Способ мониторинга для прогнозирования сейсмической опасности
MONITORING METHOD FOR PREDICTING SEISMIC DANGER

Изобретение относится к геофизике, в частности,  к  прогнозированию землетрясений, и может быть использовано, например,  в автоматизированной системе геофизического мониторинга  (АСГМ) для прогноза времени, энергии и координат ожидаемого землетрясения.
Наиболее важной информацией для выбора пунктов мониторинга являются данные метода Естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Этот радиоволновой метод основан на возникновении локальных электромагнитных полей при механо-электрических преобразованиях  горных пород под воздействием механических нагрузок. Частота электромагнитных импульсов является индикатором процессов деформации в скрытой стадии их развития, позволяя локализовать места нарушений сплошности геологической среды. Метод ЕИЭМПЗ рекомендован Сводом правил по инженерным изысканиям (СП 11-105-97, часть IV, Москва, 2004 г.) для выполнения геодинамических исследований.
Известен способ  оперативного прогноза землетрясений,  основанный на регистрации интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) (см. статью Малышкова Ю.П., Джумабаева К.Б., Омуркулова Т.А., Гордеева В.Ф. Влияние литосферных процессов на формирование импульсного электромагнитного поля Земли, прогноз землетрясений, журнал Вулканология и сейсмология, 1998, №1, с.92-105).
В данном способе для прогноза землетрясений проводят измерения суточных вариаций интенсивности потока электромагнитных импульсов в двух взаимно перпендикулярных направлениях приема. Дату события определяют по аномальному снижению интенсивности электромагнитных импульсов, а энергию и расстояние до очага готовящегося землетрясения приблизительно оценивают по степени такого снижения и длительности периода пониженной скорости счета.
Недостатком данного известного способа является то, что в соответствии с ним  будут пропущены землетрясения, не сопровождающиеся снижением интенсивности импульсного потока в точке наблюдения. И степень снижения, и длительность периода с пониженной интенсивностью определяются двумя факторами: энергией предстоящего землетрясения и расстоянием до эпицентра, которые неизвестны на стадиях подготовки события. Поэтому при составлении прогноза из-за невозможности разделения эти факторов найденные значения энергии могут отличаться от истинных значений на четыре порядка, т.е. в 10000 и более число раз. По данному способу можно оценить только предельные значения расстояний и  сделать вывод о том, что землетрясение произойдет в определенной зоне. Для сильных землетрясений, которые представляют опасность, эта зона достигает 1000 и более километров. То есть землетрясение может произойти как на удалении в 1000 километров от станции наблюдения, так и на любом меньшем расстоянии. Такая неопределенность не позволяет обосновать решение о целесообразности или нецелесообразности объявления тревоги, проведения защитных мероприятий по обнаруженным предвестникам. При таком способе прогноза вероятность обнаружения процессов подготовки событий не превышает 80%, а вероятность ложных тревог составляет порядка (25-35) %.
Таким образом,  данный известный способ не позволяет производить прогнозирование сейсмической опасности на контролируемой территории с высокой степенью точности и достоверности.
Наиболее близким к заявленному является способ  прогноза землетрясений, предусматривающий проведение синхронных измерений интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ) в нескольких пунктах контролируемого региона. Измерения в каждой точке ведут,  не менее, чем в двух различных направлениях приема сигналов, чувствительность регистрирующей станции выбирают в соответствии с местными геофизическими условиями таким образом, чтобы регистрируемая станцией интенсивность ЕИЭМПЗ была близка по своим значениям к интенсивности типичного суточного хода ЕИЭМПЗ, выделяют территорию прогнозируемого сейсмического события по наличию скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ по сравнению с суточными вариациями ЕИЭМПЗ полей, измеренных накануне или в предыдущие годы в эти же календарные дни, в относительно сейсмически спокойные периоды,  положение эпицентра прогнозируемого землетрясения отождествляют с координатами точки, расположенной в центральной части выделенной территории и характеризующейся наиболее сильными и наступившими раньше, чем в других точках,  изменениями интенсивности ЕИЭМПЗ,  начало землетрясения прогнозируют через 10-15 суток после начала регистрации скачкообразного изменения интенсивности ЕИЭМПЗ, оценивают также энергетический класс (К) прогнозируемого землетрясения (RU 2238575 C2, 20.10.2004).
Недостатком данного известного способа является низкая точность прогноза сейсмической опасности, поскольку в составе работ этого способа не предусматривается проведение подготовительных и опережающих работ по определению  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям участков контролируемой территории для размещения пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ.
