Система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений

Система содержит сеть измерительных постов 1 с блоком 2 ферромагнитных датчиков предвестников землетрясений (ПЗ), размещенных на сейсмоопасной территории Земли и соединенных через спутниковую систему 3 связи и/или мобильную сеть регионального оператора связи с центральной станцией 4 обработки сигналов ПЗ. Блок 2 ферромагнитных датчиков ПЗ измерительных постов 1 установлен на глубине не менее чем на пятьдесят метров от поверхности Земли и содержит ферромагнитный датчик 2.1 растяжения и смещения пород Земли, ферромагнитный датчик 2.2 температуры внутри Земли, ферромагнитный датчик 2.3 напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли и/или ферромагнитный датчик 2.4 инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ в электромагнитный сигнал. Система обладает повышенной надежностью прогноза момента начала и местоположения землетрясений за счет использования ферромагнитных датчиков повышенной чувствительности. 4 з.п.ф, 7 ил.

Полезная модель относится к системам контроля сейсмической обстановки и своевременного прогнозирования землетрясений, цунами или извержения вулканов.

Известны системы для контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений [1-16], базирующиеся на аналоговых первичных датчиках измерения магнитуды продольных и поперечных колебаний земной коры, вызванных сдвиговым напряжением породы при извержении вулканов, искусственных взрывов, осуществляемых с целью геологоразведочных работ. Применяются на сейсмических станциях так же и другие датчики, осуществляющие контроль изменения геомагнитного поля, напряженности электрического поля, анализаторы изменения состава атмосферы, радиации и др.

Наиболее близким из известных технических решений по назначению и технической сущности к заявленной полезной модели относится система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений [16], содержащая сеть измерительных постов с блоком датчиков предвестников землетрясений (ПЗ), размещенных на сейсмоопасной территории Земли и соединенных через спутниковую систему связи или мобильную сеть регионального оператора связи с центральной станцией обработки сигналов ПЗ, которая содержит последовательно соединенные блок обработки сигналов ПЗ, пороговое устройство и блок выдачи сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении. При этом блок датчиков ПЗ включает модули измерения сейсмических сигналов ПЗ, модули измерения геофизических сигналов ПЗ, модули измерения геодезических сигналов ПЗ и модули измерения геохимических сигналов ПЗ.

Недостатком этой системы является относительно невысокая надежность прогнозирования момента начала и местоположения землетрясений, несмотря на увеличенное число видов датчиков ПЗ. Это связано со следующим:

Во-первых, в известной системе отсутствует спектральный анализ принимаемых сигналов ПЗ и, как следствие, невозможна синхронизированная взаимно корреляционная обработка амплитудно-частотных характеристик принимаемых сигналов различными по природе датчиками в реальном масштабе времени.

Во-вторых - игнорируется информация, которую несут шумовые сигналы магмы на глубинах 50-100 м и более. Именно в спектрах шумовых сигналов магмы заключена основная информация о характере и развитии процессов в сейсмоопасных районах. В настоящее время шумовые сигналы воспринимаются как помехи.

В третьих, измерение и анализ параметров сигналов ПЗ не связаны с гравитационным глобальным воздействием на планету Земля ближайшего ее спутника Луна (имеются ввиду приливные гравитационные воздействия, играющие роль «спускового механизма» для инициирования землетрясений).

Указанные выше недостатки в измерении и первичной обработке физических параметров внешнего воздействия на датчики приводят к значительному разбросу в оценках прогноза момента начала и местоположения землетрясения.

Задачей полезной модели является повышение надежности прогноза момента начала и местоположения землетрясений. Техническим результатом - повышение точности измерений сигналов ПЗ.

Достижение заявленного технического результата и как следствие решение поставленной задачи обеспечивается тем, что система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений, содержащая сеть измерительных постов с блоком датчиков предвестников землетрясений (ПЗ), размещенных на сейсмоопасной территории Земли и соединенных через спутниковую систему связи или мобильную сеть регионального оператора связи с центральной станцией обработки сигналов ПЗ, которая содержит последовательно соединенные блок обработки сигналов ПЗ, пороговое устройство и блок выдачи сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении, согласно полезной модели блок датчиков каждого измерительного поста установлен на глубине не менее чем на пятьдесят метров от поверхности Земли и содержит ферромагнитный датчик растяжения и смещения пород Земли, ферромагнитный датчик температуры, ферромагнитный датчик напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли и/или ферромагнитный датчик инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ, а блок обработки сигналов ПЗ центральной станции выполнен в виде цифрового коррелятора электромагнитных излучений ферромагнитных датчиков ПЗ.

