Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ЦЕНТРА ОЖИДАЕМОГО СЕЙСМИЧЕСКОГО УДАРА

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдений и обработки данных измерений для прогнозирования землетрясений.

Основной проблемой при прогнозировании землетрясений является обнаружение и измерение достоверных, устойчивых признаков-предвестников. Среди краткосрочных устойчивых предвестников выявлено явление раскачки очага землетрясения, сопровождаемое распространением от гипоцентра очага сверхнизкочастотных литосферных волн [см., например, Научное открытие №365 «Явление раскачки очага землетрясения перед сейсмическим ударом», Бюллетень, Научные открытия, 2009 г., РАЕН, М. - Санкт-Петербург, стр.66-68].

Известно техническое решение «Способ предсказания землетрясений», патент RU №2170446, 2001 г., - аналог, в котором осуществляют измерения сверхнизкочастотных литосферных волн раскачки очага землетрясения средствами GPS.

В способе-аналоге размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат (x_i, y_i, z_i) точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений Δх_i, Δy_i, Δz_i координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют гипотетический фазовый центр волн как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов которых определяют из соотношений:

дл.

и отождествляют его с центром очага, а время удара (t_x). отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек и магнитуду (М) ожидаемого землетрясения вычисляют на основе регрессионных зависимостей: , , где Т - период отклонения координат, час; dekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координат двух смежных периодов; d, l - коэффициенты регрессии.

Недостатками аналога следует считать:

- неадекватность регрессионных зависимостей измеряемому физическому процессу, поскольку измеряемый период отклонения координат (Т) изменяется во времени;

- существенный интервал нечувствительности системы GPS, ограниченный среднеквадратической ошибкой измерений в десятки см, что сокращает время упреждающего прогноза;

- недостоверность определения координат центра сейсмического удара, поскольку последний, как правило, не совпадает с фазовым центром литосферных волн.

Литосферные волны характеризуются изменением давления (сгустки-разряжения) во фронте волны. Поскольку давление передается во все стороны одинаково, то изменение давления приводит к изменению дебита воды в специально пробуренных для этих целей водозаборных скважинах. Известно техническое решение, в котором в качестве наблюдаемого параметра используют дебит воды оборудованных скважин с нескольких горизонтов на Камчатском геофизическом полигоне [см., например, патент RU №2270465, 2006 г., «Способ предсказания землетрясений» - ближайший аналог].

Устройство ближайшего аналога содержит измерительный полигон, включающий несколько измерителей наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительных базах, в составе водозаборных станций, находящихся в различных геолого-структурных условиях, с глубиной скважины от 600 м до 2,5 км, с дебитом воды от 0,1 до 0,25 л/с, в каждой из обсадных скважин установлен преобразователь-расходомер и вычислитель массового расхода воды, подключенные к ПЭВМ в стандартном наборе элементов: процессора-вычислителя, винчестера, оперативного ЗУ, таймера, дисплея, принтера, клавиатуры. Все ПЭВМ объединены в локальную сеть полигона и обеспечена синхронизация их таймеров.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- существенный интервал нечувствительности измерителя (расходомера) дебита воды из скважин при малых амплитудах изменения давления литосферных волн;

- неточность прогноза координат центра сейсмического удара из-за неточности измерения времени запаздывания сигналов в разнесенных точках пространства по фазе длиннопериодных литосферных волн, поскольку их период составляет ≈10³…10⁴сек, при разнице времен запаздывания единицы сек.

Задача, решаемая заявленной системой измерений, состоит в достоверном прогнозе центра сейсмического удара ожидаемого землетрясения путем непрерывного расчета вероятности землетрясения в каждой точке вектора раскачки очага землетрясения, относительно фазового центра литосферных волн.

