Спосіб прогнозування небезпечних сейсмічних подій

Реферат: UA 92022 U UA 92022 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області короткочасного прогнозування землетрусів, а саме до автоматизованої системи розрахунку необхідних параметрів для попередньої оцінки сейсмічної небезпеки у будь-якій точці земної кулі та розрахунку параметрів небезпечних сейсмічних подій з магнітудою не менш ніж 5,0. Ця модель прогнозування землетрусів може використовуватись у таких країнах, де виконання робіт по оцінці сейсмічної небезпеки взагалі не проводиться або фінансово дуже обмежено. Корисна модель може використовуватися для сучасних способів оцінки сейсмічної небезпеки, автоматизованих систем мікросейсмічних спостережень та розрахунку координат і часу реалізації землетрусів, що готуються. Завдяки використанню міжнародної автоматизованої системи отримання та аналізу сейсмічних записів [1] з широко розташованих сейсмічних станцій у всьому світі організації "The USGS Earthquake Hazards Program National Earthquake Hazards Reduction Program" (NEHRP) [2], розроблена автоматизована програмна система математичного спектрального Фур'є аналізу отриманих мікросейсмічних записів для конкретних пунктів розташування сейсмічних станцій. Мікросейсмічні записи усіх міжнародних широкосмугових сейсмостанцій надходять в Інтернет безперервно, що дозволяє робити попередній розрахунок необхідних просторо-часових параметрів для прогнозування землетрусів. В Україні був розроблений науково сучасний спосіб математичного прогнозування землетрусів на базі аналізу просторо-часового руху дельта-солітонів [3]. В основі цієї моделі лежить гіпотеза про виникнення землетрусів як результат взаємодії певних хвиль-генераторів (δ-солітонів) з областями накопичення сейсмічної енергії, аналогічно як в теорії D-хвиль Ш.А. Губермана. Було показано, що такі хвилі грають роль "спускового механізму" землетрусів. Наукова стаття і динамічне графічне зображення цього сучасного математичного способу прогнозування японського відомого землетрусу 11 березня 2011 року представлені тут: [4]. Недоліки цього способу пов'язані з неможливістю його використання для прогнозування будьяких небезпечних землетрусів при розташуванні просторо-часових початкових значень параметрів попередніх форшоків для розрахунку координат підготовлюваного основного землетрусу при глибині попередніх більш ніж 40-45 кілометрів. Існує найбільш відомий спосіб прогнозування землетрусів останнього часу, який також заснований на різного типу математичних аналізах мікросейсмічних коливань за достатньо довгий період часу [5]. Цей спосіб довгострокового прогнозування землетрусів заснований на спільній обробці результатів вимірювань контрольних параметрів, отриманих в режимі реального часу від декількох пунктів вимірювань, що покривають всі сейсмоактивні регіони Японії. Недоліком цього способу є те, що прогнозний моніторинг ситуації виконується тільки в одному сейсмонебезпечному регіоні - японських островах в регіоні від 30° до 46° пн.ш. і від 128° до 146° с.д. Оскільки в даному прогностичному регіоні є тільки одна локальна мережа пунктів вимірювання контрольних параметрів, то і дослідження низькочастотних довготривалих мікросейсмічних коливань, що характеризують процеси підготовки землетрусу в земній корі, пов'язані тільки з одною сейсмічно активною зоною - Японією. У разі підготовки та реалізації сильного землетрусу з магнітудою більше 7,0 в іншій сейсмоактивній зоні (Румунія, Кавказ, Турція, Сибір та ін.) цей моніторинг не може працювати принципово. Відомі також і інші способи прогнозування землетрусів, які суттєво відрізняються від запропонованого по сенсу фізики прогностичного параметру і його інтерпретації [6], по методах математичного аналізу вхідних параметрів, та по обмеженості їх використання [3], або інші способи прогнозування землетрусів, які були розроблені та запатентовані достатньо давно [8, 9, 10]. Як прототип вибрано найбільш близький до корисної моделі спосіб короткочасного прогнозування землетрусів [7], в якому на протяжній вимірювальній базі встановлюють два рознесених в просторі вимірювальних пункти. Кожен вимірювальний пункт містить по два заглиблених в ґрунт датчики, розміщених у взаємно ортогональних площинах. Осі чутливості датчиків по осі абсцис орієнтовані по напрямку бази. Реєструють сейсмічний фон у вигляді дискретних цифрових відліків амплітуд сигналів. Обчислюють одномоментні спектри Фур'є ортогональних сигналів для кожного вимірювального пункту. Окрім того, він дозволяє експериментально вимірювати закономірність зміни середнього періоду сейсмічного фону на інтервалі звукових і інфразвукових хвиль, з екстраполяцією виявленої закономірності на так званий інтервал "затишшя" перед сейсмічним ударом. Прототип має наступні недоліки: 1. Він складається тільки з тих сейсмостанцій, які рознесені в просторі на протязі