При этом ферромагнитный датчик растяжения и смещения пород Земли выполнен в виде ферромагнитной пленки толщиной 10-100 мкм, установленной на гибкой подложке и снабженной сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке. Ферромагнитный датчик напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли содержит диэлектрический элемент в форме куба или прямоугольного параллепипеда, на ортогональных поверхностях которого нанесены ферромагнитные пленки, снабженные напыленными и перпендикулярно ориентированными относительно друг друга на его поверхностях сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения. Ферромагнитный датчик инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ содержит корпус, внутри которого подвешен механический маятник с магнитом над ферромагнитной пленкой, снабженной сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке. Ферромагнитный датчик температуры содержит ферромагнитную пленку, установленную на биметаллической подложке в поле постоянного магнита и снабженную сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке.

Выполнение датчиков ПЗ ферромагнитными согласно [17÷19] позволяет более чем на порядок повысить чувствительность датчиков ПЗ по комплексу параметров ПЗ: смещению и растяжке земной коры; по регистрации изменения напряженности магнитного поля Земли и направления его магнитных силовых линий; по регистрации изменения температуры; по регистрации инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ. Следствием этого является повышение точности измерений сигналов ПЗ и надежности прогноза землетрясения.

Заглубление блока ферромагнитных датчиков в землю на глубину не менее чем на пятьдесят метров от поверхности Земли позволяет исключить влияние транспортных и индустриальных помех на регистрацию сигналов ПЗ. Одновременно такое заглубление позволяет регистрировать шумы магмы Земли и использовать их шумовые всплески для оперативной регистрации начала и места землетрясений. Выполнение блока обработки сигналов ПЗ центральной станции в виде цифрового коррелятора электромагнитных излучений ферромагнитных датчиков ПЗ дополнительно позволяет увеличить точность измерений момента начала и местоположения землетрясений.

На фиг.1 представлена функциональная схема системы контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений через спутниковую систему связи, на фиг.2 - конструкция измерительного поста, на фиг.3 - функциональная схема центральной станции обработки сигналов ПЗ, на фиг.4÷7 - примеры конструкции ферромагнитных датчиков ПЗ различного назначения.

Система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений содержит сеть измерительных постов 1 с блоком 2 ферромагнитных датчиков предвестников землетрясений (ПЗ), размещенных на сейсмоопасной территории Земли и соединенных через спутниковую систему 3 связи и/или мобильную сеть регионального оператора связи с центральной станцией 4 обработки сигналов ПЗ. Блок 2 ферромагнитных датчиков ПЗ измерительных постов 1 установлен на глубине не менее чем на пятьдесят метров от поверхности Земли и содержит ферромагнитный датчик 2.1 растяжения и смещения пород Земли, ферромагнитный датчик 2.2 температуры внутри Земли, ферромагнитный датчик 2.3 напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли и/или ферромагнитный датчик 2.4 инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ. При этом ферромагнитный датчик 2.1 растяжения и смещения пород Земли выполнен в виде ферромагнитного преобразователя механической энергии растяжения пород в энергию электромагнитное излучения и содержит ферромагнитную пленку 2.1.1 толщиной 10-100 мкм, установленную на гибкой подложке 2.1.2 и снабженную сигнальной обмоткой 2.1.3 и обмоткой 2.1.4 возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке 2.1.3. Ферромагнитный датчик 2.2 температуры содержит ферромагнитную пленку 2.2.1, установленную на биметаллической подложке 2.2.2 в поле постоянного магнита 2.2.3 и снабженную сигнальной обмоткой 2.2.4 и обмоткой 2.2.5 возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке 2.2.4. Ферромагнитный датчик 2.3 напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли содержит диэлектрический элемент 2.3.1 в форме куба или прямоугольного параллепипеда, на ортогональных поверхностях которого нанесены ферромагнитные пленки 2.3.2, снабженные перпендикулярно напыленными на их поверхность сигнальной обмоткой 2.3.3. и обмоткой 2.3.4 возбуждения. Ферромагнитный датчик 2.4 инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ содержит корпус 2.4.1, внутри которого подвешен механический маятник 2.4.2 с магнитом 2.4.3 над ферромагнитной пленкой 2.4.4, снабженной сигнальной обмоткой 2.4.5 и обмоткой 2.4.6 возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке 2.4.5. Сигнальные обмотки и обмотки возбуждения ферромагнитных датчиков 2.1÷2.4 соединены соответственно через блок 2.5 аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, а также через интерфейсную оптическую или проводную линию 5 связи с управляющей ЭВМ 6 поста 1. Сигнальные и управляющие выходы ЭВМ 6 соединены через приемопередающее устройство 7 спутниковой системы 3 связи или региональной мобильной связи со станцией 4. Станция 4 содержит последовательно соединенные блок 4.1 обработки сигналов ПЗ, пороговое устройство 4.2 и блок 4.3 выдачи сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении. Блок 4.1 выполнен в виде цифрового коррелятора электромагнитных излучений ферромагнитных датчиков ПЗ. Пороговое устройство 4.2 выполнено в виде блока схем сравнения текущих значений сигналов ПЗ с предельно допустимыми их значениями. Блок 4.3 выдачи сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении выполнен в виде цифрового модуля, снабженного программой ранжирования угроз и расчета координат ожидаемых землетрясений. В предпочтительном варианте исполнения блоки 4.1÷4.3 выполнены в виде цифровых модулей, установленных на двунаправленной шине 4.4 сопряжения, соединенной с управляющей ЭВМ 4.5 и вводно-выводным устройством 4.6 сигнальной и картографической информации.

