способ прогнозирования землетрясений

Формула изобретения

Способ прогнозирования землетрясений, включающий создание в пределах прогностического полигона сети сейсмических станций с возможностью регистрации слабых землетрясений и локализации их очагов, режимные микросейсмические наблюдения на станциях, обработку на ЭВМ наблюдательных данных и определение по ним параметров ожидаемого землетрясения, отличающийся тем, что выявляют область накопления упругих тектонических деформаций в земной коре (внутренние участки взаимодействующих геоблоков или область сейсмического затишья, оконтуренная кольцевой сейсмичностью), выбирают в этой области ниже рыхлого неоднородного осадочного слоя и заведомо выше характерных глубин очаговых зон однородный горизонтальный слой прочных и жестких (компетентных) пород мощностью в несколько километров (компетентный слой), проводят режимные наблюдения уровня микросейсмической эмиссии (УМЭ) из компетентного слоя (числа микроземлетрясений в единицу времени в единице объема в заданном энергетическом диапазоне), строят изолинии УМЭ и выявляют в них известными методами статистически значимые кольцевые составляющие, определяют по ним эпицентр ожидаемого главного толчка, а затем - глубину h (км) залегания его очаговой зоны по формуле

где A(0,h) и A( ,h) - УМЭ соответственно в эпицентре и на расстоянии от эпицентра (прогноз места землетрясения),

определяют радиус зоны подготовки главного толчка _max (км) как расстояния от эпицентра, на котором обнаруженная аномалия УМЭ соизмерима с его фоновым значением, и по формуле определяют его магнитуду (прогноз силы землетрясения), а по комплексным наблюдениям очаговой зоны судят о времени землетрясения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для прогнозирования места, силы и времени тектонических землетрясений.

Известен способ прогнозирования землетрясений по пространственно-временному распределению слабых землетрясений, при котором выявляют область сейсмического затишья, оконтуренную кольцевой сейсмичностью, а по размерам этой области и продолжительности затишья судят о возможности землетрясения [1].

Недостатками этого способа являются отсутствие возможности локализации и определения энергетического потенциала очаговой зоны (ОЗ) - объема, в котором заключена основная доля упругой энергии ожидаемого землетрясения - и связанные с этим трудности организации наблюдений в эпицентральной области ожидаемого землетрясения для осуществления его прогноза в реальном времени.

Наиболее близким к предлагаемому является способ прогнозирования землетрясений, при котором в пределах прогностического полигона создают сеть сейсмических станций с возможностью регистрации слабых землетрясений и локализации их очагов, проводят на полигоне режимные наблюдения и по результатам обработки на ЭВМ наблюдательных данных осуществляют прогноз землетрясений [2].

Недостатками этого способа является недостаточная информативность прогноза, заключающаяся в отсутствии количественных данных о координатах потенциальной очаговой зоны и величине накопленной в ней энергии.

Предлагаемый способ прогнозирования землетрясений основывается на приведенных ниже эмпирических и теоретических положениях.

Распределение упругой составляющей сдвиговой деформации (r) в окрестности тангенциально нагруженной шарообразной ОЗ в первом приближении может быть задано выражением

где (0) - упругая составляющая сдвиговых деформаций в центре ОЗ, (r) - то же на расстоянии r от центра ОЗ, - объем ОЗ, r₀ - ее радиус. Учитывая приближенный характер проводимых оценок, можно принять для всего объема ОЗ , а в области r>r₀ использовать формулу (1).

Для точек, лежащих на поверхности Земли, , где - эпицентральное расстояние, h - глубина очага, формула (1) принимает вид

Для эпицентра имеем

откуда

Подставляя это выражение в (2), получим

Из этой формулы следует, что касательные напряжения в приповерхностном однородном изотропном слое земной коры, вызванных подготовкой землетрясения на глубине h, имеют круговое распределение вокруг его эпицентра. Следовательно, по данным площадных наблюдений можно определить эпицентр готовящегося землетрясения, а по измеренным значениям ( ,h), (0,h) и известному - глубину очага h, т.е. по этим наблюдениям можно определить координаты потенциальной ОЗ.

Для других предвестников, пропорциональных (например, уровня микросейсмической эмиссии), очевидно, имеет место аналогичная формула