Поставленная задача решается тем, что система измерений центра ожидаемого сейсмического удара содержит два, в разнесенных по пространству пунктах, пеленгатора фазового центра литосферных волн раскачки очага землетрясения, каждый из пеленгаторов выполнен на двух парах автодинных измерителей, в режиме попарной взаимной синхронизации посредством радиоканалов, размещенных на ортогональных и равных измерительных базах, образующих две прямоугольные системы координат (х, у), повернутые в пространстве относительно друг друга на острый угол, каждый из измерителей пары содержит последовательно подключенные СВЧ автогенератор в режиме затягивания частоты, волноводный тракт, в котором размещены направленный ответвитель, аттенюатор, фазовращатель, рупорная антенна, к направленному ответвителю подключена волноводная секция, с регулированием амплитуды сигнала в ней аттенюатором, короткозамкнутая на конце, образующая объемный резонатор, нагруженный на частотный детектор, к выходу которого последовательно подключены аналогово-цифровой преобразователь, устройство ввода сигнала в компьютер в составе элементов: процессора, винчестера, оперативного ЗУ, дисплея, принтера, клавиатуры, результаты обработки сигналов на компьютере выведены на сервер сети «Интернет».

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема системы измерений;

фиг.2 - синхронизация частоты автогенератора в режиме затягивания внешним сигналом;

фиг.3 - семейство кривых затягивания частоты автогенератора СВЧ;

фиг.4 - пеленгация фазового центра литосферных волн и определение вектора раскачки очага;

фиг.5 - изменение периода и амплитуды регистрируемых литосферных волн во времени;

фиг.6 - гистограмма вероятности землетрясения от относительной деформации земной коры;

фиг.7 - плотность вероятности землетрясения от относительного изменения периода литосферной волны.

Система измерений центра ожидаемого сейсмического удара (фиг.1) содержит пеленгаторы 1, 2 в разнесенных по пространству пунктах, каждый из пеленгаторов выполнен на двух парах автодинных измерителей 3, 4 и 5, 6, связанных между собой радиоканалами 7, 8 и соответственно 9, 10 взаимной синхронизации. Каждая из пар измерителей размещена на ортогональных базах и образует прямоугольную систему координат (х, y). Относительно друг друга прямоугольные системы координат пеленгаторов повернуты на острый угол.

Каждый из измерителей пары 11 содержит последовательно подключенные СВЧ автогенератор 12, в режиме затягивания частоты, волноводный тракт 13, направленный ответвитель 14, аттенюатор 15, фазовращатель 16, рупорную антенну 17.

К направленному ответвителю 14 подключена волноводная секция 18, короткозамкнутая на конце и образующая объемный резонатор 19, нагруженный на частотный детектор 20, с регулируемой амплитудой сигнала на частотном детекторе посредством аттенюатора 21.

Сигнал с выхода частотного детектора квантуют аналогово-цифровым преобразователем 22 и подают через устройство ввода 23 в компьютер 24 в составе элементов: процессор 25, винчестер 26, оперативное ЗУ 27, дисплей 28, принтер 29, клавиатура 30. Результат обработки сигналов выводят на сервер 31 сети «Интернет»

Динамика взаимодействия элементов измерителя заключается в следующем. Земная кора находится под большим литостатическим давлением собственного веса. Из механики известно, что системы с большой потенциальной энергией, имеющие несколько степеней свободы, статически неустойчивы. К таким системам относится очаг землетрясения, т.к. деформированный объем породы ничем не ограничен в своем движении по координатам. Дегазация земной коры в виде восходящего потока газов высокого давления сопровождается накачкой литосферы дополнительной энергией. Вследствие асимметрии приложения комбинации различных сил возникает момент, приводящий к раскачке очага землетрясения. Из механики также известно, что движущееся тело имеет свойство сохранения плоскости движения. Каждый раз вектор движения раскачки очага может иметь случайное направление. Но возникнув однажды, он сохраняет только одну плоскость, вплоть до сейсмического удара. Причем центр сейсмического удара, как правило, не совпадает с фазовым центром литосферных волн, который находится на линии вектора движения. Разрывные деформации земной коры, вследствие динамического напора колебательной массы (по статистическим данным), фиксируются по краям зоны подготавливаемого землетрясения.