Система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений работает следующим образом.

Управляющая ЭВМ 4.5 центральной станции 4 обработки сигналов ПЗ через линию 3 связи с заданным темпом обновления проводит опрос измерительных постов 1 о сейсмической обстановке в районе их расположения. При этом ЭВМ 6 измерительных постов 1 в свою очередь вырабатывает в цифровой форме собственные импульсные сигналы опроса, которые через линию 5 связи и цифроаналоговый преобразователь 5 подаются на обмотки возбуждения 2.1.4, 2.2.5, 2.3.4, 2.4.6 ферромагнитных датчиков ПЗ блока 2. При этом магнетоны Бора соответствующих ферромагнитных пленок 2.1.1, 2.2.1, 2.3.2, 2.4.4 разворачиваются вдоль силовых линий магнитного поля указанных обмоток возбуждения. При этом магнетоны переходят на повышенные энергетические уровни. После окончания опроса под воздействием текущего состояния магнитного поля указанные магнетоны возвращаются в исходное состояние, выбрасывая квант энергии в форме импульсного широкополосного радиоизлучения, пропорционального по энергии разности энергетических уровней магнитного поля в возбужденном и измеряемом состоянии [17÷19]. Радиоизлучение указанных ферромагнитных пленок регистрируется соответствующей сигнальной обмоткой 2.1.3, 2.2.4, 2.3.3, 2.4.5 и далее в блоке 2.5 (фиг.2) преобразуется в цифровой сигнал и через линию 5 передается на ЭВМ 6 для измерения и расчета текущих амплитудно-частотных характеристик сигналов ПЗ, их производных (скорости изменения сигналов ПЗ) и их математического ожидания на момент прогноза. Результаты расчетов накапливаются в памяти ЭВМ 6 измерительного поста 1 и одновременно часть из них, включая отклонения от нормы, передается по линии 3 связи на центральный пункт 4 обработки сигналов ПЗ. Полученные спектры сигналов ПЗ, принятые от всех измерительных пунктов 1 подаются на цифровой коррелятор блока 4.1. Численные значения амплитуды автокорреляционной функции свертки и ее пространственно-временное положение передается на пороговое устройство 4.2. Устройство 4.2 сравнивает текущие значений сигналов ПЗ с предельно допустимыми их значениями и в случае превышения порога выдает их на блок 4.3 для выработки сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении. В блоке 4.3 дополнительно методом триангуляции (пересечения направлений на пространственное положение корреляционных сигналов относительно каждого измерительного пункта 1) уточняется пространственное положение ожидаемого землетрясения и глубина его залегания в земной коре. Одновременно производится ранжирование сейсмических угроз по бальной шкале их опасности, а также уточняется момент начала землетрясения по времени прихода очередного гравитационного прилива на сейсмически опасную территорию. Производится привязка ожидаемого землетрясения к цифровой карте местности и через вводно-выводное устройство передается на цифровой дисплей станции 4 для отображения сейсмической и картографической информации. Одновременно эта информация через вводно-выводное устройство 4.6, передающий канал приемопередатчика 8 и линию 3 связи выдается оконечным потребителям сейсмической информации для предупреждения и защиты населения от приближающейся угрозы опасного землетрясения, цунами и/или извержения вулканов.

