Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СЕЙСМИЧЕСКОГО СОБЫТИЯ

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для определения возможности сейсмического события.

Известен способ определения возможности сейсмического события, при котором в сейсмоактивном районе проводят площадные наблюдения за предвестниками землетрясений разной природы, выделяют аномалии в результатах этих наблюдений, сопоставляя их с прошедшими сейсмическими событиями, выявляют прогностические признаки по каждому предвестнику и/или по комплексу предвестников и при появлении в дальнейшем этих признаков выносят заключение о возможности сейсмического события (см., например, Прогноз землетрясений, №3. Душанбе - Москва: ДОНИШ, 1984. 216 с. и Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.).

Недостатками этого способа является статистический подход к поиску предвестников землетрясений, обусловливающий вероятностный характер и недостаточную для практических целей достоверность основанного на нем прогноза. Объясняется это тем, что большинство используемых предвестников, включая сейсмические, геофизические, геохимические и гидрогеологические, опосредованы деформационными процессами, более тесно связанными с подготовкой землетрясений, т.е. несут вторичную информацию о предвестниковых деформациях земной коры, осложненную неоднородностью среды, обусловливающей мозаичность самого деформационного поля и широкий разброс тензочувствительности вторичных предвестников. В результате этого сигналы-предвестники как по величине, так и по знаку не адекватны энергетическим и пространственно-временным характеристикам готовящегося землетрясения. Другими словами, последние являются и, по-видимому, останутся всегда статистическими, а основанный на них прогноз - сугубо вероятностным, при котором достаточно высок процент ошибок типа "пропуск цели" и "ложный прогноз". Если учесть при этом, что ложный прогноз по социально-экономическим последствиям сравним с прогнозируемым событием, то перспектива практического применения, основанного на эмпирических закономерностях вероятностного прогноза землетрясений, становится проблематичной. Отсюда вытекает целесообразность перехода на наблюдения за ограниченным числом детерминированных предвестников, в первую очередь деформационных, находящихся с процессами подготовки землетрясений в неопосредованной причинно-следственной связи.

Главное преимущество деформационных предвестников перед вторичными заключается в их принципиальной неустранимости и однозначной интерпретируемости, обусловленной тем, что согласно теории между компонентами деформационного поля на дневной поверхности, измеряемыми в 3-х и более азимутах, и компонентами тензора деформаций в объеме охваченного измерениями массива существует взаимно-однозначная связь. Это означает, что любые деформационные процессы, происходящие в потенциальном очаге и связанные с подготовкой землетрясения, приводят к количественно интерпретируемым аномалиям деформационного поля в приповерхностном слое земной коры, где и располагаются измерительные приборы. Это свойство не присуще ни одному из вторичных предвестников, которые, как уже говорилось, сильно зависят от характеристик геофизической среды и при их определенных сочетаниях могут быть в принципе полностью "заблокированы" в источнике или, наоборот, неадекватно усилены (что на практике и наблюдается).

Известен также способ определения возможности сейсмического события, при котором в сейсмоактивном районе размещают измерительные станции, проводят наблюдения за предвестниками землетрясений, выявляют прогностические признаки по каждому предвестнику и/или по комплексу предвестников и при появлении в дальнейшем этих признаков выносят заключение о возможности сейсмического события (см., например, Прогноз землетрясений, №3. Душанбе - Москва: ДОНИШ, 1984. 216 с.).

Недостатками этого способа являются высокий уровень помех, обусловленный неоднородностью среды вблизи зон наблюдения, и связанные с этим трудности однозначной интерпретации результатов наблюдений, приводящие в конечном итоге к необходимости ограничиться статистической оценкой вероятности землетрясения. Кроме того, способ не учитывает особенности механизма проявления землетрясений на островах и не позволяет достоверно прогнозировать землетрясения в этих условиях.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, - обеспечение возможности достоверного определения возможности сейсмического события на островах.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности достоверного определения возможности сейсмического события на островах, в особенности на островах, расположенных вблизи глубоководных океанических разломов.

