Система измерений предвестника землетрясений

Система измерений предвестника землетрясений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение при создании полигонов геофизических измерений в сейсмоопасных регионах планеты.

К настоящему времени известно множество долгосрочных и краткосрочных признаков-предвестников, которые с разной степенью достоверности могут проявляться или не проявляться в каждом конкретном случае состоявшегося землетрясения. Достоверное предсказание могут обеспечить те методы измерений, которые основаны на установлении первопричины землетрясений. В теоретическом плане существует несколько геофизических моделей, претендующих на обоснование первопричин землетрясений [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.14-16, Модели подготовки сильных землетрясений]. Истинная модель подготовки землетрясений должна, очевидно, выявить и новый абсолютный признак-предвестник, сопровождающий все без исключения случаи.

В качестве одной из первопричин землетрясений рассматривают потерю устойчивости земной коры при ее насыщении легкими газами (водород, гелий), обильно выделяющимися из зоны подготавливаемого землетрясения накануне удара. Существуют средства для измерения избыточной концентрации водорода в атмосфере воздуха, выделяемого из очаговой зоны в процессе дегазации земной коры при ее механических напряжениях. Известна «Система измерений предвестника землетрясений», Патент RU №2275659, 2006 г., G.01.V 9/00 - аналог. Система аналога содержит измерительный канал из последовательно подключенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера накопителя, тракта передачи адресного сигнала результатов измерений в составе абонентского телефона регионального узла связи международной сети телекоммуникаций AVL, а также программируемой схемы выборки измерений, подключенной к абонентскому телефону и управляющей работой порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера накопителя.

Недостатками аналога являются:

- молекула водорода во много раз легче молекул воздуха и быстро «всплывает» в верхние слои атмосферы, так что изменения его приземной концентрации незначительны, особенно на начальной стадии процесса;

- за пределами зоны подготовки землетрясения система измерений нечувствительна.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ предсказания землетрясений» Патент RU №2270465, 2006 г., G.01.V, 9/00. Функциональная схема ближайшего аналога содержит измерительный полигон, включающий несколько измерителей наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительных базах в составе водозаборных станций с глубиной обсадных скважин до 2,5 км и дебитом воды до 0,25 л/с, в каждой из которых установлен расходомер с вычислителем расхода воды, подключенным к ПЭВМ в стандартном наборе элементов: процессор, оперативное ЗУ, винчестер, дисплей, принтер, клавиатура. Все ПЭВМ объединены в локальную сеть полигона и обеспечена синхронизация их таймеров.

Недостатками ближайшего аналога следует считать:

- отсутствие во многих сейсмоопасных регионах планеты источников с непрерывным дебитом воды из глубоких скважин и, как следствие, невозможность непосредственного использования;

- существенный интервал нечувствительности на начальной стадии процесса в силу малых амплитуд раскачки очага и инерционности носителя информации (расхода воды).

Задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении достоверного прогноза землетрясений путем выявления и измерения первичного признака-предвестника в виде акустических волн, распространяющихся от очаговой зоны при активной эманации легких газов из земной коры и перехода ее из одного фазового состояния в фазу неустойчивости перед разрывом.

Техническая задача решается тем, что система измерений предвестника землетрясений геофизического полигона с размещенными в его границах измерителями наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительной базе и подключенных к вычислительной сети компьютеров, дополнительно каждый из измерителей содержит тракт приема акустических волн из последовательно подключенных гидрофона с поворотной антенной кругового обзора, помещенных в естественный водоем полигона, политрона, спектроанализатора, детекторной секции, усилителя и аналогово-цифрового преобразователя, подключенного на вход компьютера.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - упруговязкая модель земной коры из «зерен» и нелинейных связей;

фиг.3 - функция фазовых переходов модели по одной из координат;

фиг.4 - зависимость эффективности акустического излучения от длины волны и размера «зерен»;

фиг.5 - изменение мощности акустических волн во времени;

фиг.6 - определение гипоцентра очага методом пеленгации с двух точек антенной кругового обзора.

