гидроакустический способ определения предвестников сильных землетрясений и цунами

Формула изобретения

Гидроакустический способ определения предвестников сильных землетрясений и цунами, заключающийся в непрерывном измерении сигналов сейсмических колебаний с помощью одной или нескольких станций для поиска статистических параметров фона, предшествующих сильным землетрясениям, отличающийся тем, что фиксацию вступления предвестника сильного землетрясения производят при обнаружении сверхнизкочастотной амплитудной модуляции гидроакустического сигнала сейсмических колебаний, а по интенсивности и длительности регистрируемой гидроакустической Т-волны сильного землетрясения судят о цунамигенности происшедшего землетрясения.

Описание изобретения к патенту

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

В настоящее время опубликовано множество работ, посвященных прогнозированию землетрясений. Рассмотрим некоторые из них выбранные нами в качестве аналогов.

В работе [1] рассматривается способ прогнозирования землетрясений, основанный на измерениях не менее трех прогностических станций, оснащенных сейсмоприемниками, с помощью которых измеряют амплитуду и частоту повторений импульсных сигналов, скорость нарастания фронта и длительность импульсных сигналов и по полученным данным проводят отбор аномальных сигналов. После чего измеряют продолжительность стадии увеличения, уменьшения и замирания интенсивности аномального сигнала на каждой прогностической станции.

В работе [2] рассматривается способ контроля землетрясений, включающий регистрацию сейсмических сигналов, соответствующих сейсмическим событиям определенных энергетических классов, на поверхности и внутри нее в забое скважины предполагаемой очаговой области. Определяют для каждого энергетического класса статистический параметр S=Nk*ln(N/Nk), где Nk - число сейсмических событий определенного энергетического класса k, N - общее число наблюдаемых сейсмических событий. Диапазон измерений делят на четыре частотных поддиапазона измерений: 100-500, 500-1000, 1000-1500 и 1500-2000 Гц. Аномальное поведение отслеживаемых факторов, как предвестник наступающего события, определяют как соответствующее увеличение регистрируемых амплитудных уровней сейсмического сигнала в два раза по сравнению с фоновыми значениями сейсмического поля при одновременном понижении параметра S.

В работе [3] рассматривается способ определения предвестников землетрясения, включающий регистрацию сейсмоколебаний, использование цифровых записей сейсмоколебаний в реальном масштабе времени, которые преобразуют в статистические диагностические параметры. Диагностические параметры R=А _в/А_н, где А_н, А_в соответственно амплитуды виброскоростей сейсмоколебаний в низкочастотных и высокочастотных областях амплитудно-частотных спектров. При достижении диагностических параметров значений, превышающих предельно допустимые значения, выдается сигнал оповещения о возможности сейсмического события.

В работе [4] рассматривается прогноз, построенный на данных сейсмодатчиков и геофонов. В фазе возникновения максимум активизации наблюдается за 4-6 месяцев до главного толчка (для акустического излучения измеренного в скважине с помощью геофона в полосе частот 500-1000 Гц) и для высокочастотного сейсмического шума (измеренного с помощью сейсмоприемников в полосе частот 30-50 Гц). В фазе кульминации (за 2-3 месяца до главного события) одновременно с уменьшением высокочастотного сейсмического шума и акустического излучения наблюдается рост числа микроземлетрясений.

В работе [5] рассматривается способ предсказания землетрясений, основанный на регистрации сверхнизких сейсмических волн периодом порядка несколько тысяч секунд, на прямоугольном полигоне состоящей из N² сейсмоприемников, отстоящих друг от друга на расстоянии /4, измеряют амплитуду сигнала со скважностью менее 1 сек, где - длина сейсмической волны.