Локальные участки на поверхности Земли наиболее чувствительные к деформациям тектонического «сжатия-растяжения» – это, образно говоря, те же точки акупунктуры, что и на теле человека (сенсоры связи внутреннего и внешнего). Именно они несут наиболее достоверную информацию о готовящемся землетрясении. Их поиск для размещения пунктов мониторинга является основной задачей подготовительного этапа работ.
Невыполнение подготовительных работ по определению наиболее чувствительных  к тектоническим напряжениям и деформациям участков контролируемой территории для размещения пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ на основе геолого-географического и   сейсмотектонического (геодинамического) анализа исследуемой территории является главной причиной неудач в предсказании землетрясений.
Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанных недостатков, повышение точности и достоверности прогноза сейсмической опасности на контролируемой территории за счет  выполнения  подготовительных  работ по определению наиболее чувствительных  к тектоническим напряжениям и деформациям участков контролируемой территории для размещения на них пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ.
Предлагаемое изобретение позволит прогнозировать  землетрясения в полном объеме: более точный прогноз времени, энергии и координат эпицентра прогнозируемого землетрясения.
Указанный технический результат достигается в способе мониторинга и прогноза сейсмической опасности, предусматривающем  размещение пунктов мониторинга на контролируемой территории в определенных местах, проведение наблюдений и регистрации изменений интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ)  по сети пунктов на контролируемой территории,  на подготовительном этапе  на контролируемой территории определяют   участки, наиболее чувствительные к тектоническим напряжениям и деформациям – сейсмотектонические узлы, готовят  территориальный план размещения пунктов  мониторинга на  участках,  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям,  осуществляют заверку и уточнение мест размещения пунктов  мониторинга на этих участках  на основе данных заверочных работ по максимальным значениям параметров вариаций  суточного хода ЕИЭМПЗ.
Кроме того,  определение  сейсмотектонических узлов на контролируемой территории осуществляют  на основе анализа  предварительно собранной базы данных,   включающей   топокарты и  цифровую  структурную модель рельефа контролируемой территории, карты геологических съемок контролируемой территории, данные морфоструктурного дешифрирования разновысотных космоснимков,   карты эпицентров землетрясений и тектонических структур для контролируемой территории.
Кроме того,   на подготовительном этапе на основе анализа предварительно собранной базы данных, для определения участков, наиболее чувствительные к тектоническим напряжениям и деформациям  для размещения пунктов мониторинга производят разработку геотектонической разломно-блоковой  2D или 3D-модели  контролируемой территории и  сопоставление ее с пространственным распределением эпицентров и гипоцентров землетрясений по данным  сейсмических каталогов для контролируемой территории.
Кроме того,  база данных включает карты геомагнитных, гравитационных и геотермических съемок контролируемой территории.
Кроме того,  база данных включает данные  бурения скважин на контролируемой территории.
Кроме того,  база данных включает данные повторных геодезических измерений по линиям высокоточного повторного нивелирования и карты-схемы современных движений земной коры на контролируемой территории.
Кроме того,  база данных включает геолого-геофизические разрезы контролируемой территории на основе данных глубинных сейсмических и геоэлектрических исследований методом глубинного сейсмического зондирования, методом отраженных волн общей глубинной точки, методом магнитно-теллурического зондирования, зондирования методом становления поля.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена  схема расположения пунктов геофизического мониторинга сейсмической опасности относительно сейсмотектонических узловых структур; на фиг.2  показан пример 2-D модели земной коры в районе сочленения Памира и Тянь-Шаня.
Способ осуществляется следующим образом.
Для контролируемой территории предварительно определяют и собирают базу данных для геолого-геодезического и   сейсмотектонического (геодинамического)  анализа данной территории для   определения наиболее чувствительные к тектоническим напряжениям и деформациям участков контролируемой территории -  сейсмотектонических узлов.  База данных    включает:
-   топокарты (в масштабах 1:100000 – 1:200000) и  цифровую  структурную модель рельефа (ЦМР) контролируемой территории
- карты государственных геологических съемок контролируемой территории (в масштабах 1:50000 – 1:200000) полистной серии и объяснительной запиской к ним;
-  данные морфоструктурного моделирования разновысотных космоснимков,
- карты эпицентров землетрясений и тектонических разрывных  структур для контролируемой территории (в масштабах 1:200000 – 1:1000000) .
Анализ указанных материалов позволяет выявить участки,  наиболее чувствительные к тектоническим напряжениям и деформациям, так называемые   сейсмотектонические узлы на контролируемой территории.