Для решения поставленной задачи способ определения возможности сейсмического события, при котором в сейсмоактивном районе размещают измерительные станции, проводят наблюдения за предвестниками землетрясений, выявляют прогностические признаки по каждому предвестнику и/или по комплексу предвестников и при появлении в дальнейшем этих признаков выносят заключение о возможности сейсмического события, отличается тем, что прогноз выполняют для материковых зон субдукции или островов, при этом предварительно выявляют разбивку контролируемой территории на отдельные блоки, причем в качестве измерительных станций используют реперные станции, выполненные с возможностью измерений их высотной отметки и/или горизонтального смещения, которые размещают как минимум по одной на блок с его стороны, обращенной в сторону, противоположную вращению Земли, при этом заключение о возможности сейсмического события делают при выявлении опускания контролируемой отметки на 0,5-1,0 м.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признаки «… прогноз выполняют для материковых зон субдукции или островов …» обеспечивают прогнозирование землетрясений на островах и краевых материковых зонах.

Признаки, указывающие, что «предварительно выявляют разбивку контролируемой территории на отдельные блоки», обеспечивают возможность надежного покрытия территории острова сетью мониторинга смещений.

Признаки, указывающие, что «в качестве измерительных станций используют реперные станции, выполненные с возможностью измерений их высотной отметки», обеспечивают возможность фиксации прогностических признаков, приближающегося землетрясения.

Признаки, указывающие, что реперные станции «размещают, как минимум по одной на блок с его стороны, обращенной в сторону, противоположную вращению Земли», обеспечивают фиксацию первого (плавного) этапа опускания одной стороны острова, по исчерпанию которого возможно резкое опускание второй его стороны.

Признаки, указывающие, что «заключение о возможности сейсмического события делают при выявлении опускания контролируемой отметки на 0,5 -1,0 м», задают величину контролируемого параметра, свидетельствующую о возможности «падения» второй стороны острова (его опускания на уровень, достигнутый первой стороной).

В основе способа лежат следующие соображения.

В качестве физической модели процесса землетрясения можно рассмотреть движение плит земной коры. Толщина островных плит 30-50 км, а континентальных - около 100 км. Плиты движутся по верхнему слою мантии - астеносфере (полупластичному слою толщиной в 75 км). Средняя скорость движения плит - 10 см в год. Вязкость астеносферы на глубине 100 км около 4×10¹⁹ м²/с, а остальной мантии около 10²¹ м²/с. Удивительно малая вязкость нижней мантии - очень важный аргумент в пользу предположения, что при движении континентальных плит, особенно имеющих горные массивы, происходит разрыв сплошности мантии и образование каверн. Размеры каверн зависят от размеров продолжения горных массивов, выступающих под нижней кромкой плиты, которые по величине соответствуют высоте горных массивов над средней высотой континентальной плиты. Образовавшиеся каверны не вызывают заметных изменений в состоянии континентальных плит, т.к. по своим размерам они значительно меньше. Но если при движении часть плиты или островная плита, линейные размеры которых соизмеримы с размерами каверны, надвинется на каверну, возможно землетрясение. При прохождении каверны островная плита передней кромкой внешне довольно незаметно опускается в каверну. Но если каверна займет более половины площади плиты, то плита упадет в каверну, как бы опрокинется назад - в обратную сторону от своего движения до прохождения каверны. Т.к. падение плиты происходит на мантию с малой вязкостью, то оно вызовет затухающие колебания, что внешне будет выглядеть как землетрясение. Причем в начальный период - в период опрокидывания - перемещение точек на поверхности плиты изменит свое направление на противоположное, и величина его будет определяться глубиной каверны и радиусом поворота точки плиты от линии опрокидывания.

Заявленный способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана схема образования каверн в магме при движении континентов; на фиг. 2-4 показаны различные стадии процесса опрокидывания плиты острова; на фиг. 5 показаны данные по движению точек плиты о. Хоккайдо до землетрясения; на фиг. 6 приведены данные по движению точек плиты о. Хоккайдо в начале землетрясения; на фиг. 7 дана возможная схема расположения датчиков на о. Парамушир.