вимірювальної бази Камчатського геофізичного полігону РАН. Використання такої обмеженої системи станцій сейсмічних спостережень для прогнозування землетрусів не дозволяє 1 UA 92022 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 достатньо точно знайти тектонічно-активну обмежену область, в якій готується землетрус. В процесі готування дуже міцних землетрусів з магнітудою більш ніж 8,0 розмір площі території процесу тектонічних деформацій може бути достатньо великим і досягати понад 1200-2300 квадратних кілометрів, що перевищує розмір площі розташування дослідних сейсмостанцій. Таким чином, така просторова обмеженість області розташування сейсмічних прогнозних станцій не дозволяє з високою точністю зробити розрахунок координат землетрусів, що готуються. Запропонована у даній корисній моделі міжнародна система спостережень мікросейсмічних коливань розташована майже по всій поверхні Землі у найбільш тихих місцях, де присутні тільки природні довгоперіодні мікросейсмічні хвилі. 2. Спектральний контроль сейсмічного фону у цьому прототипі виконується тільки в звуковому і інфразвуковому діапазонах, де можна втратити попереджуючий прогноз землетрусів під час проходження динамічного процесу циклону або антициклону повітря за період спостережень через дану точку спостереження, оскільки ці атмосферні явища мають аналогічний діапазон частот від 180-200 Гц до інфразвукового діапазону (частки Гц). 3. В цьому способі немає автоматизованих систем спостережень сейсмічного процесу наземними засобами, оскільки реєстрація сигналів з періодами одиниці і десятки секунд в ньому відсутня. Дана апаратура дуже дорога і випускається тільки в США. У корисній моделі, що патентується, використовується інформація з американських сейсмометрів із смугою пропускання сейсмічних сигналів в діапазоні від 20 Гц до 100 секунд. Це є моделі сейсмометрів STS-2/VBB [11], з яких дані передаються через Інтернет (Фіг. 1). 4. Для розрахунку спектра Фур'є дискретних сигналів використовується стандартний комплект програм спеціалізованого програмного забезпечення MATHCAD. При використанні досить великої за обсягом інформації комп'ютерної системи отримання даних з сервера SeedLink [11] за допомогою модулів seedlink2ew програмного сейсмологічного комплексу Earth Worm [1] для аналізу мікросейсмічних записів з 15-20 міжнародних станцій [12] необхідний спеціалізований автоматичний програмний комплекс для аналізу мікросейсмічних записів і розрахунку часу і місця сейсмічної події, що готується. Це забезпечує підняття рівня оцінки ймовірності зв'язку змін спектра Фур'є дискретних сигналів з реалізацією сейсмічної події. 5. Відсутня спеціалізована автоматизована база даних сейсмічних подій будь-якого типу, в якій можна знаходити попередні землетруси і зберігати міцні сейсмічні події, що вже трапились, що важливо для набору статистики і аналізу параметрів землетрусів, що використовувались для прогнозування і тими, що вже трапились. Довгочасне статистичне порівняння таких реальних і розрахованих прогнозних параметрів дозволить довести систему автоматизованого прогнозування до більш вищого рівня ймовірності прогнозування землетрусів. Задачею створення корисної моделі є прогнозування землетрусів на базі просторовочасового кумулятивного спектрального аналізу інтенсивності рівня коливань мікросейсмічних хвиль, отриманих з міжнародних широкосмугових сейсмічних станцій [12], яке досягається завдяки використанню автоматизованої комп'ютерної системи отримання їх мікросейсмічних записів, яка компонується з програмних комплексів збору, аналізу та обробки накопичених записів мікросейсмічних хвиль для отримання координат та магнітуди землетрусів, що готуються, і що дозволяє забезпечити високоякісну оцінку сейсмічної небезпеки у будь-яких відомих напрямках проведення цих робіт для усіх країн, що розташовані у зонах підвищеної сейсмічності або навколо них. Основними особливостями такого автоматизованого способу кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних коливань для прогнозування землетрусів є те, що записи мікросейсмічних вібрацій сейсмоактивних тектонічних структур землі реєструються за допомогою високоякісних широкосмугових міжнародних сейсмічних станцій STS-2/VBB, з яких дані передаються через Інтернет [11]. Оскільки така система працює постійно і безперервно, практично без участі людини, це забезпечує достатньо низьку вірогідність пропуску момента прогнозування землетрусів. Розв'язання поставленої задачі розрахунку часу реалізації землетрусу досягається шляхом використання цифрової фільтрації записів мікросейсмічних хвиль в обмеженому діапазоні максимумів значень спектрів Фур'є, які досягають цих екстремальних параметрів під час отримання сейсмічних записів з тих місць, де готуються землетруси. Запропонована корисна модель автоматизованого програмного комплексу способу прогнозування землетрусів