В работе [6] предполагается, что сверхнизкие сейсмические волны с периодом несколько тысяч секунд соизмеримы с длиной экватора земли, т.е. сферой досягаемости является вся земная поверхность. В пространстве распространения таких волн можно выделить участки сжатия, разрежения, а также участок непрерывного, почти линейного изменения плотности среды. Дисперсия плотности породы приводит к дисперсии скоростей распространения литосферных волн, а последняя к изменению формы колебательного процесса. На частотном языке рассмотренный процесс эквивалентен параметрической модуляции сейсмического фона. Способ предсказания землетрясений [6] основан на регистрации волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала, согласно способу вычисляют спектр, автокорреляционные функции, определяют интервалы корреляции с помощью двух разнесенных по пространству станций. При обнаружении сверхнизкочастотных модуляционных сигналов определяется направление на очаг и дается предсказание на землетрясение. Данное явление наблюдается за 5-7 часов до землетрясения.

Все вышерассмотренные аналоги строят свои предсказания, основываясь только на данных, полученных с помощью сейсмических станций, во-первых, основываясь на статистических свойствах слабых землетрясений как предвестников сильных землетрясений, во-вторых, основываясь на сверхнизкочастотном модуляционном эффекте сейсмического фона. Здесь гидроакустические данные не используются. Данный факт, как будет рассмотрено ниже, является существенным недостатком, допущенным авторами рассмотренных выше аналогов.

Использование гидроакустической компоненты сейсмического сигнала, известной как Т-волна, дополняют и заметно усиливают по эффективности различные способы прогнозирования землетрясений, предложенные в работах [1-6]. Можно сказать, что гидроакустические способы прогнозирования землетрясений можно внедрить, особенно при работе в регионах, омываемых океанами и морями. Интересен в этом смысле Охотоморский район.

В работе [8] рассматриваются результаты регистрации в Охотском море сигнала землетрясения магнитудой М=5, происшедшего 16.12.1977 г.в Тихом океане в 60 км к югу от о.Шикотан Малой Курильской гряды. Координаты его эпицентра 43,2 градуса с.ш., 146,7 градуса в.д.

Регистрация сигнала этого землетрясения производилась в юго-западной части Охотского моря против южной оконечности о.Сахалин с помощью автономной донной станции, разработанной в СКБ САМИ ДВО РАН, инфразвуком в диапазоне частот. Карта района работ представлена на фиг.1, где, в частности, видно, что прохождению прямого гидроакустического сигнала из эпицентра в пункт приема препятствует цепь островов Малой Курильской гряды.

Известно, что наибольшей эффективностью излучения Т-фазы (Т-волны) обладают крутые подводные склоны, обращенные в сторону пункта приема [7]. В рассматриваемом случае к пункту приема обращен подводный склон цепи Курильских островов со стороны Охотского моря. От него в первую очередь должно ожидаться излучение гидроакустических сигналов. Отдельные сигналы Т-фазы, обозначенные на фиг.2 через Т1, Т5, можно отнести тогда за счет прихода гидроакустических сигналов от подводных склонов отдельных островов, обладающих повышенной эффективностью излучения.

Для проверки этого предположения найдем для каждого отмеченного максимума в Т-фазе расстояние от пункта приема до области его возбуждения на дне. Используем для этого наблюдаемые на фиг.2 временные интервалы между Т-максимумами и вступлениями Р-волны, которые определяются временами распространения Р- и Т-волн:

t=t_T-t_P

Согласно современным представлениям Т-фаза в воде образуется в результате трансформации лишь продольной сейсмической волны в распространяющиеся вдоль водного слоя гидроакустические колебания. При этом S-фаза в воде, регистрируемая гидрофоном в большинстве случаев [7], оказывается существенно более слабой по сравнению с соответствующим сигналом, принятым сейсмометром, тогда как для Р-фазы наблюдается обратная картина. Для t_T запишем выражение [7]:

t_T= P/V+ Т/С,

где Р и T - расстояния соответственно от эпицентра до области возбуждения Т-фазы на дне и от области возбуждения Т-фазы до пункта приема; V и С - соответственно кажущаяся скорость продольной сейсмической волны и скорость звука в воде. Для T получаем отсюда

T=C( t- P/V+t_P)