При возникновении литосферных волн раскачки очага землетрясения изменяется длина базы (длина радиолинии) между двумя, закрепленными на местности, антеннами пар измерителей на величину Δ1 - десятые доли мм, в то время как среднестатистическая ошибка измерений средствами GPS составляет десятки см, а для системы ГЛОНАСС ошибка составляет порядка 1 м.

В режиме затягивания частоты достигается совмещение передающего и приемных трактов. Такие системы получили название автодинных. В автодинных системах автогенератор и объект образуют квазиединую систему, содержащую переменный параметр меняющегося между ними расстояния Δ1.

Воздействие внешнего электромагнитного поля с частотой f_вн на автогенератор с частотой f₀ в некоторой полосе ΔF=f_вн-f₀, называемой полосой захвата, приводит к изменению (девиации Δf) генерируемой автогенератором частоты. Если автогенератор находится в режиме затягивания, наступает синхронизация генерируемых колебаний. Процесс синхронизации колебаний автогенератора внешним сигналом иллюстрируется (фиг.2) [см. «Справочник по радиоэлектронике», т.2./ Под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968 г., стр.32-34, рис.12.50].

В радиолинии амплитуда волны убывает обратно пропорционально расстоянию до объекта, поэтому получить амплитуду отраженной волны, соизмеримой с падающей, невозможно. При малых значениях коэффициента отражения, приближенное значение для девиации частоты автогенератора Δf имеет вид:

где

ΔF - коэффициент затягивания частоты, паспортная характеристика электронного прибора, например, для СВЧ автогенератора на туннельном диоде Ганна Ф 225, ΔF≈50 МГц;

Р_в - мощность сигнала внешнего синхронизирующего генератора;

Р_о - мощность сигнала ведомого автогенератора;

- фаза расстройки между частотами синхронизованных генераторов, зависящая от изменения длины (радиоканала) измерительной базы между ними на Δl

[см., например, Бычков С.И. и др. «Стабилизация частоты генераторов СВЧ», Сов. Радио, М., 1962 г., стр 73-83].

На фиг.3 представлено семейство кривых затягивания частоты твердотельного генератора СВЧ, выполненного на туннельном диоде Ф 225.

Таким образом, при возникновении литосферных волн раскачки очага землетрясения изменяется длина базы между двумя, закрепленными на местности антеннами автогенераторов, на Δl. Изменение Δl вызывает изменение фазы и девиацию синхронизованной частоты Δf, которая выделяется частотным детектором (20). Осуществляя частотное детектирование сигналов автогенераторов, напряжение на выходе которых пропорционально изменению длин соответствующих баз, определяют положение радиус-векторов в пространстве. Фазовый центр литосферных волн находят как точку пересечения радиус-векторов пеленгаторов 1, 2. Пеленгация фазового центра литосферных волн иллюстрируется фиг.4.

Положение радиус-векторов в пространстве полностью определяются косинус-направляющими. В прямоугольной системе координат, задаваемой ортогональными парами измерителей (3, 4, 5, 6), косинус-направляющая вектора равна отношению его проекции (Пр) на данную ось к длине вектора. Длины векторов R₁, R₂ (фиг.4) находятся как корень квадратный из суммы проекций:

Проекции радиус-векторов пропорциональны сигналам на входе детекторов (20).

Плоскость движения результирующего вектора раскачки очага R_∑ определяют сложением векторов , .

Реально измеренный вектор раскачки очага землетрясения иллюстрируется графиком фиг.5 (см. аналог).

Кроме направления в пространстве, литосферная волна характеризуется периодом (Т) и амплитудой, которые увеличиваются во времени.

В процессе раскачки очага землетрясения изменяется консолидированная масса земной коры, вовлекаемой в колебания. Скорость изменения консолидированной массы зависит от структуры земной коры, скорости дегазации литосферы, характеристик разломной зоны, в общем, является величиной не измеряемой. Измеряемыми величинами являются период (Т) и амплитуда сигнала во времени. Земная кора терпит разрыв при относительных деформациях ε=Δх/х порядка 10^-4 [см., например, Рикитаке Т. «Предсказание землетрясений», пер. с англ., М.: Мир, 1979 г., стр.306..309].