на базі кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних записів складається на базі такої формули: SMA t  p  p      p t i      p t n  2  p t n 1 , 1 n 1  pt i  t t 1 n i0 n 2 UA 92022 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 де: SMA t - значення простого змінного середнього значення кумулятивного спектра в точці часу; t , n - кількість значень спектра мікросейсмічних хвиль для розрахунку його змінного середнього, чим ширше згладжує інтервал, тим більш плавним виходить графік функції кумулятивного спектра; Pt i - значення спектра мікросейсмічних хвиль у точці часу t  i . Суть математичного рішення використання змін значень амплітуд кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних записів для прогнозування землетрусів. Накопичення спектра записів мікросейсмічних коливань та їх усереднення дозволяє ліквідувати вклади тимчасових періодів коливань випадкових мікросейсмічних, або коливань іншої природи (техногенних, штормових, місячно-сонячних), що не пов'язані з критичним станом сейсмотектонічної деформації та процесом динаміки зони накопичення напружень того землетрусу, де він готується. В процесі його накопичення та усереднення залишаються тільки найбільш основні за своєю природою результати спектрального аналізу природних мікросейсмічних коливань. Основні відмінності та переваги запропонованої корисної моделі прогнозування землетрусів за допомогою кумулятивних спектрів мікросейсмічних коливань від прототипу є наступними: - використання широкосмугових і високочутливих міжнародних сейсмічних станцій STS2/VBB [11], [12], які розташовані у оптимальних підібраних тектонічно активних та пасивних місцях усього світу і реєструють мікросейсмічні коливання будь-якої природи, у тому числі і ті, що пов'язані з процесами критичної деформації тих тектонічних зон, де готуються землетруси; - спектральний контроль мікросейсмічного фону за допомогою його акумуляції, що показує часові зміни саме тих первинних періодів мікросейсмічних коливань, які відображають процеси підготовки землетрусів (Фіг. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16); - наявність спеціалізованої сейсмологічної автоматизованої MySQL бази даних для збереження та аналізу координат, часу та магнітуди землетрусів, що трапляються у будь-якій точці земної кулі, і що проводить автоматизоване накопичення сейсмічних подій будь-якого типу і що виконує порівняльний аналіз параметрів спрогнозованого землетрусу з тим, що трапився; - комп'ютерний автоматизований програмний комплекс для кумулятивного спектрального аналізу коливань мікросейсмічних хвиль, що є необхідним для реалізації можливості відсутності пропуску прогнозування землетрусу під час відсутності будь-якого персоналу, що повинен підтримувати роботу цього комплексу вручну. Дослідний зразок корисної моделі програмного автоматизованого комплексу для прогнозування землетрусів на базі кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних хвиль виконано на базі Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України у відділі сейсмічної небезпеки (м. Київ). Тестові випробування програмного автоматизованого комплексу для корисної моделі прогнозування землетрусів на базі кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних хвиль проводились за допомогою Інтернет-ресурсу Державного підприємства Науковотелекомунікаційного центру "Українська академічна і дослідницька мережа" ІФКС НАН України "УАРНЕТ" [13] і комп'ютерних комплексів відділу сейсмічної небезпеки Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України. Це виконувалось шляхом отримання та накопичення мікросейсмічних записів за допомогою програмного комплексу збору неперервних сейсмічних записів з міжнародного центру USGS [11] за допомогою програмного комплексу отримання записів Earth Worm [1]. Окрім того, в листопаді 2013 року було розроблено повністю автоматизоване програмне забезпечення для проведення розрахунків кумулятивних спектральних аналізів записів мікросейсмічних хвиль, отриманих з різних сейсмічних станцій USGS [11], розташованих по широкій площі усього світу. Просторова структура цих станцій показана на мапі міжнародних сейсмічних станцій [12] (Фіг. 1). Технічні результати проведених тестових випробувань корисної моделі прогнозування землетрусів у вигляді результатів роботи програмного автоматизованого комплексу представлені в Таблиці. Вони були досягнуті на базі використання кумулятивного спектрального аналізу мікросейсмічних хвиль і свідчать про високу його функціональність і надійність при неперервнім використанні цієї корисної моделі для забезпечення вирішення важливих питань по сейсмічній небезпеці у будь-якій країні. Для розвинених країн, таких як Японія або США, такий новий спосіб оцінки сейсмічної небезпеки фактично дозволить вирішити питання небезпеки для землетрусів з М>8, де небезпека від сейсмічних подій з М