Оценка по годографу дает для t_P значение 73 с. Величины Р будем задавать исходя из предположения, что фазы Т1 и Т2 излучаются обращенными к пункту приема частями подводных склонов островов Хоккайдо и Кунашир, а Т3-Т5 - более удаленных островов: Т3 - Итуруп, Т4 - Уруп, Т5 - предположительно островов Броутона и Черные Братья. Заметим, что в выражении для T величина P/V почти на порядок меньше t, поэтому неточности задания Р и V не должны внести заметных погрешностей в определение Т. Это позволяет, в частности, не учитывать различия в скоростях продольных волн для различных трасс. Учет глубины очага также не должен внести заметных различий в расчет Т, поскольку изменения кажущейся скорости в этом случае не выходят за пределы допустимых различий скорости.

Результаты расчета Т вместе с исходными данными t и средними значениями расстояний Р от эпицентра до подводных склонов соответствующих островов приведены ниже в виде таблицы.

Tmax	t, с	Р, км	T, км
Т1-Т2	150-170	175-160	280-290
Т3	195	210	350
Т4	275	350	450
Т5	365	510	540

Скорость продольной волны принималась равной 6 км/с, а скорость звука в воде - 1,5 км/с. Полученные значения Т вместе с заданными Р использованы на фиг.1 для отметки на карте местоположений излучения Т-фазы и трасс распространения сигналов. Видно, что эти области действительно совпадают с соответствующими фрагментами подводных склонов островов.

Аналогичный расчет может быть проделан для наблюдаемых на фиг.2 минимумов Т-фазы. Например, для одного из минимумов, расположенного между Т3 и Т4, расчет показал, что ему соответствует приход сигнала из района пролива Фриза, разделяющего острова Итуруп и Уруп, т.е. из области, где крутой подводный склон отсутствует.

Такие же исследования [9] были апробированы в сентябре-октябре 1995 г. в рамках научно-исследовательской работы на базе гидрофизического стационара «Озеро Птичье» на Охотоморском побережье о-ва Сахалин.

За период регистрации наиболее сильное землетрясение силой 6 баллов произошло в районе о-ва Парамушир ( =51°00' с.ш., =157°30' в.д.) (северная часть Курило-Камчатского желоба) 30 сентября 1995 г. в 10ч50'30"45 (время по Гринвичу). Гидроакустическая сигналограмма землетрясения показана на фиг.3. Уровень сигнала приведен в логарифмической шкале (нуль - условный). Как видно из фигуры, наблюдается четкое вступление сейсмической Р-волны, за которой следует протяженный максимум гидроакустической Т-волны. Вступление сейсмической S-волны замаскировано "хвостом" Р-волны. Вступление Р-волны превышает фоновый уровень (уровень подводного шума) на 30 дБ, а максимум Т-волны на 60 дБ. Известно, что шкала единиц магнитуд М соответствует изменению энергии в 27 раз, т.е. в логарифмическом масштабе на 14,4 дБ. Таким образом, вступление Р-волн можно обнаружить от землетрясений с очагом в рассматриваемом районе при М 4, а вступления акустической Т-волны - при М 2. То есть использование акустической компоненты сигнала землетрясения (Т-волны) позволяет зафиксировать факт сейсмического события силой на два балла (на 30 дБ) ниже (при использовании одиночного гидрофона), чем по чисто сейсмическим волнам.

Расположение приемных гидроакустических баз вблизи мыса Левенорна относительно Курильской гряды в Охотском море таково, что вступление Р-волны опережает максимум Т-волны на 3-4 мин от Южных Курильских островов и на 6-10 мин от Северных. Обнаружив факт сейсмического события по характерным для области постановки донного прибора гидроакустическим всплескам, можно с помощью уточненных методов анализа сигнала определить параметры Р- и S-волн, которые должны на 3-8 мин опережать главный максимум Т-волн. Такой анализ может быть очень полезен также при изучении передаточных функций среды распространения сигналов как для водной среды, так и для твердой земной коры, находящейся под давлением водной толщи.

