. Энергия, М., 1976 г. §4.3 Электронные ключи, стр. 339-346]. «Встречное» включение сопротивлений датчиков давления и концентрации водорода в противоположные плечи моста создает максимальную разбалансировку и максимальную чувствительность измерителя, а использование порогового элемента обеспечивает необходимую достоверность обнаружения сейсмического процесса. Достоверность обнаружения сейсмического процесса зависит от величины устанавливаемого порогового напряжения схемы 6. При малой величине установленного порога велика вероятность ложной тревоги. При большой величине установленного порога возможен пропуск ожидаемого события. Существуют методы выбора оптимального порога, обеспечивающие высокую вероятность и достоверность обнаружения ожидаемого события [см., например, «Критерии риска» в книге С.А. Вакин, Л.Н. Шустов «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки», М.: Сов. радио, 1968 г., стр. 20-29]. Использование того или иного критерия, минимизирующего средний риск, легко реализуется программой, формируемой на ПЭВМ и пересылаемой в программируемую схему выборки измерений 10.
В измерителе реализованы два режима:
- сигнальный режим с высоким уровнем порога, в 3…4 раза превышающий фоновый уровень электростатического фона атмосферы;
- режим последующих непрерывных измерений суммарного сигнала.
Скорость изменения регистрируемого сигнала содержит информацию о характеристиках предстоящего сейсмического удара.
0
1
2
3
Уравнение, связывающее функцию и скорость ее изменения, является дифференциальным первой степени. Из математики известно [см. Н.С. Пискунов Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т. 1, 5-е изд., Наука, М., 1964 г., стр. 458], что общим решением линейного дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Начальными условиями для экспоненты являются постоянная времени Т и установившееся значение сигнала А. Начальные условия для их численного расчета определяют по серии последовательных во времени t, t, t отсчетов регистрации сигнала. Из свойств экспоненты следует, что
1
2
3
2
1
3
2
Динамика отслеживаемого процесса представлена экспонентой фиг. 5. Если выбрать интервал времени между последовательными измерениями t, t, t равным, т.е. t-t=t-t=Δt, то из уравнения экспоненты можно рассчитать:
у
∧
Известна зависимость Гуттенберга-Рихтера, связывающая магнитуду землетрясения (М) с временем существования предвестника (t)
у
lg t[сут]≈0,54M - 3,37
0
у
[см., например, Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических, наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр. 9-11, 13]. Время существования признака-предвестника, отсчитываемое от момента его появления, задает ожидаемое время удара. Это интервал установления параметра А отслеживаемого процесса. Из свойств экспоненты, с вероятностью 0,99, время установления составляет t=4,7Т.
В частности, для графика фиг. 6 прогнозируемые характеристики сейсмического удара составили:
- постоянная экспоненты Т=2,8 ч;
у
- ожидаемое время удара t≈13,7 ч;
- прогнозируемая магнитуда М≈5,1.
Элементы измерителя выполнены по стандартным электронным схемам и могут быть реализованы на существующей элементной базе. В качестве управляющей ПЭВМ использован Notebook фирмы Samsung, модель RC 510. Программируемая схема выборки, аналогово-цифровой преобразователь, буферный накопитель выполнены на стандартных интегральных платах, совместимых с контроллерами IBM PC/AT. Программируемая схема выборки выполнена на плате ЛА-TMS-31, буферное ЗУ выполнено на плате ЛА-20 [см., например, Якубовский Б. и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы». Справочник, М.: Радио и связь, 1990 г.]. Операционные усилители типа К1446 УД5р [см., например, Ж. Марше, Операционные усилители и их применение», пер. с французского, Л.: Энергия, 1974 г., стр. 190-194]. АЦП выполнен на многофункциональном блоке, модель 3560L фирма Bruel Kjer. Эффективность измерителя определяется такими показателями, как достоверность, точность, оперативность. Тактовая частота использованных интегральных микросхем ≈ 2,5 МГц, что при 8-разрядном стандартном (0…256) уровне квантования отсчетов обеспечивает время одного цикла 0,03 мс. Последнее не накладывает ограничений на быстродействие измерителя и позволяет дополнительно извлекать скрытую информацию в виде скорости нарастания электростатического потенциала отслеживаемого процесса. Обработка результатов, визуализация и расчет параметров признаков-предвестников, благодаря ПЭВМ, может осуществляться в темпе наблюдений.