Система измерений предвестника землетрясений геофизического полигона 1 включает естественный водоем 2 в границах полигона, измерители наблюдаемого параметра 3, разнесенные на измерительной базе 4 в составе последовательно подключенных гидрофона с поворотной антенной кругового обзора 5, политрона 6, анализатора спектра 7, детекторной секции 8, усилителя 9, аналогово-цифрового преобразователя 10, компьютера 11 в стандартном наборе элементов: процессора 12, оперативного запоминающего устройства 13, винчестера 14, дисплея 15, принтера 16, клавиатуры 17. Компьютеры объединены в локальную вычислительную сеть 18.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Установлено [см. аналог, Патент RU №2275659, фиг.3, 4, а также «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М, 1998 г., стр.27-28, рис.1, 2] что накануне землетрясения происходит активная эманация газов (водород, гелий, радон) из земной коры. Насыщение земной коры газовой компонентой приводит к изменению ее вязкоупругих характеристик. Физическая модель вязкоупругих характеристик земной коры иллюстрируется фиг.2.

Блоки земной коры контактируют через систему последовательных элементов с упругой связью. За счет насыщения газом коэффициенты упругости в связях неограниченно возрастают во времени, стремясь к обеспечению абсолютно жесткого сцепления. Однако с некоторой вероятностью за счет механических взаимодействий элементов связь между элементами в некоторый момент времени нарушается, и величина коэффициента упругости мгновенно падает до нуля, после чего вновь начинает расти.

Математическая модель вязкоупругих характеристик земной коры представлялись в виде системы дифференциальных уравнений:

i=1...n

Функции k_i(t) для всех i определяются так:

k_i(0)=0;

р - вероятность сброса упругих связей.

Условия однозначности:

В начальный момент t=0 элементы неподвижны, х_i=0, i=0...n+1

Масса m₁ совершает колебания x₀(t)=sin(ω·t);

Масса m_n+1 неподвижна, x_n+1(t)=0

Определить силу воздействия

F(t)=k_n+1(t)·x_n(t)

Решение дифференциальных уравнений осуществлялось по специально разработанной математической программе. Решения дифференциальных уравнений по одной из координат иллюстрируются графиками фиг.3. Результаты решения показали, что земная кора при ее насыщении газовой компонентой, при действующих пластовых давлениях может находиться в нескольких фазовых состояниях. Переход из одного фазового состояния в другое сопровождается непрерывным суммарным колебательным процессом. Частота колебаний и размеры «зерен» упруговязкой модели зависят от коэффициента жесткости k_i(t+αdt), который изменяется от степени насыщения земной коры газовой компонентой. Из решения дифференциальных уравнений следует, что размеры «зерен» модели изменяются от нескольких мм до сотен метров, а частота колебаний от нескольких кГц до долей Гц. Известно, что максимум акустического излучения колеблющейся диафрагмы с апертурой R удовлетворяет уравнению 2πR/λ=1, откуда R≈λ/6.

При упомянутых линейных размерах «зерен» максимум акустического излучения смещается от ультразвукового до инфразвукового диапазона. В процессе проведенного эксперимента на Камчатском геофизическом полигоне РАН зарегистрированный спектр акустических колебаний подтвердил адекватность используемой математической модели происходящему физическому процессу. Во всех фазовых состояниях земная кора остается в энергонасыщенном состоянии, а сброс энергии при землетрясении составляет единицы процентов от потенциально запасенной.

Таким образом, первопричиной землетрясений следует считать потерю устойчивости земной коры (в смысле перехода из одного фазового состояния в другое) при насыщении ее газовой компонентой в интервале действующих значений пластового давления.