На подготовительном этапе на основе анализа предварительно собранной базы данных, для определения участков, наиболее чувствительные к тектоническим напряжениям и деформациям  для размещения пунктов мониторинга производят разработку геотектонической разломно-блоковой  2D или 3D-модели  контролируемой территории (в зависимости от сложности участка) и  сопоставление ее с пространственным распределением эпицентров и гипоцентров землетрясений по данным  сейсмических каталогов для контролируемой территорию  для дополнительного уточнения территориального плана.
Выявление таких сейсмотектонических узлов  на подготовительном этапе позволит подготовить территориальный план размещения пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ  на участках,  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям.
После подготовки территориального плана размещения  пунктов мониторинга   осуществляют заверку их чувствительности к вариациям суточного хода  ЕИЭМПЗ и уточнение мест размещения пунктов  мониторинга на участках,  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям.
Оптимальное положение пункта мониторинга определяется по максимальным значениям параметров вариаций суточного хода ЕИЭМПЗ (по амплитуде и частоте следования импульсов ЭМ-эмиссии – электро-магнитной эмиссии) в пределах локального участка соответствующего сейсмотектоническому узлу.
На основе данных заверочных работ по регистрации ЕИЭМПЗ выполняется окончательная редакция территориального плана   размещения пунктов мониторинга на контролируемой территории в определенных местах и проведение режимных наблюдений   с регистрацией вариаций интенсивности естественных импульсных электромагнитных полей Земли (ЕИЭМПЗ)  по сети пунктов на контролируемой территории.
Подготовительный этап работ завершается разработкой проекта работ с уточненной редакцией  территориального плана размещения пунктов режимной сети для выполнения мониторинга очаговых зон землетрясений. План-схема составляется на сейсмотектонической основе и сопровождается пояснительной запиской.
На основном производственном этапе устанавливается и реализуется автоматизированная многоприборная система периодически повторяющихся наблюдений за динамикой ЕИЭМПЗ, которая позволяет локализовать наиболее геодинамически активные участки геологического разреза, контролировать изменение напряжённо-деформированного состояния (НДС) на контролируемой территории  (например, горного массива) и процессы трещинообразования на самых ранних стадиях подготовки землетрясений.
После анализа получаемой информации, составляются текущие ежемесячные бюллетени прогноза состояния геологической среды с оценкой её геодинамического режима (фоновый, аномальный, критический). В случае повышения фона сроки отчётности сокращаются до недельного и ежедневного в критической ситуации. Бюллетени сопровождаются пояснительной запиской с оценкой состояния геологической среды на контролируемой территории.
В процессе мониторинга выделяют аномальную зону по наличию изменения интенсивности ЕИЭМПЗ относительно интенсивности, зарегистрированной в сейсмически неактивных регионах, находящихся на расстоянии не более 1000 км от долготы контролируемого района (территории), отождествляют положение эпицентра прогнозируемого землетрясения с координатами точки, расположенной в центральной части аномальной территории и характеризующейся наиболее сильными и наступившими раньше, чем в других точках изменениями интенсивности ЕИЭМПЗ, прогнозируют возможность землетрясения, если длительность аномалии превышает 3 суток, оценивают энергетический класс (К) прогнозируемого землетрясения по формуле
0
К=3,45lg(R/R)+1,59,
где R - радиус аномальной территории с зарегистрированным скачкообразным изменением интенсивности ЕИЭМПЗ в километрах.
Ниже приведены примеры осуществления способа.
Пример 1
Работы по созданию автоматизированной системы мониторинга опасных геологических процессов на  территории горного массива на оползневом участке магистрального газопровода «Уренгой – Помары - Ужгород», размером 700х700 метров.
По статистике на анализируемом газопроводе в течение 16 лет (с 1990 по 2005 годы) а связи  геологическими процессами произошло 7 аварий с отказом, из которых 4 с разрывом трубы. Исходя из этих данных, прогнозировалось,  что в период времени с 2006 по 2017 годы на газопроводе могло бы произойти не менее 5 аварий.
Определение  сейсмотектонических узлов осуществляли на  основе анализа  предварительно собранной базы данных,   включающей  указанные ранее материалы -  топокарты и  цифровую  структурную модель рельефа контролируемой территории, карты геологических съемок контролируемой территории, данные морфоструктурного моделирования разновысотных космоснимков,   карты эпицентров землетрясений и тектонических структур для контролируемой территории.
При создании данной автоматизированной системы мониторинга,  на подготовительном этапе были также  проведены  полевые обследования контролируемой территории,   морфоструктурные, гидрологические, геохимические  и инструментально-геофизического обследования территории.
