Спосіб прогнозування катастрофічних землетрусів

Реферат: Винахід належить до області прогнозування катастрофічних землетрусів. У заявленому способі на основі комплексного використання супутникової, сейсмологічної і газометричної інформації вирішуються чотири основні задачі прогнозування катастрофічного землетрусу (ЗТР): оцінка середнього часового зсуву між екстремальними значеннями об'ємів газонасиченості ґрунту поверхневого шару Землі і часом землетрусів, а також прогнозування часу, положення епіцентру і магнітуди можливого катастрофічного ЗТР. За матеріалами супутникових зйомок виявляють лінійні аномалії хмарності, які утворюються над сейсмоактивним розломом перед землетрусом, параметрами ЗТР і розподілом їх щільності у сейсмонебезпечному регіоні вибирають ділянку для газометричних вимірів, результати яких разом із сейсмологічною інформацією використовують для прогнозування таких параметрів катастрофічного землетрусу, як час, місце епіцентру і магнітуда. Спосіб забезпечує підвищення точності, надійності та ефективності прогнозування землетрусів. UA 100261 C2 (12) UA 100261 C2 UA 100261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області прогнозування землетрусів на основі виявлення змін в системі літосфера-атмосфера, обумовлених геодинамічними процесами в Землі, що призводить до збільшення об'ємів виділення газоподібних флюїдів із розломних зон і може виявлятись наземними та супутниковими методами. Аномалії вимірів об'ємів вивержень газів з глибинних шарів Землі є індикаторами тектонічних рухів і змін сейсмічної активності, пов'язаних з формуванням вогнищ землетрусів. Збільшення обсягів вивержень газоподібних флюїдів може служити провісником катастрофічних землетрусів (ЗТР) магнітудою більше 6-7 балів за шкалою Ріхтера [1, 2]. Більш високі об'єми міграції газів з глибинних шарів Землі перед сильними землетрусами спостерігаються в зонах розломів [3-9]. Розроблені моделі енергомасообміну в системі літосфера-атмосфера [3, 4, 6, 7] пояснюють більшість явищ, які відбуваються на Землі перед сильними землетрусами, шляхом вивчення вмісту і об'ємів еманації газів з активних розломів, а також пов'язаних з цим процесів утворення аномалій хмарності в атмосфері і відображення їх на супутникових зображеннях Землі [6, 7]. На сьогодні запропоновано ряд способів прогнозу землетрусів [4-7], серед яких: спосіб, що базується на зміні хімічного складу підземних вод та газів, локальних змінах вмісту радону у підземних водах [4], спосіб прогнозування землетрусів за даними вимірів тектонічних напруг в ізольованих флюїдонасичених колекторах [5] та спосіб прогнозу землетрусів [7] за даними супутникового моніторингу лінійних аномалій хмарності (ЛАХ). Спосіб прогнозу землетрусів [4], базується на явищі зміни хімічного складу підземних вод, пов'язаного з землетрусами. Встановлено, що перед початком землетрусів, під час підземних поштовхів і після них відбувається значна зміна газохімічного складу підземних вод (підвищення концентрації гелію, аргону, радону, фтору, а також зміна ізотопного складу урану). На жаль, у даному способі не вирішуються задачі прогнозу місця землетрусу і його магнітуди, без чого цей спосіб втрачає свою цінність. Важливим є те, що при підвищенні рівня сейсмічної активності у регіоні спостерігається збільшення об'ємів цих газів в підземних водах та ґрунтах [4] і цей ефект можна використовувати як провісники землетрусів. Орлов О. А. та інші запропонували спосіб прогнозування землетрусів [5] за даними вимірів тектонічних напруг в ізольованих флюїдонасичених колекторах. Наростання тектонічних напруг у природних резервуарах обчислюється за даними надлишкових пластових тисків