Гистограмма распределения вероятностей разрывных относительных деформаций (ε) земной коры, по упомянутым данным, иллюстрируется фиг.6. Если динамический напор колебательной массы (F=mа) превосходит силу упругости породы (F=-kx), то происходит разрыв.

Из законов Ньютона и Гука, приравняв силы (mа=-kx) и с учетом того, что угловая скорость ω связана с периодом колебаний , ускорение (а) пропорционально квадрату угловой скорости (где с - жесткость породы) и относительных ошибок, вычисленных через дифференциалы соответствующих функций, получено: пропорционально .

Путем функциональных преобразований (из графика фиг.6) получена плотность распределения вероятности землетрясения от относительного изменения периода литосферных волн , график фиг.7.

Таким образом, информация о вероятности ожидаемого землетрясения содержится в относительном изменении периода литосферных волн, что иллюстрируется графиком фиг.5. В начале процесса T₁=2,5 час, затем Т₂=3 час, Т₃=3,5 час,… Соответственно изменяется и вероятность землетрясения от соотношения . Для точки 1, , P₁=0,85; для точки 2, , P₂=0,93.

Известны соотношения Гутенберга-Рихтера, связывающие время существования предвестника t_y[сут] с магнитудой ожидаемого сейсмического удара [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.10, стр.13]:

lg t_y [сут]=0,54 М - 3,37, для предвестника в виде сейсмических волн;

lg R [км]=0,46 М - 0,35, для размеров (R) зоны накапливаемой деформации.

Время существования предвестника рассчитывают непосредственно по параметрам регистрируемой литосферной волны, фиг.5.

Из математики известно [см., например, Пискунов Н.С. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов. Учебник, т.1, 5-е издание, М., Наука,1964 г., стр.457-458], что сама функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным отсчетам может быть восстановлена вся функция и определен предел (Т_о), к которому стремится экспонента:

В частности, для значений периодов T₁=2 час, T₂=3 час, T₃=3.5 час (фиг.5, 7) расчетная величина

Отсюда, время существования предвестника, рассчитываемое как:

[см., например, патент R_u №2377/602, 2009 г.] составит:

Ожидаемая магнитуда сейсмического удара: lg [t_y=2,16]=0,54 М-3,37; М≈5,8 балла.

Размеры очаговой зоны подготавливаемого землетрясения:

lg R [км]=0,46×5,8-0,35=2,09; R≈126 км.

Таким образом, последовательность операций определения центра ожидаемого сейсмического удара включает:

- пеленгацию системой измерений из двух разнесенных пунктов фазового центра литосферных волн (как это иллюстрируется на фиг.4) и определение результирующего вектора R_Σ раскачки очага землетрясения;

- в соответствии с координатами измерителей, нанесение направления колебаний вектора, проходящего через фазовый центр, на карту местности;

- очерчивание границ очаговой зоны ±63 км от фазового центра на карте местности;

- отождествление разрывов земной коры по границам зоны с моментами, когда вектор колебаний направлен во внутрь зоны, т.е. когда инерционная масса коры отстает от скорости колебаний очага;

- отслеживание вероятности сейсмического удара по непрерывному измерению соотношения и пересечению амплитуды вектора оси t (фиг.5, точки 1, 2, 3…).

Все элементы измерителя выполнены по известным электронным схемам и на существующей элементной базе. В частности, элементы автодинного измерителя выполнены по схеме [см., например, Давыдов В.Ф. «Землетрясения. Телеметрия предвестников». Монография, М.: изд. МГУЛ, 2001 г., стр.37. Схема лабораторной установки «Рифма», рис.21].

Поскольку чувствительность автодинных измерителей по измерению приращения расстояния между ними Δl составляет порядка десятых долей мм, то эффективность заявленного измерителя по точности прогнозируемых параметров сейсмического удара превосходит известные аналоги.