где А(0,h) и А( ,h) - амплитуды аномалий предвестника соответственно в эпицентре и на расстоянии от эпицентра. В случае микросейсмической эмиссии в роли A(0,h) и A( ,h) формуле (5) может быть использован уровень микросейсмической эмиссии (УМЭ) - число микроземлетрясений в единицу времени в единице объема горных пород в заданном энергетическом диапазоне. Как и в предыдущем случае, этих данных достаточно для определения по формуле (5) координат 03 готовящегося землетрясения. Для уменьшения помех, обусловленных процессами, не связанными с подготовкой землетрясения, для наблюдений микросейсмической эмиссии следует выбрать горизонтальный консолидированный слой прочных и жестких (компетентных) горных пород мощностью в несколько километров, расположенный ниже приповерхностного рыхлого и неоднородного слоя, но заведомо выше ОЗ (на глубине 3-10 км, в зависимости от геологических условий). В плане он должен охватывать зону подготовки землетрясения, представляющую собой круг с радиусом _max, равным расстоянию от эпицентра, на котором обнаруженный уровень деформаций составляет 10 ^-8, т.е. соизмерим с уровнем земноприливных деформаций (радиус зоны подготовки землетрясения [2]). Еще одним условием, предъявляемым к этому слою, которого можно назвать компетентным слоем, является существенное превышение скорости накопления напряжений в нем за счет процессов в ОЗ, над скоростью их релаксации за счет микросейсмической эмиссии. В противном случае регистрируемые параметры не будут адекватно отражать процесс накопления напряжений в ОЗ.

Для оценки энергетических характеристик потенциальной ОЗ используем соотношение (3), переписав его в виде

(0)·V (0,h)·h³.

Умножив обе части этого соотношения на _cr/2, где _cr - критические касательные напряжения для пород в ОЗ, получим

С учетом (0) _cr (см. выше) и (1/2)· _cr· _cr=w_cr, где w_cr - плотность упругой энергии в ОЗ, находим, что в левой части равенства (6) имеем полную упругую энергию E_cr, заключенную в ОЗ, так что

Излучаемая в виде сейсмических колебаний доля этой энергии Е_s= ·Е_cr, где - сейсмический КПД очага, составляющая лишь несколько процентов, так что

(в системе СИ). Прологарифмируя это выражение, получаем оценку энергетического класса ожидаемого землетрясения

с помощью которой, используя также известную формулу Гуттенберга-Рихтера

можно оценить его магнитуду

Учитывая формулу (4) и используя соотношение _cr=G· _cr, где G и _cr - соответственно модуль сдвига и критические значения относительной деформации для горных пород, получим

Далее после подстановки вместо радиуса зоны подготовки землетрясения _max и характерных для горных пород значений G 30 ГПа=3·10¹⁰ дж/м ³ и _cr 10^-4, имеем

Переходя на более привычные единицы измерения эпицентральных расстояний и глубин очагов h - километры, получим после соответствующих преобразований формулу

которая в области _max>>h (т.е. для сильных землетрясений) удовлетворительно согласуется с известной эмпирической формулой [2]

при 0.03. Подставляя это значение в (12), получим окончательную оценку

Очевидно, в пределах достижимой точности оценки магнитуды готовящегося землетрясения можно предположить, что радиус зоны подготовки землетрясения _max, определяемый по деформационным наблюдениям, совпадет с таковым, определенным по наблюдениям микросейсмической эмиссии. Другими словами, в формулу (14) вместо _max можно подставить расстояние от эпицентра, на котором обнаруженная аномалия УМЭ соизмерима с его фоновым значением.

Таким образом, для прогнозирования места, силы и времени ожидаемого землетрясения по предлагаемому способу следует осуществлять следующую последовательность действий: 1) выявление областей накопления упругих тектонических деформаций в земной коре (внутренние участки взаимодействующих геоблоков или область сейсмического затишья, оконтуренная кольцевой сейсмичностью); 2) выделение с использованием геологических данных компетентного слоя, перекрывающего в плане зону подготовки землетрясения; 3) создание наблюдательной сети и режимные наблюдения УМЭ из выделенного слоя; 4) выявление в изолиниях УМЭ математическими методами статистически значимых кольцевых составляющих, оконтуривающих эпицентры потенциальных землетрясений, определение эпицентра главного толчка и глубины залегания его ОЗ по формуле (5) (прогноз места землетрясения); 5) определение радиуса зоны подготовки главного толчка как расстояния от эпицентра, на котором обнаруженная аномалия УМЭ соизмерима с его фоновым значением и определение по формуле (14) его магнитуды (прогноз силы землетрясения); 6) определение времени главного толчка по комплексным наблюдениям за ОЗ с использованием известных предвестников (прогноз времени землетрясения).

Ключевым и в то же время самым трудным звеном в предложенном способе прогнозирования землетрясений остается наблюдения предвестников не вблизи разломных зон (как это обычно принято), где амплитуды их велики, но трудно интерпретируемы, а во внутренних участках геоблоков, где амплитуды аномалий существенно меньше, но их пространственное распределение носит более регулярный, детерминированный характер, что облегчает решение обратной задачи - задачи интерпретации наблюдений и прогноза землетрясений.

Использование предлагаемого способа позволит количественно оценить магнитуды будущих толчков, а также определить эпицентры и глубины их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, и тем самым существенно повышает надежность краткосрочного прогноза времени землетрясения, поскольку позволяет заблаговременно организовать комплексные наблюдения за очаговой зоной.

ЛИТЕРАТУРА

1. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988, 382 с.

2. Прогноз землетрясений, №3. Душамбе - Москва: ДОНИШ, 1984а, 216 с.