СПОСОБ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

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

Известно множество косвенных признаков подготовки грядущего землетрясения, такие как сдвиговые деформации земной коры, неоднородности плотности электронной концентрации в ионосфере, оптические явления в атмосфере и др., регистрируемых различными физическими методами [см., например, Т.Рикитаке. Предсказание землетрясений, перев. с англ. Мир, М., 1979, с.314-333, табл.15.13; а также "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов", Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, М., 1998, с.8-14].

Обнаружение новых признаков-предвестников, скрытых от наблюдателя, и новых способов измерений параметров, вариации которых имеют место перед землетрясениями, позволила бы повысить вероятность обнаружения очагов подготовки землетрясений и достоверность прогноза его параметров.

Известно, что процессы подготовки землетрясений, как правило, сопровождаются инжекцией в атмосферу различных газов (водорода, метана, радона) в областях разломов в земной коре, близких к эпицентру. Появление радиоактивных газов в атмосфере приводит к возникновению возмущений электростатического потенциала в атмосфере с характерными размерами 100-150 км, с напряженностью поля до нескольких кВ/м.

Известен способ краткосрочного предсказания землетрясений, включающий измерение возникающего в атмосфере над очагом землетрясения электростатического поля электрооптическими датчиками и отслеживание динамики его изменения по пространственным координатам и времени (патент RU №2227311, G01V 9/00, 2004 г.).

Способ включает операции преобразования измеряемой величины в электрический сигнал посредством крестообразной группы измерителей и формирование регистрограмм измерений по координатам E (x, t), E (y, t), расчет эпицентра очага как точки пересечения, направляющие косинусов которых cos x, cos y вычисляют через отношение производных к полному вектору программным методом через приращения вычисляют период модулирующей функции T₀=2π/ω, прогнозируют время толчка t* и магнитуду М по регрессионным зависимостям: t*≈4,7 Т₀, М≈110/Т₀ ² (час).

Недостатками способа являются:

- зависимость измеряемой напряженности электрического поля от турбулентности атмосферы и, как следствие, большая зона нечувствительности начального участка, уменьшающая интервал упреждающего прогнозирования;

- неточность регрессионных зависимостей, в частности, чем больше период Т₀, тем магнитуда ожидаемого толчка должна быть больше;

- невозможна визуализация зоны готовящегося землетрясения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ идентификации очагов землетрясений, включающий выявление сейсмоопасной территории с разломами в земной коре, получение изображения подстилающей поверхности сейсмоопасной территории в виде зависимости амплитуды А (x, y) уходящего потока инфракрасного излучения от пространственных координат, выделение контуров на изображении, расчет числовых характеристик матриц, идентификацию очаговых зон и определение параметров ожидаемого землетрясения по расчетным характеристикам матриц и динамике их изменения (патент RU 2242773, G01V 9/00, 2004 г.).

В данном способе изображения подстилающей поверхности сейсмоопасной территории получают в виде зависимости амплитуды А (x, y) уходящего потока инфракрасного излучения от пространственных координат, по двум каналам (λ₁) (λ₂), разнесенным на края диапазона, формируют синтезированную матрицу изображения из производных идентичных пикселей исходных изображений, выделяют контуры на синтезированном изображении, вычисляют фрактальную размерность и пространственный спектр Фурье фрагмента изображения внутри выделенного контура и находят среднее значение пространственной частоты F_ср, осуществляют перемножение пространственного спектра на передаточную функцию высокочастотного фильтра с граничной частотой среза, равной F_ср, обратным Фурье-преобразованием восстанавливают отфильтрованное изображение и по значению фрактальной размерности, узору рисунка изолиний полученного поля напряжений, форме выделенного контура, производят идентификацию очаговых зон.

Недостатками данного способа является низкая достоверность прогноза землетрясения, т.к. большой поток мощности отраженного солнечного излучения в инфракрасном диапазоне создает высокий фоновый уровень, что снижает чувствительность способа.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности прогноза землетрясений. Техническим результатом является повышение достоверности прогноза землетрясения за счет регистрации атмосферных признаков, характеризующих процессы подготовки землетрясений, и исключения влияния большого потока мощности отраженного солнечного излучения на результаты регистрации.