Полезная модель разработана на уровне технического предложения и опытных образцов запатентованных ферромагнитных датчиков [18-19].

Источники информации:

1. RU 2205432 С1, 27.05.2003

2. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии / Под ред. Т.Асада. Пер. с англ. - М.: Недра, 1984, с.14, 288-289, 312 с.

3. JP 60-8468 А, 02.03.1985.

4. RU 2147757 С1, 20.04.2000.

5. SU 1409027 А1, 10.01.1996.

6. RU 2008695 С1, 28.02.1994.

7. RU 2145598 С1, 27.01.2000.

8. SU 1584585 А1, 10.11.1995.

9. RU 2045086 С1, 27.09.1995.

10. RU 2206110 С1, 10.06.2003.

11. RU 2037162 С1, 0.06.1995.

12. SU 1233080 А1, 29.07.1983.

13. Гир. Дж., Шах X. Зыбкая твердь: Что такое землетрясение и как к нему подготовиться: Пер. с англ. - М.: Мир, 1998, 220 с. (с.120-124).

14. RU 15117 U1, 20.09.2000.

15. Болт Б. Землетрясения: общедоступный очерк. - М.: Мир, 1981, 408 с.

16. RU 35445, МПК: G01V 9/00, 2004.

17. Колесник В.Н. «Явление стимулированного электромагнитного излучения ферромагнетиками в диапазоне радиоволн». Заявка на открытие СССР 32-от-9935, 24.11.1978.

18. Шепилов М.М. и Рыжонков Г.И. Датчик сейсмоакустических колебаний. RU 14682, 2000.

19. Колесник В.Н., Колесник Г.В. Ферромагнитный преобразователь «Ферродин». RU 19963, 2001

1. Система контроля сейсмической обстановки и прогнозирования землетрясений, содержащая сеть измерительных постов с блоком датчиков предвестников землетрясений (ПЗ), размещенных на сейсмоопасной территории Земли и соединенных через спутниковую систему связи или мобильную сеть регионального оператора связи с центральной станцией обработки сигналов ПЗ, которая содержит последовательно соединенные блок обработки сигналов ПЗ, пороговое устройство и блок выдачи сигналов оповещения о предстоящем землетрясении и его местоположении, отличающаяся тем, что блок датчиков каждого измерительного поста установлен на глубине не менее чем на пятьдесят метров от поверхности Земли и содержит ферромагнитный датчик растяжения и смещения пород Земли, ферромагнитный датчик температуры, ферромагнитный датчик напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли и/или ферромагнитный датчик инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ, а блок обработки сигналов ПЗ центральной станции выполнен в виде цифрового коррелятора электромагнитных излучений ферромагнитных датчиков ПЗ.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитный датчик растяжения и смещения пород Земли выполнен в виде ферромагнитной пленки толщиной 10-100 мкм, установленной на гибкой подложке и снабженной сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитный датчик напряженности и направления силовых линий магнитного поля Земли содержит диэлектрический элемент в форме куба или прямоугольного параллелепипеда, на ортогональных поверхностях которого нанесены ферромагнитные пленки, снабженные напыленными и перпендикулярно ориентированными относительно друг друга на его поверхностях сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитный датчик инфразвуковых и акустических сигналов ПЗ содержит корпус, внутри которого подвешен механический маятник с магнитом над ферромагнитной пленкой, снабженной сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитный датчик температуры содержит ферромагнитную пленку, установленную на биметаллической подложке в поле постоянного магнита и снабженную сигнальной обмоткой и обмоткой возбуждения, ориентированной перпендикулярно сигнальной обмотке.