Возвращаясь к фиг.3, рассмотрим времена приходов Т-волн, генерируемых неровностями рельефа Охотоморского бассейна. Гидроакустическая запись землетрясения дополнена интенсивными всплесками, образующими последовательность локальных максимумов, которые необходимо интерпретировать как излучение гидроакустической волны от вполне определенных подводных объектов, обладающих повышенной способностью к отражению акустического сигнала. На широкополосной сигналограмме (фиг.3) заметно выделяются восемь экстремумов, относящихся к интервалу активизации Т-волны от далекого землетрясения.

t Т1-р=209,3 c t T2-p=283,3 с t Т3-р=370,4 с

t T4-p=414,8 c t T5-p=459,9 с t Tmax-p=518,5 с

t Т6-р=540,7 c t T7-p=592,6 с

Временные интервалы между локальными максимумами Т-волн и вступлением сейсмической Р-волны рассчитывались по формуле [9]:

,

где Р и T - расстояния от эпицентра землетрясения до области генерации Т-волн и до пункта установки приемной сейсмогидроакустической станции;

V и С - скорости продольной сейсмической волны и скорости звука в воде: V=8,0 км/с; С=1,5 км/с.

Оценочные расчеты времени прохождения гидроакустического сигнала показывают, что в формировании гидроакустических всплесков сигнала от землетрясения, зарегистрированного на стационаре СКБ САМИ ДВО РАН, принимают участие конкретные территории морского дна (фиг.4) на Охотоморском склоне вблизи Курильской гряды [9]: Т1 = о-в Итуруп (район г.Курильска); Т2 = о-в Браутон; Т3 = о-в Симушир (южная оконечность); Т4 = о-в Матуа; Т5 = о-в Чирикотан; Tmax = о-в Парамушир (южная оконечность); Т6 = о-в Атласова; Т7 = мыс Сивучий (Камчатка).

Отметим, что в Охотском море подводный звуковой канал (ПЗК) располагается в зависимости от сезона на небольших глубинах 60-80 м. Генерируемые на подводных склонах островов Курило-Камчатского желоба акустические Т-волны с самого начала захватываются ПЗК. Поэтому Т-волны распространяются в ПЗК до момента достижения приемников. При этом если гидрофон расположен также в ПЗК, то потери сигнала при распространении будут минимальными. В таких условиях Т-волны слабых землетрясений могут быть зарегистрированы даже при отсутствии сейсмических Р-, S-волн. В качестве примера на фиг.5 приведены сигналограмма и огибающая Т-волны, где практически отсутствуют сейсмические Р-, S-волны (Р-волна превышает фоновые уровни на 3-4 дБ). Как видно из фиг.5, t относительно максимальной Т-волны составляет порядка 6 мин, т.е. область генерации максимума Т-волны располагается несколько севернее о.Итуруп. При разработке прогностических параметров по технологии, предложенной в [1-4], сейсмическую компонентую (Р-, S-волны) землетрясения данного землетрясения применить здесь нельзя, так как они скрыты на фоне помех. Для таких случаев можно и необходимо использовать гидроакустические компоненты. Использование в прогностических задачах акустической компоненты позволяет осуществлять телеметрический контроль (на предмет прогнозирования землетрясений) с помощью гидроакустических станций, установленных на шельфе о. Сахалин, за регионом, охватывающим сейсмоактивные районы: Камчатки, Курильских островов, о.Хоккайдо.

Таким образом, применение Т-волны в задачах прогнозирования сильных землетрясений по технологиям, предложенным в аналогах [1-6], не только возможны, но необходимо. Во-первых, имеется возможность применения гидроакустических антенн для обнаружения слабых сигналов (для землетрясений с М 2 балла); во-вторых, имеется возможность исследования гидроакустических фоновых характеристик по обнаружению сверхнизкочастотных амплитудных модуляций, что позволит использовать технологии, изложенные в работах [1-6].