Для достижения технического результата в способе прогноза землетрясений, включающем выявление сейсмоопасной территории с разломами в земной коре, получение с летательного аппарата изображения подстилающей поверхности сейсмоопасной территории в виде зависимости амплитуды А (x, y) уходящего потока инфракрасного излучения от пространственных координат, выделение контуров на изображении, расчет числовых характеристик матриц, идентификацию очаговых зон и определение параметров ожидаемого землетрясения по расчетным характеристикам матриц и динамике их изменения, регистрируют множественные электроразрядные процессы в атмосфере над исследуемой территорией при облачности не выше 2 баллов в период после заката и до восхода солнца широкоугольной телекамерой, установленной на поворотной платформе на летательном аппарате, в обнаруженных областях выявляют посредством тепловизора, установленного соосно телекамере, зоны повышенной температуры, соответствующей газовым выделениям над разломами земной коры, отождествляют выявленные зоны по координатам летательного аппарата и углам поворота платформы с координатами очага готовящегося землетрясения, в интервал времени, соответствующий регистрации электроразрядных процессов, через равные промежутки времени производят получение изображения выявленных зон, определяют функцию П(t) нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения как отношение среднего из измеренных значений яркости m изображения выявленных зон к его среднеквадратичному отклонению σ, определяют время ожидаемого землетрясения из соотношения:

где П₀ - предельное значение функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения,

П₁, П₂, П₃ - значения функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения в моменты t₁, t₂, t₃,

Δt - интервал времени между получениями изображения Δt=t₂-t₁=t₃-t_1, час,

определяют магнитуду землетрясения из соотношения lg(t₃)=0.54 М-3.37, а координаты эпицентра отождествляют с координатами области максимальной яркости изображения выявленных зон.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются регистрация множественных электроразрядных процессов в атмосфере над исследуемой территорией при облачности не выше 2 баллов в период после заката и до восхода солнца широкоугольной телекамерой, установленной на поворотной платформе на летательном аппарате, выявление в обнаруженных областях посредством тепловизора, установленного соосно телекамере, зоны повышенной температуры, соответствующей газовым выделениям над разломами земной коры, отождествление выявленных зон по координатам летательного аппарата и углам поворота платформы с координатами очага готовящегося землетрясения, в интервал времени, соответствующий регистрации электроразрядных процессов, получение через равные промежутки времени изображения выявленных зон, определение функции П(t) нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения, определение времени и магнитуды ожидаемого землетрясения из вышеуказанных соотношений, отождествление координат эпицентра с координатами области максимальной яркости изображения выявленных зон. Это позволяет повысить достоверность прогноза землетрясения.

Уходящий поток инфракрасного излучения земли - инфракрасное излучение от приповерхностного слоя атмосферы и верхнего слоя земной поверхности, - приходится на диапазон 9-11 мкм. Анализ снимков с летательных аппаратов в инфракрасном диапазоне показал, что над разломами в земной коре наряду со стационарным уходящим потоком инфракрасного излучения возникают аномальные зоны (время существования 2-10 суток) с нестационарным уходящим потоком инфракрасного излучения. Величина температурного контраста между аномальными и фоновыми зонами достигает (2÷5)°С. Значительная площадь аномальных зон не позволяет связать их проявление только с механическими напряжениями земной коры. Повышенная эманация газов из земной коры в атмосферу в зонах подготовки землетрясений является одной из причин появления нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения. В число этих газов наряду с легкими газами (Н₂, Не) входит радиоактивный газ радон (Rn), имеющий период полураспада 3,8 суток. Эманация в атмосферу перед землетрясениями радона и его распад сопровождаются γ-излучением, вызывающим ионизацию атмосферного воздуха и появление электрических зарядов на присутствующих в нем аэрозолей. Наличие над разломами в земной коре атмосферных аэрозолей различной дисперсности стимулирует образование локальных электрогравитационных генераторов с возникновением локальных электрических полей, напряженностью (10⁴÷10⁶)В/м и локальных токов. Последние, в свою очередь, приводят к электроразрядным процессам (молнии, зарницы, огни святого Эльма) при достижении электрической напряженности значений 10⁵-10⁶ В/м, наблюдаемых в видимом диапазоне над разломами в земной коре при подготовке землетрясений.

В локальных токах имеет место нестационарное ускорение части электронов и генерация нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения при их столкновениях с нейтралами. Расчетная продолжительность всплесков токов и инфракрасного излучения при электроразрядных процессах составляет 1-10 мин. Увеличение плотности аэрозолей и концентрации радона над разломами в земной коре будет приводить к увеличению частоты всплесков токов. Интегральный эффект данного признака - предвестника землетрясений заключается в увеличении средней температуры приземного слоя атмосферы, образовании фракций быстрых электронов с энергиями до нескольких электрон-вольт, соответствующего инфракрасного излучения и увеличении, с ростом прогрева приземного слоя атмосферы, ширины инфракрасного спектра и температурного разброса по пространственным координатам в атмосфере над очагом землетрясения. В интервал времени, соответствующий регистрации электроразрядных процессов, через равные промежутки времени производят получение изображения выявленных зон. В качестве количественной характеристики нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения принято отношение среднего из измеренных значений яркости (m) изображения выявленных зон к среднеквадратичному отклонению (σ) при каждом получении изображения П=m/σ.

