Способ предсказания землетрясений
Использование: сейсмология, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе. Осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат точек размещения приемных станций. Регистрируют момент появления периодических отклонений координат точек. Отождествляют его с моментом прихода литосферных волн. Вычисляют гипотетический центр очага как точку пересечения радиусов-векторов в пространстве. Характеристики ожидаемого землетрясения: магнитуду и момент толчка рассчитывают по параметрам регистрируемого колебательного процесса на основе регрессионных зависимостей. Технический результат: повышение достоверности и точности. 3 ил.
Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.
Землетрясения были и остаются наиболее масштабными природными катаклизмами, связанными с массовой гибелью людей и большими разрушениями. Известно множество косвенных признаков возможного землетрясения, регистрируемых различными физическими методами, такие как сдвиговые деформации земной коры, изменение скоростей распространения продольных и поперечных волн, неоднородности в ионосфере над очагом и др. (см., например, Рикитаке Т. Предсказание землетрясений, перевод с англ. - М.: Мир, 1979, с. 314, табл. 15.13). Перечисленные признаки-предвестники имеют долговременный интервал существования, но не позволяют точно предсказать момент наступления главного удара. Для регистрации сейсмических колебаний применяют сейсмографы, гравиметры, акселерометры, велосимеры и другие устройства (см. , например, "Сейсмические приборы" в книге Цзе Ф.С., Морзе Н.Е., Хинкл Р.Т. Механические колебания, перевод с англ. - М.: Машиностроение, 1966, с. 83...86, рис. 2.37 - сейсмограф, рис. 2.40 - акселерометр - аналоги). Составной частью перечисленных аналогов является, как правило, инерционная масса на упругой подвеске, преобразующая ускорение в линейное смещение. Недостатками перечисленных аналогов являются нелинейные искажения при регистрации низких сейсмических волн с периодами более 1 с. Кроме того, регистрация сигналов с периодами десятки секунд является, вообще, проблематичной (см. , например, научный сборник "Геофизические методы мониторинга природных сред" под редакцией В.Н. Сорокина, АН СССР, Институт общей физики, М., 1991, с. 267). Одним из наиболее достоверных признаков-предвестников землетрясений является появление перед главным ударом особо низких сейсмических волн (см., например, Липеровский В.А., Шалимов Л.С., Похотелов О.А. Ионосферные признаки землетрясений. - М.: Наука, 1992, с. 163). Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым способом является "Способ предсказания землетрясений", патент РФ N 2120647, кл. G 01 V, 3/12, 1998. В способе ближайшего аналога осуществляют непосредственное измерение признака-предвестника в виде низкочастотных акустических волн, распространяющихся в ионосфере, путем сканирования ионосферы лучом диаграммы направленности антенны СВЧ-генератора в режиме затягивания частоты, получают радиоизображение участка ионосферы над очагом, преобразуют радиоизображение участка в матрицу A(x, y) цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала от пространственных координат и выделяют признак-предвестник на основе Фурье-преобразования матрицы. Недостатками ближайшего аналога являются: - недостоверность, большая вероятность ложной тревоги, связанная с флюктуациями ионосферы, вызванной другими причинами, например магнитными бурями, вспышками на солнце; - малая радиолокационная яркость ионосферы в СВЧ-диапазоне, т.е. малая эффективная площадь обратного рассеяния СВЧ-волн зондирования, что требует существенных энергетических затрат на реализацию радиолинии и непрерывную локацию ионосферы в дежурном режиме. Задача, решаемая изобретением, заключается в обеспечении возможности прямого измерения признака-предвестника в пассивном режиме наблюдения и регистрации в виде сверхнизких литосферных волн, распространяющихся от очага накануне землетрясения и расчета ожидаемых характеристик землетрясения по параметрам зарегистрированных измерений. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе предсказания землетрясений, при котором фиксируют появление сверхнизких волн, генерируемых очагом землетрясения непосредственно перед толчком, дополнительно размещают в сейсмоопасном районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат (xi, yi, zi) точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений


















Из аналитической геометрии известно, что в прямоугольной системе координат косинус-направляющая вектора равна отношению его проекции на данную ось к длине вектора. Длина вектора (


Таким образом, измеряя отклонения (






Фазовый центр волн находят как точку пересечения радиус-векторов в пространстве. Для чего необходимо измерять отклонения координат (




где tx - время от момента обнаружения отклонений координат точек до удара;