Сильные землетрясения определенным образом связаны с волнами-цунами. Подводные землетрясения с магниту дои М 7 и эпицентром, расположенным вблизи морского дна, считают потенциально цунамигенными [11]. Цунамигенные землетрясения могут вызвать как упругие колебания морского дна, так и его разрывные подвижки, имеющие вертикальную компоненту смещения. Наличие вертикальной компоненты смещения обуславливает генерацию волн цунами, а также эффективную генерацию гидроакустических Т-волн в водный слой за счет образования акустического конуса Маха разрывом, движущимся со скоростью, превышающей фазовую скорость звука в воде. Факт регистрации в водной среде звуковых волн высокочастотного диапазона в силу большого затухания этих частот в грунте может свидетельствовать о процессах, развивающихся в самой верхней части разреза морского дна. Высокочастотные гидроакустические сигналы [11] (с частотами 100-400 Гц), захваченные подводным звуковым каналом (ПЗК), могут проходить расстояние несколько тысяч километров без значительного затухания, образуя высокочастотную часть Т-фазы. Совокупность указанных свойств (сильное затухание в породах, слагающих ложе океана, и способность распространяться на значительные расстояния в ПЗК) приводит к тому, что гидроакустические волны с частотами 100-400 Гц являются независимым источником информации о цунамигенности происшедшего подводного землетрясения.

Критерием принятия решения о цунамигенности происшедшего подводного землетрясения может служить сам факт регистрации колебаний в указанном интервале частот, понимаемый как превышение отношения интенсивности сигнала Т-фазы в диапазоне частот 100-400 Гц к средней интенсивности фоновых шумов данного района определенного порогового значения [11].

Известен другой способ определения предвестника цунами [10], включающий размещение групп устройств регистрации гидроакустических сигналов на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне, размешенных на глубинных горизонтах, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, регистрацию гидроакустических сигналов выполняют с выделением фаз типа Р, S и Т. Рекомендуемый частотный диапазон 30-100 Гц.

Чем мощнее землетрясение с эпицентром вблизи морского дна, тем обширнее область генерации Т-волны, т.е. будет наблюдаться множество максимумов Т-волны со значительными энергетическими уровнями, что определенным образом служит индикатором возбуждения волн цунами.

Предлагается в дополнение прогностических параметров, предложенных в работе [11], а именно анализ отношений уровней Т-волн в полосе частот 100-500 Гц относительно уровня Т-волны в полосе частот 100-2000 Гц; анализ отношений уровней Т-волн в полосе частот 10-100 Гц к уровню Т-волны в полосе частот 0,5-100 Гц; анализ отношений длительности Т-волны в полосе частот 10-100 Гц к длительности Т-волны в полосе частот 0,5-100 Гц.

Таким образом, вопросы прогнозирования сильных землетрясений заметным образом связаны вопросами прогнозирования волн цунами, поэтому эти вопросы можно и нужно увязать в единый технологический комплекс. Предлагается установить автономные донные гидроакустические станции на Охотоморской шельфовой зоне Сахалина на границе свала глубин (по 2-3 станции в Корсаковском и Ногликском районах). Ориентировочная глубина постановки станции 250-300 м. Станция оснащена вертикальной эквидистантной 8-элементной гирляндой гидрофонов (регистрируется суммарный сигнал, т.е. формируем линейную антенну с диаграммой направленности, ориентированной вдоль горизонта), установленной в ПЗК. Частотный диапазон 0,5-2000 Гц.