На чертежах показаны сечение острова 1, разлом 2, каверна 3, направление ее движения 4, реперная станция 5, направление поворота 6 острова 1, эпицентр землетрясения 7, линия опрокидывания 8.

Способ определения возможности сейсмического события предусматривает размещение измерительных станций (например, реперных станций, выполненных с возможностью измерений их высотной отметки и/или горизонтального смещения) на участках материковых зон субдукции или островах. При этом предварительно выявляют разбивку контролируемой территории на отдельные блоки, в которых размещают как минимум по одной измерительной станции на блок с его стороны, обращенной в сторону, противоположную вращению Земли. Причем заключение о возможности сейсмического события делают при выявлении опускания контролируемой отметки на 0,5-1,0 м. Сигнал, предупреждающий о непосредственной опасности землетрясения, подают при изменении вектора смещений, фиксируемых на станции. Для контроля за движением земной коры можно использовать теодолитную съемку репера 5. В условиях Японии для этого используют систему IGS (международную систему геодинамического контроля), реализованную на базе GPS технологий.

В качестве примера, позволяющего оценить адекватность заявленного способа, используем данные IGS по одному из землетрясений на о. Хоккайдо. Данные по движению точек плиты о. Хоккайдо до землетрясения приведены на фиг. 5 и в начале землетрясения - на фиг. 6.

Интересно заметить, что направление горизонтального перемещения точек GPS на о. Хоккайдо с началом землетрясения поменялось на противоположное: а величина перемещений по данным IGS возрастает по мере удаления от линии опрокидывания плиты острова, которая располагается на линии меридиана, проходящего через г. Сетана, и достигает максимального значения в районе г. Немуро - 44 см.

Расчеты, проведенные с данными, зафиксированными на этом землетрясении, подтверждают работоспособность модели.

Длину плиты острова в направлении движения определим как расстояние между линией опрокидывания и эпицентром землетрясения - L. По данным о землетрясении эпицентр его находился восточнее г. Немуро на расстоянии 170 км или около 2° по широте, расстояние между линией опрокидывания и эпицентром землетрясения по широте - около 8°, что составляет около 720 км (Lпл).

Пусть толщина плиты острова - b_п=50 км (Е.В. Скляров и др. МЕТАМОРФИЗМ II ТЕКТОНИКА. Русскоязычная исследовательская группа по структурной геологии и тектонике sgt@uiggm.nsc.ru).

Город Сетана находится на линии опрокидывания и его перемещения были в основном горизонтальны и составили - L_{г. Cетана}=3 см. Угол, на который повернулась плита, рассчитаем как

tgA=L_{г. Cетана} / b_п=3 см/50 км = 6×10^-7.

Зная угол поворота плиты, можно определить горизонтальное перемещение Lэп в районе эпицентра:

Lэп=Lпл × tgA=720×6×6×10^-7=43,2 см.

Результат расчета L=43,2 см хорошо согласуется с данными системы IGS, по данным которой перемещение точек плиты о. Хоккайдо в районе эпицентра землетрясения с магнитудой 8,1 было около 44 см, и подтверждает возможность использования данного способа для контроля за землетрясениями на островах типа Хоккайдо, Тайвань с целью объявления непосредственной сейсмической тревоги при изменении направления перемещения точек островных плит на противоположное.

Набор данных по плитам островов и результатам контролируемых землетрясений, несомненно, позволит повысить точность прогноза и его надежность.

Существует возможность вообще избежать землетрясений на островах, закачивая в каверны под ними раствор, как это успешно делают при добыче газа и нефти.

Анализ данных, получаемых с реперных станций, может производиться в режиме реального времени (раз в 20-30 с) и в дежурном режиме (раз в сутки). Благодаря простоте алгоритма скорость его выполнения высокая, что позволяет оперативно начать реагировать на возникшую опасность. Замеры производятся по директории, которая определятся линией «северо-запад - юго-восток». Если данные, получаемые с датчиков, превышают установленные эталонные значения, то система переводится в режим реального времени (повышенной опасности). Замеры начинают производиться раз в 30 секунд. Также задается порог опасной разности, при превышении которого выдается сообщение об опасности землетрясения и цунами.