і за наростанням тектонічних напруг у часі судять про наближення землетрусу. Розвантаження тектонічних напруг приводить до землетрусів. Цей спосіб не передбачає проведення вимірів тектонічних напруг у ряді блоків і створення спеціальної мережі спостережень. Тому він не може забезпечити надійний прогноз землетрусів. Крім того для проведення вимірів в колекторах необхідне буріння глибоких нафтогазопошукових свердловин, що потребує значних фінансових витрат. Морозова Л. І. запропонувала спосіб короткострокового прогнозу землетрусів [7] за даними супутникового моніторингу ЛАХ, який приймаємо за прототип способу, що пропонується. Спосіб [7] належить до області виявлення тектонічних напруг у земній корі та короткострокового прогнозу землетрусів. При прогнозі підвищення сейсмічної активності регіону за ЛАХ виділяють області підвищення тектонічної активності, а за перевищенням кількості ЛАХ над середньомісячними фоновими значеннями визначають ступінь сейсмічної небезпеки. При повторному виявленні ЛАХ над розломом або збільшенні їхньої кількості за період від кількох годин до 5 діб робиться висновок про наростання тектонічної активності в найближчі дні. За інтервалом часу між супутниковими зйомками і за відстанню між положеннями ЛАХ на місцевості визначається швидкість поширення тектонічних напруг у земній корі [7]. Основним недоліком способу [7], запропонованого Морозовою Л. І., є те, що він не вирішує задачу прогнозу магнітуди землетрусів. За даними Морозової Л. І. [7, 8], ЛАХ над сейсмоактивними розломами найчастіше спостерігаються за кілька діб перед сильними землетрусами. Однак є дані [6], що різниця в часі між появою аномалій хмарності і сильним землетрусом, може бути значно більшою, що пов'язано із різницею у тектонічній будові регіонів. Тому при прогнозі сильних землетрусів необхідно проводити дослідження по визначенню різниці у часі між утворенням аномалій хмарності, пов'язаних із збільшенням об'ємів потоків газів з глибинних шарів Землі (Не, СН 4 і СО2) і підвищенням сейсмічної активності [4-7]. Далі у описі способу під газами будемо розуміти ці гази. У способі, що пропонується, на основі комплексного використання супутникової, сейсмологічної і газометричної інформації вирішуються чотири основні задачі прогнозу катастрофічного землетрусу: 1 UA 100261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 - оцінка середнього часового зсуву між часом екстремальних значень об'ємів глибинних газів Землі у ґрунті, що обумовлює утворенням ЛАХ у атмосфері, і часом землетрусів, які відбуваються у регіоні; - прогноз часу катастрофічного ЗТР; - прогноз положення епіцентру катастрофічного ЗТР; - прогноз магнітуди катастрофічного ЗТР. За даними роботи [8], час життя ЛАХ над глибинними розломами може бути 100 хвилин і менше . Тому, для того, щоб зареєструвати ЛАХ, інтервал часу між супутниковими зйомками має бути не більше 1 години. Це дозволяє визначити час утворення і час зникнення ЛАХ з максимальною похибкою у дві години. Щоб забезпечити інтервал часу між зйомками у одну годину необхідно використовувати групу з 10 космічних апаратів метеорологічного супутника NOAA [6]. Для отримання надійних результатів прогнозу ЗТР у способі використовують дані супутникових і сейсмологічних спостережень за період часу не менше одного року. Для підвищення ефективності прогнозу катастрофічного землетрусу, а також для зменшення витрат на обробку і аналіз даних з каталогу [9] вибирають інформацію по ЗТР, які протягом періоду часу, за який проводився ретроспективний аналіз даних, мали магнітуду 3 бали і більше за шкалою Ріхтера. За результатами аналізу координат початку і кінця утворення ЛАХ [7], за