В качестве параметра наблюдаемого явления-предвестника используют изменение функции П(t) нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения в серии последовательно получаемых изображений выявленных зон. Изменение этой функции в процессе подготовки землетрясения описывается экспонентой П(t)=П₀(1-A(exp(t/T)) (фиг.3),

При экспоненциальной зависимости значение t₃, при котором функция П(t) достигает величины 0.99 П₀, составляет отсчитываемого от момента времени начала регистрации электроразрядных процессов. Это время соответствует времени землетрясения.

Выявление в инфракрасном диапазоне посредством тепловизора в обнаруженных областях зоны повышенной температуры, соответствующей газовым выделениям над разломами в земной коре в виде стелющегося тумана, позволяет определить зону готовящегося землетрясения, поскольку выделяющийся при эманации радон, вызывающий дополнительный нагрев атмосферы, остается в приземном слое (плотность радона 9.81 г/л на порядок больше плотности воздуха, составляющей 1.3 г/л).

Применение для регистрации электроразрядных процессов широкоугольной телекамеры, установленной на поворотной платформе, позволяет фиксировать электроразрядные процессы в видимом диапазоне на обширной территории при углах обзора +120° до -75° по ее осям вращения.

Проведение регистрации электроразрядных процессов возможно лишь при облачности не выше 2 баллов, так как при большей облачности происходит полное или частичное экранирование излучения в видимом диапазоне.

Регистрация электроразрядных процессов в период после заката и до восхода солнца исключает влияние большого потока мощности отраженного солнечного излучения на результаты регистрации, так как он отсутствует.

Установка тепловизора соосно телекамере позволяет получать результаты измерений с одних и тех же зон.

Отождествление выявленных зон по координатам летательного аппарата и углам поворота платформы с координатами очага готовящегося землетрясения позволяет повысить точность определения очага.

Для повышения достоверности прогноза землетрясения используют идентификацию (сравнение) наблюдаемых выявленных зон с эталоном. Эталонный ряд изображений создают путем апостериорного анализа изображений из архива, полученных накануне состоявшихся землетрясений.

Выделение зон максимальной яркости осуществляют программным расчетом на компьютере.

Способ прогноза землетрясений поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено изображение выявленной зоны готовящегося землетрясения, на фиг.2 - гистограммы распределения значений яркости изображения выявленной зоны готовящегося землетрясения (б) и фонового уровня (а), на фиг.3 - динамика изменения функции П(t) нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения, на фиг.4 - определение координат эпицентра землетрясения, на фиг.5 - функциональная схема устройства, в котором реализуется предлагаемый способ.

Способ прогноза землетрясений осуществляется следующим образом.

Регистрируют множественные электроразрядные процессы в атмосфере над исследуемой сейсмоопасной территорией при облачности не выше 2 баллов в период после заката и до восхода солнца. Облачность (0-2) балла считается малой (слабоэкранирующей) облачностью [Матвеев Л.Т. Физика атмосферы, Гидрометеоиздат, С.-Петерб., 2000 г., 578 с.]. Регистрацию производят широкоугольной телекамерой, установленной на поворотной платформе на летательном аппарате. В обнаруженных областях выявляют посредством тепловизора, установленного соосно телекамере, зоны повышенной температуры, соответствующей газовым выделениям над разломами земной коры. Отождествляют выявленные зоны по координатам летательного аппарата и углам поворота платформы с координатами очага готовящегося землетрясения. В интервал времени, соответствующий регистрации электроразрядных процессов, через равные промежутки времени производят получение изображения выявленных зон. Определяют функцию П(t) нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения как отношение среднего из измеренных значений яркости m изображения выявленных зон к его среднеквадратичному отклонению σ. Определяют время ожидаемого землетрясения из соотношения:

где П₀ - предельное значение функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения,

П₁, П₂, П₃ - значения функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения в моменты t₁, t₂, t₃,

Δt - интервал времени между получениями изображения Δt=t₂-t₁=t₃-t_2, час.

Затем определяют магнитуду землетрясения из соотношения lg(t₃)=0.54 M-3.37 [см. «Краткосрочный прогноз землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта РАН, M., 1998, с.8-14], а координаты эпицентра отождествляют с координатами области максимальной яркости изображения выявленных зон.

Пример конкретной реализации способа прогноза землетрясений.