Поскольку акустические волны, распространяющиеся в толще земной коры, неизбежно передаются встречающейся на пути их распространения водной среде, представляется целесообразным осуществлять их регистрацию в гидросфере. Существует целая техническая отрасль как гидроакустика, где уже решаются задачи обнаружения и селекции морских целей: кораблей, подводных лодок, косяков рыб. Для преобразования акустических волн в электрический сигнал используют гидрофоны в виде набора пьезопластин (пьезокерамики) на полых сферах или полых цилиндрах [см., например, «Физический энциклопедический словарь» под ред. А.М.Прохорова, М., Сов. энциклопедия, 1983 г., стр.122, Гидрофон, стр.120. Гидролокатор]. Селекция целей по направлению обеспечивается поворотной антенной кругового обзора гидрофона (гидролокатора), что легко выполнимо в водной среде. Дальность регистрации акустических сигналов в водной среде существующими гидроакустическими средствами составляет 15...20 км. С целью обеспечения дальности регистрации сигнала на расстояниях до сотен км в измерителе применен безэнтропийный преобразователь-усилитель-политрон. В политроне используют сверхвысокую чувствительность интерференционного поля когерентного объемного заряда электронов. Политрон выполнен на базе электронно-лучевого прибора ЛФ9П [см., например, А.И.Ставицкий, А.Н.Никитин «На одном языке с природой», С-Пб, Итан, 1997 г., рис.3 Схема включения политрона с элементом граничных условий, стр.129]. Для визуального контроля спектра генерируемых акустических волн в различных фазовых состояний земной коры применен спектроанализатор 7. Процесс нарастания пластового давления и увеличения суммарного объема эманации газов перед землетрясением сопровождается увеличением мощности акустического сигнала [см. аналог]. Динамика изменения мощности регистрируемого сигнала содержит информацию о характеристиках ожидаемого удара: времени, магнитуде. Для извлечения скрытой информации из регистрируемого сигнала осуществляют его детектирование (детектор 8), усиление (9) и преобразование в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем (10) с последующим вводом для обработки в ПЭВМ (11). Перечисленные средства: спектроанализатор, детекторная секция, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь представляют собой стандартные элементы, входящие в комплект виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO (Дания). В частности, перечисленные задачи решает многофункциональный блок, модель 3560-L.

Прогнозирование характеристик ожидаемого удара по параметрам регистрируемого сигнала в заявляемом измерителе осуществляют по регрессионным зависимостям ближайшего аналога. Для чего вычисляют постоянную времени переходного процесса (Т). Из свойств экспоненты известно, что касательная к функции экспоненты в любой ее точке отсекает от оси абсцисс отрезок равный постоянной времени Т (см. фиг.5).

Геометрический смысл первой производной - это тангенс угла наклона касательной к графику функции в точке ее вычисления. Тангенс угла наклона определяют через приращения:

tgϕ=ΔА/Δt

где ΔА=A₁-A₀ - разница двух оцифрованных отсчетов функции изменения мощности процесса (амплитуды сигнала на выходе аналогово-цифрового преобразователя);

Δt=t₁-t₀ - интервал времени изменения амплитуды сигнала на величину ΔА.

Касательная к функции, в точке ее пересечения с осью времени отсекает от оси отрезок, равный постоянной времени переходного процесса (Т). По расчетной величине (Т) прогнозируют время удара t_y≈4,7T и магнитуду удара М из соотношения lgt_y[час]=0,54М-3,37.

Координаты гипоцентра очага землетрясения определяют методом пеленгации источника из двух точек, измерителей, разнесенных на измерительной базе 4. Известно, что направление переноса энергии волновым процессом совпадает с фазовым фронтом волны в данной точке. Максимум принимаемого сигнала наблюдается при совпадении оси диаграммы направленности поворотной антенны гидрофона с направлением переноса энергии от источника (как это иллюстрируется фиг.6). Гипоцентр очага фиксируется в точке пересечения осей диаграмм направленности (максимум приема в каждом тракте измерений поворотных антенн каждого измерителя).

Процедуру реализации перечисленных операций на средствах компьютерной сети 18 осуществляют в следующей последовательности. Посредством сервисных программ, на экранах дисплеев компьютеров отображают растр кругового обзора пространства поворотной антенны гидрофона 5 в виде регистрограмм фонового уровня акустических волн. При превышении мощности шумов порогового уровня и обнаружении преимущественного направления прихода акустических волн рассчитывают по конечным приращениям наклон касательной и пеленг на источник шума. Следует ожидать, что достоверность обнаружения и измерений предвестника землетрясений заявляемой системой за счет априорного выбора диапазона акустических волн и регистрации их в водной среде будет существенно выше известных аналогов. Одновременно за счет отслеживания самого начала процесса изменений фазового состояния земной коры перед ударом достигается увеличение интервала времени упреждающего прогноза о предстоящем землетрясении.

Система измерений предвестника землетрясений геофизического полигона с размещенными в его границах измерителями наблюдаемого параметра, разнесенных на измерительной базе и подключенных к вычислительной сети компьютеров, отличающаяся тем, что каждый из измерителей содержит тракт приема акустических волн из последовательно подключенных гидрофона с поворотной антенной кругового обзора, помещенных в естественный водоем полигона, политрона, спектроанализатора, детекторной секции, усилителя и аналогово-цифрового преобразователя, подключенного на вход компьютера.