координатами епіцентрів та розподілом щільності ЗТР у регіоні (їх параметри вибирають з сейсмологічного каталогу [9]), вибирають положення ділянки - смуги глибинного розлому, де очікується катастрофічний землетрус. Для підвищення точності прогнозування параметрів катастрофічного землетрусу в межах визначеної ділянки смуги глибинного розлому розташовують мережу газометричних станцій (ГС) (фіг. 1), на яких кожні 60 секунд у цифровій формі проводять виміри газонасиченості (сума об'ємів глибинних газів Не, СН4 і СO2 ) ґрунту на глибині не менше 0,5 м від поверхні Землі. Дані цифрових вимірів об'ємів глибинних газів у ґрунті на ГС передають за допомогою засобів радіозв'язку до спеціального центру прогнозу ЗТР, де обробляють, у тому числі обчислюють сумарні об'єми всіх глибинних газів і дані про параметри ЗТР, які вибирають з каталогу [9]. Довжину ділянки розлому, де проводять виміри, задають з урахуванням похибки прогнозу центру ділянки за ЛАХ (чим більше похибка тим більше розміри ділянки), а відстань між ГС визначають з урахуванням розмірів гіпоцентральної області вогнища катастрофічного землетрусу [1]. Для забезпечення надійності прогнозування ЗТР довжина вибраної ділянки глибинного розлому повинна становити не менше 100 км, а відстань між ГС повинна бути не більше 10 км. Зменшення відстані між ГС дозволяє підвищити точність прогнозування місця і часу катастрофічного землетрусу, але це приводить до збільшення витрат на ці роботи. Для зменшення впливу завад і підвищення точності вимірів об'ємів газу датчики ГС занурюють на глибину не менше ніж 0.5 м. Одночасно з вимірами об'ємів глибинних газів у ґрунті проводять вибірку з каталогу ЗТР [9] часу, координат епіцентрів і магнітуд землетрусів, які відбуваються у регіоні. За результатами вимірів об'ємів газів на всіх ГС обчислюють середній часовий зсув між часом екстремумів залежності об'ємів газів від часу і часом ЗТР. Це дозволяє зменшити похибку у визначенні цього параметра. На фіг. 2 наведено графік залежності об'ємів газу від часу, на якому по осі ординат винесено значення об'ємів газу (V), зареєстровані однією газометричною станцією, а по осі абсцис - час вимірів (t). За графіком, який виводиться на екран монітора комп'ютера, визначають час екстремумів вимірів і значення об'ємів газів (V1, V2,..., Vk) , а стрілками - час землетрусів. На кожній ГС за результатами аналізу графіка визначають зсуви між часом екстремумів t , t ,... t 2 k) залежності газонасиченості ґрунтів і часом землетрусів. На фіг. 2 часові зсуви ( 1 показано нижче осі абсцис. За даними вимірів газонасиченості ґрунту на n-ій ГС (n=1,.....N) для кожного з К землетрусів t k n між часом землетрусів і часом відповідних екстремумів газонасиченості визначають зсув ґрунтів, за якими обчислюють середній часовий зсув: K t СЕР  ( 55 1 N  t 1 k n ) / KN , (1) 2 UA 100261 C2 t СЕР за вибіркою з К землетрусів використовують для прогнозу Середній часовий зсув часу (k +1) -го землетрусу, добавляючи його до часу k-го екстремуму газонасиченості ґрунту, а час катастрофічного ЗТР оцінюють за формулою: K TЗТР 1  T (VMAX )  t СЕР 5 10 15 20 , (2) T (VMAX ) - час найбільшої газонасиченості ґрунтів перед К-им землетрусом, який де оперативно визначається на центрі обробки і аналізу даних по всіх ГС. Прогноз положення епіцентру катастрофічного землетрусу виконується на основі співставлення результатів вимірів на різних ГС. Визначається ГС, на якій спостерігається найбільша газонасиченість ґрунтів, що обумовлено формуванням вогнища майбутнього землетрусу. Похибка прогнозу положення місця ЗТР не перебільшує відстані між ГС. Магнітуда землетрусу [1] характеризує його енергію. Відомо [1, 