Исходные аналитические соотношения между параметрами колебательного процесса, отражающие приведенные зависимости (см., например, Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Учебник. - М.-Л.: Энергия, 1963, с. 407). Величина накопленной в очаге потенциальной энергии сжатия породы (Е) определяет магнитуду (М) землетрясения (см., например, Большая Советская энциклопедия, том 9, 1973, с. 472):
lgE = a1 + bi

a1



где c - жесткость упругого элемента;
m - колебательная масса;
T - период. Чем больше механические напряжения в очаге, тем больше сила упругой отдачи и "жесткость" породы, тем выше частота "вибрации" очага. Следовательно, период литосферных волн очага связан с магнитудой ожидаемого землетрясения обратно пропорциональной зависимостью. В примере реализации рассчитана эмпирическая зависимость, в виде функции регрессии, между магнитудой ожидаемого землетрясения и периодом зарегистрированных литосферных волн очага. Пример реализации способа. Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг. 1. Функциональная схема устройства фиг.1 содержит приемные станции 1 космической навигационной системы 2, осуществляющие прием эфемеридной информации от космических аппаратов 3 навигационной системы. Приемные станции 1 размещают в сейсмоопасном районе 4 и разносят относительно друг друга на измерительные базы 5. Результаты измерений координат точек установки станций через стандартные порты 6 передаются по линиям связи 7 в аналитический центр 8 в составе устройства ввода 9, центрального процессора 10, винчестера 11, оперативного запоминающего устройства 12, клавиатуры 13 и средств отображения: дисплея 14 и принтера 15. В аналитическом центре 8 ведется база данных всех зарегистрированных измерений и расчет параметров отслеживаемого процесса. Обеспечивают возможность считывания файлов измерительной информации через сервер 16 в "Интернет" 17, а также взаимодействие с местной системой оповещения 18 о сейсмической опасности контролируемого региона. Устройство работает следующим образом. Приемные станции 1 космической навигационной системы 2 осуществляют непрерывный прием эфемеридной информации от космических аппаратов 3 в дежурном режиме приема. На основе приема эфемеридной информации априорно на большом интервале времени измерений осуществляют высокоточную геодезическую привязку точек размещения приемных станций в виде исходных геодезических координат (x0, y0, z0). В качестве приемных станций могут быть использованы геодезические приемные станции фирмы "Тримбол-4.000" (см., например, "Система позиционирования GPS "NAVSTAR" фирмы Trimble Navigation". Рекламный проспект АО "Прин", М., 1993). Достигаемая точность измерений геодезических станций космической навигационной системы "NAVSTAR" составляет единицы "мм". Станции могут работать в любой системе координат и по любому геоиду, в режиме накопления измерений или непрерывной выдачи данных. Для обеспечения наибольшей точности расчета косинус-направляющих измерительную базу выбирают протяженной (несколько десятков км). Поскольку заранее направление на очаг землетрясения неизвестно, для большей точности целесообразно использовать три измерительных точки, образующие между собой три базовые линии, ориентированные под различными углами к очагу. В проведенном эксперименте "Бештау-95" приемные станции были размещены на измерительном полигоне МЧС в районах гг. Георгиевск, Ессентуки, Железноводск. Базовые линии (длины хорд) Георгиевск-Железноводск, Железноводск-Ессентуки, Ессентуки-Георгиевск составляли соответственно: 36619680; 16885479; 50556998. На фиг. 2 представлена схема измерительного треугольника и полученные расчетные углы 84o и 79o, отсчитываемые от измерительных хорд, на очаг землетрясения, которое произошло 21.12.1995 г. в районе ст. Лисогорская, силой 4,5 балла. Расчетное положение очага, как точки пересечения радиусов-векторов, совпало с реально зарегистрированным положением. На фиг. 3 представлен график изменения одной из координат во времени



Коэффициенты регрессии d, l регрессионной зависимости

вычислены по параметрам двух зарегистрированных землетрясений: ст. Лысогорская 21.12.1995 г. M1 = 4,5 балла, T1 = 4,1 ч и Турция 15.08.99 г. M2 = 7,6 балла, T2 = 3,5 ч. Расчетная формула для вычисления магнитуды ожидаемого землетрясения соответствует выражению

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими показателями, как достоверность и точность. Благодаря тому что при расчете косинус-направляющих используются отношения приращений координат точек к сумме приращений, исключаются систематические ошибки измерений, а также не накладываются ограничения на абсолютные физические значения измеряемых величин и их размерности. Метод отношений обеспечивает устойчивость результатов оценок. Использование заявляемого способа позволит достоверно, с точностью до нескольких минут предсказывать момент удара и организовать своевременное оповещение населения.
Формула изобретения







и отождествляют его с центром очага, а время удара tx, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат точек, и магнитуду (M) ожидаемого землетрясения вычисляют на основе регрессионных зависимостей


где T - период отклонений координат, ч;
dekr - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координаты двух смежных периодов;
d, l - коэффициенты регрессии.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3