При решении задач выбора и обоснования мест размещения регистраторов пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ также были проведены геохимические, гидрогеологические исследования. Результаты сопоставлялись с данными морфоструктурного анализа и картами пространственного распределения разрушений производственной инфраструктуры этого объекта за время его эксплуатации. Итогом проведенных предварительных работ стало создание проекта сети автоматизированной системы мониторинга опасных геологических процессов, ее создание и введение в опытную эксплуатацию.
По этим результатам выбраны точки обустройства пунктов постоянного мониторинга напряженно – деформированного состояния горного массива по параметрам интенсивности ЕИЭМПЗ,  а алгоритм обработки позволил, в режиме реального времени, оценивать устойчивость оползневого склона и проводить превентивные инженерные решения для предотвращения аварийных ситуаций при эксплуатации магистрального газопровода
После внедрения в 2006 году автоматизированной системы мониторинга на контролируемой территории с оползневым склоном, на котором расположен магистральный газопровод на основании данных мониторинга газопровода, расположенного на оползневом склоне, начиная с 2006 года, 7 раз предпринимались меры по предупреждению аварий и отказов. Таким образом, с помощью системы мониторинга в течение 11 лет было предупреждено 7 аварии, что хорошо согласуется со статистическими данными по авариям.
С 2006 года было принято 7  инженерных решений и обошлось без аварийных последствий.
Пример 2
При создании системы мониторинга опасных геологических процессов на участках трассы газопровода от  с. Дзуарикау (Республика Северная Осетия Алания) до перевала Кударский (92,8 км), на предварительном этапе, были составлены карты участков опасных геологических процессов (ОГП) от 25 до 92.8 км  с учетом данных анализа предшествующих инженерно-геологических изысканий и сейсмологических исследований. Из выделенных более 20 участков ОГП, два участка отнесены к высокоактивным и опасным, требующим оперативного контроля, на которых были  обустроены пункты постоянного мониторинга напряженно – деформированного состояния горного массива по параметрам интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли ЕИЭМПЗ.
В июле месяце 2011 году на трассе магистрального газопровода «Дзуарикау-Цхинвал» был запущен в опытную эксплуатацию полигон по мониторингу напряжения и деформации  грунтов радиоволновым методом,  регистрирующим временные вариации интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ).
Природа возникновения сигнала связана с геодинамикой региона в радиусе до 800 км. В связи с этим, подготовка очага крупного землетрясения может проявляться в параметрах ЕИЭМПЗ и согласно патенту № 2238575 (Способ прогноза землетрясений), выражаться в аномальных значениях интенсивности и формы временных вариаций.
Временные вариации интенсивности сигналов с 8 октября по 20 ноября 2012 года на станции (пункте)  мониторинга, расположенной в районе 53-55 км магистрального газопровода «Дзаурикау-Цхинвал» и в 600 км от эпицентра землетрясения, произошедшего в Турции  10 ноября 2012 года были следующими.
Начиная с 10 октября,  наблюдалось значительное превышение сигнала,   с 21 октября отсутствует суточный ход, связанный с накоплением механических напряжений сжатия и это является признаком готовящегося землетрясения в радиусе 600-800 км.
В ноябре месяце по обоим станциям наблюдается отсутствие суточного хода с 6 по 10 ноября.
До 8 октября наблюдается фоновый суточный ход. С 9 по 12 октября суточный ход по приему Запад-Восток практически исчез, а с 13 октября наблюдается резкое повышение интенсивности, превышающей на порядок фоновые значения, и лишь 21 октября суточный ход опять прекратился, что является критерием предвестника.
С 29 октября суточный ход практически восстановился (до 10 имп./мин.), что свидетельствует  о снижении геодинамики в регионе.
Дальнейшее развитие событий показало, что 6 ноября 2011 года на обоих станциях пункта мониторинга на магистральном газопроводе «Дзуарикау-Цхинвал», во временных вариациях интенсивности сигналов обнаружен предвестник далекого землетрясения, в виде снижения величины интенсивности и отсутствие суточного хода. Предвестник, продолжался четверо суток (6-9 ноября), поэтому было высказано предположение, о возможном землетрясении в Турции в ближайшие 2-е суток. Как показало время,  в ночь на 10 ноября произошло землетрясение в провинции Ван на востоке Турции.
После проведения регламентных работ, интенсивность сигнала и суточный ход восстановился.
Целесообразно вести ежедневный анализ временных вариаций интенсивности ЕИЭМПЗ на пункте мониторинга, с целью прогнозирования сейсмообстановки в регионе, т.к. подземные толчки могут продолжаться несколько месяцев и спровоцировать землетрясения в ближайших районах.