Способ прогноза землетрясений может быть реализован в устройстве по схеме, представленной на фиг.5. Функциональная схема устройства, установленная на летательном аппарате 1, например на орбитальной космической станции (типа МКС), содержит установленный на ее поворотной платформе 2 приборный комплекс 3 (типа Пион), в состав которого входят соосно закрепленные широкоугольная телекамера 4 (типа Астра) и тепловизор 5. Поворотная платформа 2, выполненная двухосной, в автоматическом или ручном режиме управления обеспечивает обзор ночного горизонта в период после заката и до восхода солнца с углами от +120° до -75° по ее осям вращения. Специализированное программное обеспечение измерений комплекса «Пион» в файле сеанса измерений выделяет служебную информацию в виде координат летательного аппарата и углам поворота платформы по осям Х и Y. Координаты (X, Y) летательного аппарата определяются посредством системы GPS. Углы поворота платформы автоматически отображаются в телеметрическом канале комплекса «Пион». Регистрация множественных электроразрядных процессов (молний электрических разрядов) в атмосфере в период после заката и до восхода солнца осуществляется широкоугольной камерой. Эта регистрация производится при облачности не выше 2 баллов. В обнаруженных областях выявляются посредством тепловизора, установленного соосно телекамере, зоны повышенной температуры, соответствующие газовым выделениям над разломами земной коры.

Результаты измерений тепловизора записываются на бортовой магнитофон 6 (типа Нива) и в сеансах видимости сбрасываются по видеоканалу 7 передачи данных на наземные пункты 8 приема информации (ППИ), где записываются на видеомагнитофон 9 (типа Арктур). Включение видеоканала 7 на передачу в запланированных сеансах связи осуществляется посредством бортового комплекса управления 10 путем закладки в него суточных программ или разовых команд по радиолинии управления 11 из центра управления полетом 12. Зарегистрированная информация перегоняется по наземным линиям связи с ППИ в Геофизический Центр Глобальных катастроф 13 МЧС, где создается долговременный архив полученных изображений на базе стримеров типа FT-120.

По результатам состоявшихся землетрясений из архива 14 воспроизводятся характерные изображения зон готовящихся землетрясений, полученных за 2-3 суток до события. Из них формируется эталонный каталог изображений подстилающей поверхности сейсмоопасной территории для состоявшихся землетрясений, который следует использовать для априорной визуальной идентификации зон готовящихся землетрясений. Выявленная зона готовящегося землетрясения иллюстрируется на фиг.1. Поскольку функция яркости изображения обычно квантуется в шкале (0-255) уровней, то увеличение количества светлых пикселей эквивалентно увеличению температуры подстилающей поверхности выявленных зон. Гистограмма распределений пикселей изображений по яркости а) фона, б) аномалии иллюстрируется фиг.2. Повышение температуры в атмосфере над выявленными зонами готовящегося землетрясения сопровождается увеличением среднего из измеренных значений яркости изображения в данный момент времени и уменьшением его дисперсии (фиг.3).

В результате измерений в моменты времени t₁, t₂, t₃ получены следующие средние значения яркости изображений m₁=81, m₂=97, m₃=110 и их среднеквадратичные отклонения σ₁=43, σ₂=37, σ₃=36 и соответствующие им значения функции нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения П₁=1,9; П₂=2,6; П₃=3,1. Предельное значение функции потока П₀=5,5. Ожидаемое время толчка t₃=2,7 сут, магнитуда М=7.1.

Координаты эпицентра очага отождествляются с координатами области максимальной яркости изображения выявленных зон (фиг.4).

Обработка полученных изображений осуществляется на компьютере 15 в стандартном наборе элементов: процессора 16, оперативного запоминающего устройства 17, винчестера 18, дисплея 19, принтера 20, клавиатуры 21. Результаты обработки помещаются в базу данных и выдаются на сервер 22 сети ИНТЕРНЕТ для потребителей-пользователей по паролю доступа. Программа выделения зон максимальной яркости на изображениях была предварительно записана в оперативного запоминающего устройства 17 компьютера 15.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность прогноза землетрясений за счет регистрации атмосферных признаков, характеризующих процессы подготовки землетрясений. Кроме того, соотношение сигнал-шум нестационарного уходящего потока инфракрасного излучения выше в период после заката и до восхода солнца, чем в дневное время, т.к. большой поток мощности отраженного солнечного излучения в период после заката и до восхода солнца отсутствует. Способ позволяет контролировать обширные территории и позволяет прогнозировать землетрясение за несколько суток. Эффективность заявленного способа характеризуется такими показателями как глобальность, оперативность, достоверность, документальность. При штатной работе МКС по предложенной технологии представляется возможным упреждающее оповещение населения о предстоящем землетрясении примерно за сутки, с передачей документальных материалов в центр МЧС.