2], що руйнівними є землетруси з магнітудами більше 6-7 балів за шкалою Ріхтера. Магнітуда землетрусу пов'язана з його енергією співвідношенням [1]: lgE= 1,44M + 5,24, (3) де Е вимірюється у джоулях. Для землетрусів з магнітудами більше 6 балів формула (3) може бути представлена у більш простій формі: lgE  2.5M, (4) З формули (4) можна отримати рівняння для енергії землетрусу: 2.5M Е = 10 (5) Відношення енергій К-го і (К+1) землетрусів визначають за значеннями їх магнітуд за формулою: E K 1  10 EK M K 1 MK . (6) Енергію К-го землетрусу визначають за значеннями енергії (K-1) -го і об'ємами газу у ґрунті перед (К-1) -им і К -им землетрусами за формулою: E k ,n  E k 1,n 25 де e k 1,n V і Vke,n Vke1,n e k ,n V ,(7) - екстремальні значення газонасиченості ґрунтів на n-ій станції перед (k -1) E 30 E им і k - им землетрусами, a K 1, n і K , n - значення їх енергії. З сейсмологічного каталогу [9] вибирають значення магнітуди Мk і координати епіцентру (Xk,Yk,Zk) к -го землетрусу. Середнє значення коефіцієнта зв'язку (QCEP) між об'ємами газів, зареєстрованих на всіх ГС, і енергією відповідних землетрусів за період часу, протягом якого відбулись K землетрусів, визначають за формулою: N K e k ,n MK M K 1 V 10 Vke1, n n 1 k 1 QCEP   35 . (8) За середнім значенням коефіцієнта QCEP , обчисленим за К землетрусами, і максимальною газонасиченістю ґрунтів визначають магнітуду (К +1) -го катастрофічного землетрусу за формулою: M k 1  M k Q СЕР 40 45 . (9) Спосіб реалізується шляхом виконання етапів (фіг. 3), більшість яких виконується в центрі обробки і аналізу супутникової, сейсмологічної і газометричної інформації: 1. З архівів даних зйомок метеорологічних супутників (типу NOAA) зчитують всі космічні знімки, які були зареєстровані за інтервал часу не менше одного місяця перед землетрусами з магнітудами 3 і більше балів. 2. За матеріалами супутникових зйомок протягом інтервалу часу не менше одного місяця перед землетрусами з магнітудами 3 і більше балів виявляють лінійні аномалії хмарності і визначають їх параметри (час існування, координати початку і кінця, напрям простягання). 3 UA 100261 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 3. З сейсмологічного каталогу вибирають інформацію про параметри землетрусів з магнітудами 3 і більше балів (за шкалою Ріхтера), які відбувались у регіоні протягом одного року. 4. Проводять аналіз параметрів ЗТР (час, координати епіцентру і магнітуда), які відбулись протягом одного року сейсмологічних спостережень. 5. За параметрами ЛАХ і ЗТР визначають ділянку глибинного розлому, де спостерігається найбільша сейсмічна активність. 6. В районі виділеної ділянки глибинного розлому розташовують газометричні станції для вимірів об'ємів газів у ґрунті поверхневого шару Землі (на глибинах не менше 0.5 м ). 7.На кожній з ГС проводять виміри залежності об'ємів виділення газів від часу і передають у цифровому вигляді за допомогою засобів радіозв'язку у центр обробки і аналізу даних та прогнозу землетрусів. 8. В центрі обробки даних на екран монітору ПЕВМ виводять залежності об'ємів газів від часу, передані з ГС, і час ЗТР з магнітудами 3 і більше балів, за часом екстремумів об'єму газів у ґрунті і часом ЗТР визначають часові зсуви між ними для кожної ГС і середній зсув між часом викидів газів і часом землетрусів за всіма ГС. 9. За координатами ГС, на якій спостерігається найбільша газонасиченість ґрунту порівняно з іншими ГС, визначають місце епіцентру можливого катастрофічного землетрусу. 