На фиг.6 приведена структурная схема измерительно-анализирующего тракта гидроакустической станции. Поз.1 и 2 соответствуют гирлянде гидрофонов, усилителю. Поз.3 и 9 соответствуют фильтру нижних (ФНЧ) и верхних частот (ФВЧ) с частотами среза 100 Гц, т.е частотный диапазон 0,5-2000 Гц делится на два частотных поддиапазона 0,5-100 Гц и 100-2000 Гц. Поз.4 и 10 соответствуют аналого-цифровому преобразователю (АЦП) соответственно с частотами выборки 300 и 4800 Гц. Поз.16 - формирователь импульсов с частотой 4800 Гц, предназначенный для запуска АЦП (поз.4), поз.17 - делитель частоты на 16, предназначенный для запуска АЦП (поз.10). Поз.5-6, 11-14 соответствуют цифровым полосовым фильтрам соответственно в полосе частот: 0,5-10 Гц (низкочастотный сейсмический шум); 10-100 Гц (высокочастотный сейсмический шум); 100-500 Гц; 500-1000 Гц; 1000-1500 Гц; 1500-2000 Гц. Поз.7, 15 и 18 соответствуют блокам анализа и выбора решений, реализующим преобразование исходных данных и соответственно выполнение поиска статистических параметров, изложенных в [1-4], поиска сверхнизкочастотных амплитудных модуляции по [5, 6, 8] и анализ параметров Т-волн сильных землетрясений по алгоритмам, рассмотренным в [10, 11] и предложенным нами на предмет обнаружения прогностических параметров волн цунами. При обнаружении прогностических параметров формируют соответствующий код прогноза землетрясений и волн цунами для дальнейшей передачи данных. Поз.8 - блок передачи информации, предназначенный для оперативной подготовки и передачи информации в стационарный пункт обработки данных.

При режиме синхронной работы нескольких станций (в случае работы не менее 4 станций определяются эпицентры землетрясений) они должны быть оснащены высокостабильными кварцевыми часами.

Использование гидроакустической компоненты сейсмического сигнала дополняют и заметно усиливают по эффективности различные способы прогнозирования землетрясений, предложенные в работах [1-6]. Применение вертикальной гирлянды гидрофонов, расположенной в ПЗК в качестве горизонтально ориентированной линейной антенны, позволяет производить регистрацию акустической компоненты слабых землетрясений на больших расстояниях. Это позволяет, используя несколько гидроакустических станций, установленных в шельфе на границе свала глубин вокруг о.Сахалин, производить сейсмологический мониторинг на предмет телеметрического прогнозирования сильных землетрясений и волн цунами в удаленных от зон наблюдения сейсмоактивных районах, таких как район Курило-Камчатского желоба.

Источники информации

1. Моргунов В.А. Способ оперативного прогнозирования землетрясений, тектонических и техногенных подвижек. Патент РФ № 2106001, G01V 9/00, 1996 г.

2. Хамидулин Я.Н. Способ контроля землетрясений. Патент РФ № 2102780, G01V 9/00, 1996 г.

3. Трофимов Р.С., Шахраманьян М.А., Махутов Н.А., Нигметов Г.М., Петров В.П. Способ определения среднесрочных предвестников землетрясения. Патент РФ № 2233461, G01V 9/00, 2002 г.

4. Каррыев Б.С., Косарев В.Г., Курбанов М.К., Аширов Т.А. Способ прогнозирования землетрясений. Патент № 1389473, G01V 1/00, 1995 г.

5. Давыдов В.Ф., Щербаков А.С., Комаров Е.Г., Малков Я.В., Бурков В.Д. Способ предсказания землетрясений. Патент РФ № 2130195, G01V 1/00, 1998 г.

6. Давыдов В.Ф., Шахраманьян М.А., Нигметов Г.М., Шалаев B.C., Шипов А.В. Способ краткосрочного предсказания землетрясений. Патент РФ № 2181205, G01V 9/00, 2000 г.

7. Кадыков И.Ф. Акустика подводных землетрясений. М.: «Наука», 1986.

8. Соловьев С.Л., Кадыков И.Ф., Белавин Ю.С., У Тон Иль. Регистрация фаз Т в сигналах землетрясений северо-западной части Тихого океана. // Вулканология и сейсмология. 1980. № 1. С.60.

9. У Тон иль, Табояков А.А., Храмушин В.Н. Методические разработки прогноза сильных землетрясений гидроакустическими методами (использование сейсмогидроакустической локации местоположения очагов землетрясений). // Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана, 2005, вып. № 1, С.49-59.

10. Ставров К.Г., Парамонов А.А., Аносов B.C. Способ определения предвестника цунами. Патент РФ № 2292569, G01V 1/38, 2005 г.

11. Иванов В.В., Лопатников С.Л., Рок В.Е. Способ установления цунамигенности происшедшего подводного землетрясения. Патент РФ № 1584585, G01V 1/00, 1995 г.