Из анализа данных многолетних режимных наблюдений на геодинамических полигонах  (Гармском, Душанбекском, Бишкекском, Ашхабадском, Байкальском, Кавминводском и других) было установлено, что наиболее чувствительными к тектоническим деформациям являются участки развития трещинных структур, приуроченных к зонам двойных и тройных сочленений (пересечений) активных тектонических разломов или к их флангам.   Как правило, это активные разломы регионального или местного ранга, протяжённостью от 100-200 км до 500-1000 км согласно «Руководству по безопасности» (РБ-019-01, 2001).
Участки пересечения разломов по разным источникам определяются как «тектонические узлы», «сейсмотектонические узлы», «морфоструктурные узлы», «трубы дигазации», «параклазовые структуры» или «солитоновые структуры».
В таких трещинно-проницаемых структурах из-за воздействия процессов природной цикличности (сезонные, годовые, месячные, приливно-отливные короткопериодные и другие тектонические циклы «сжатия-растяжения») формируются переходные диффузные зоны (ПДЗ) с аномально высокой энергетической и специфическим гидродинамическим режимом (Киричек-Бондалева М.А., Коновалов Ю.Ф., 1998, ж. «Разведка и охрана недр»). В этих зонах более активно проявляются процессы эпигенеза пород, сопровождаемые механическим воздействием на геологическую среду. При подготовке сейсмического события ПДЗ активизируется на самых ранних стадиях формирования очаговой зоны землетрясения, что чётко проявляется аномалиями в полях или электромагнитной, или акустической эмиссии горных пород. В то же время на участках разломов вне узловых структур геодинамический фон более стабилен и слабо реагирует на процессы подготовки землетрясений. Именно этот факт не учитывается сейсмологическими службами при прогнозировании землетрясений.
Фиг. 1 иллюстрирует 1-5 сейсмотектонические узловые структуры для размещения пунктов мониторинга ЕИЭМПЗ.
Фиг. 2  показан пример 2-D модели земной коры в районе сочленения Памира и Тянь-Шаня. Данная модель является результатом работ на  подготовительном этапе и может быть использована при подготовке  территориального плана размещения и размещении в соответствии с ним пунктов  мониторинга сейсмической опасности. На  фиг. 2: 1 – геоблоки с различными  геодинамическими характеристиками, 2 – зона дестабилизации (участок,  наиболее чувствительный к тектоническим напряжениям и деформациям), 3 – локальные очаговые зоны землетрясений, I – полоса промежуточных структур, II – полоса структур нагнетания, III – полоса структур растяжения.
Кроме указанных выше материалов, в базу данных в зависимости от геолого-геофизической изученности контролируемой территории может быть включен целый ряд документов, которые позволят при анализе учитывать специфику контролируемой территории.
К таким документам относятся  карты геомагнитных, гравитационных и геотермических съемок контролируемой территории (в масштабах 1:200000 – 1:1000000).
База данных может включать  данные  бурения структурных, глубоких и параметрических скважин на контролируемой территории.
Кроме того,  база данных может включать  данные повторных геодезических измерений по линиям высокоточного повторного нивелирования и карты-схемы современных движений земной коры на контролируемой территории.
Кроме того,  база данных может включать геолого-геофизические разрезы контролируемой территории на основе данных глубинных сейсмических и геоэлектрических исследований методом глубинного сейсмического зондирования, методом отраженных волн общей глубинной точки, методом магнитно-теллурического зондирования, зондирования методом становления поля.
Таким образом, проектирование режимной сети мониторинга и прогнозирования сейсмической опасности с учётом наиболее точного размещения пунктов мониторинга на участках,  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям -  сейсмотектонических узлах является главным условием получения указанного технического результата.
Изобретение позволит  проследить процесс подготовки сильного тектонического землетрясения на самых ранних стадиях изменения полей напряжений и деформаций (НДС массива) с достаточной их выраженностью относительно фоновых полей природной цикличности и заблаговременно предупредить о сейсмической опасности.
Невыполнение подготовительных работ и предварительного сейсмотектонического (геодинамического) анализа исследуемой территории является главной причиной неудач в предсказании землетрясений.
Изобретение позволит повысить точность и достоверность прогноза сейсмической опасности (более точный прогноз времени, энергии и координат эпицентра предстоящего землетрясения) на контролируемой территории в среднем на 20 %  по сравнению с аналогичным способом, выбранным в качестве наиболее близкого аналога за счет того, что на подготовительном этапе  пункты мониторинга размещают  в соответствии с территориальным планом на  участках в местах,  наиболее чувствительных к тектоническим напряжениям и деформациям.