10. За формулою (2) визначають час катастрофічного ЗТР як суму часу максимального екстремуму вимірів об'ємів газу на ГС з найбільшою газонасиченістю ґрунту і значенням середнього часового зсуву між екстремумами об'ємів газів у ґрунті і ЗТР, визначеного за даними вимірів на всіх ГС. 11. За формулою (9) оцінюють магнітуду катастрофічного ЗТР за результатами обчислення середнього значення коефіцієнта зв'язку між об'ємом виділень газів і магнітудою ЗТР, який відбувся перед попереднім найбільшим екстремумом об'ємів газу у ґрунті. Отримана в результаті використання запропонованого способу інформація про час, положення епіцентру і магнітуду можливого катастрофічного землетрусу дозволить визначити рівень можливої небезпеки на різних ділянках регіону, заздалегідь повідомити населення і не допустити значних жертв серед населення. Джерела інформації: 1. Буллен К. Е. Введение в теоретическую сейсмологию. - М.: Изд-во «Мир», 1966. - 455 с. 2. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения сплошных сред. В 2-х частях. Часть 2. - М.: «Мир», 1985. - 730 с. 3. Шнюков Е. Ф., Пасынков А. А., Клещенко С. А. и др. Газовые факелы на дне Черного моря, - К.: ОМГОР НАН Украины, 1999. - 134 с. 4. Султанходжаев А. Н. и др. Способ прогнозирования землетрясений. Авторское свидетельство, 1989. 5. Орлов О. А., Трубенко О. М., Бенько В. М., Омельченко В. Г., Чорний M. I. Спосіб прогнозування землетрусів за даними тектонічних напруг в ізольованих флюїдоносних колекторах. Патент України № 61600. Опубліковано 17.11.2003, Бюл. № 11, 2003. 8 с 6. Show, Z.H. Earthquake Clouds a reliable precursor. Science & Utopia 64, 53-57 (1999) in Turkish. Earthquake Clouds & Short Term Prediction http://quake.exit.com. 7. Морозова Л. И. Способ определения тектонической активности территорий в реальном масштабе времени. Описание изобретения к авторскому свидетельству. Государственный фонд промышленной собственности Республики Узбекистан. № 2084. Класс - 5 G01V 9/00. публиковано 24.04.1994. № 3 (5). С. 115. Ташкент. 8. Морозова Л. И. К вопросу об активности разломов, выявляемой в поле облачности на спутниковых снимках Земли. Исследования Земли из космоса, 2005. - № 2. - С. 27-30. 9. Національний інформаційний центр землетрусів (Геологічна служба США) National earthquake information center: http://earthquake.usgs.gov/regional/neic/ ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Спосіб прогнозування катастрофічних землетрусів (ЗТР) у сейсмонебезпечному регіоні Землі, що включає виявлення лінійних аномалій хмарності (ЛАХ) за даними супутникових зйомок, аналіз даних про ЗТР і виявлення сейсмоактивної ділянки глибинного розлому, який відрізняється тим, що додатково з сейсмологічного каталогу вибирають інформацію по ЗТР, які протягом щонайменше року у визначеному регіоні мали магнітуду щонайменше 3 бали за шкалою Ріхтера, за параметрами ЛАХ і вибраною інформацією по попередніх ЗТР визначають ділянку глибинного розлому з найбільшою сейсмічною активністю, на визначеній ділянці 4 UA 100261 C2 5 глибинного розлому розташовують мережу газометричних станцій (ГС), на яких проводять режимні вимірювання сумарного об'єму глибинних газів Землі, таких як Не, СН 4 і СО2, у ґрунті, одночасно вибирають дані про час, координати епіцентру і магнітуди попередніх ЗТР, обчислюють середній часовий зсув між часом екстремальних значень об'ємів глибинних газів у ґрунті на ГС і часом попередніх ЗТР, визначають час прогнозованого катастрофічного ЗТР як суму часу екстремального об'єму газу у ґрунті і середнього часового зсуву на ГС, місце прогнозованого ЗТР визначають за координатами ГС, на якій спостерігаються найбільші об'єми газів у ґрунті, і за їх значеннями і магнітудою попередніх ЗТР визначають магнітуду прогнозованого катастрофічного ЗТР. 5 UA 100261 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6