способ прогноза землетрясений

Формула изобретения

Способ прогноза землетрясений, заключающийся в измерении локальных наклонов, деформаций земной поверхности и вариаций уровня грунтовых вод на площади прогностического полигона, изучении их аномальных значений и изменений тренда процесса на основе комплексной интерпретации и выявления корреляции полученных данных, отличающийся тем, что выделение предвестников землетрясений осуществляют с помощью многофункциональных измерительных систем высоких плотин, контролирующих территорию водосборной площади водохранилища, дополнительно измеряют расход и температуру фильтрационного потока, перемещения и деформации плотины совместно с вмещающим ее массивом горных пород, в качестве предвестников землетрясений используют сигналы, представляющие собой аномальные на фоне квазистационарного напряженно-деформированного состояния сооружения флуктуации и изменения тренда измеряемых параметров, полученные сигналы сопоставляют с тарировочной кривой для каждого из контрольной группы наиболее информативных датчиков, имеющих максимальную величину откликов на ранее перенесенные землетрясения, достоверность предвестников, зарегистрированных контрольными датчиками, проверяют по показаниям других, не входящих в контрольную группу датчиков, а также по показаниям измерительных систем соседних плотин в одном сейсмоактивном регионе, а после проверки выносят суждение о времени, месте и параметрах ожидаемого землетрясения на основе комплексного анализа результатов измерений, тарировочных кривых и поиска аналогов из ретроспективного ряда наблюдений за перенесенными землетрясениями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сейсмологии, сейсмометрии, гидротехники и гидроэнергетики.

В настоящее время известны сейсмометрические, геодезические, гидрогеодинамические, гидрохимические, различные геофизические методы прогноза землетрясений. В качестве долгосрочных предвестников используются аномалии гравитационного поля, движения геодезических знаков, изменения наклонов земной поверхности. Краткосрочными предвестниками являются изменения температуры, уровня и химического состава грунтовых вод, электрического и магнитного полей, электрического сопротивления горных пород, эманации родона, гелия, хлора, флуктуации электротеллурического потенциала, отклонения в поведении животных и другие [1, 2, 3, 4]

Однако, из-за длинных временных рядов и плотной сети наблюдений, единой методики и средств измерения, разнообразия сейсмотектонических условий, слабости полезных сигналов на фоне сильных помех, эти методы недостаточно эффективны и надежны в смысле прогнозирования места, времени и параметров землетрясений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является способ прогноза землетрясений, заключающийся в заблаговременном распознавании, выделении, измерении и проверке параметров предвестников землетрясений на прогностических полигонах [5] Однако и этот способ обладает теми же недостатками, что и перечисленные выше, а именно, низкой достоверностью и точностью из-за слабости сигналов, невозможности тарировки средств измерения по параметрам сейсмических толчков, ограниченной площади сбора информации.

Заявленный способ прогноза землетрясений отличается от известного тем, что выделение, интенсификация и проверка предвестников осуществляется с помощью многофункциональных измерительных систем высоких плотин, протарированных по параметрам многочисленных перенесенных толчков природной и возбужденной сейсмичности на больших площадях водосбора крупных водохранилищ.

Сущность изобретения состоит в использовании для обнаружения, идентификации и проверки предвестников действующих стандартных закладных средств измерения высоких плотин, которые рассматриваются как имплантированные в земную кору техногенные тектонические блоки с повышенной чувствительностью к современным тектоническим движениям, способные генерировать и воспринимать возбужденные землетрясения.

Высокая чувствительность плотин к геодинамическим процессам объясняется их расположением в руслах рек, являющихся, как правило, тектоническими нарушениями и наиболее благоприятными геоморфологическими объектами для выявления современных движений. Пригрузка и водонасыщение крупных поверхностных блоков земной коры весом плотины и воды в водохранилище, сезонные колебания уровня снижают параметры сопротивления сдвигу блоков по трещинам, активизируют унаследованные тектонические движения, разломы вплоть до проявлений возбужденной сейсмичности. Высокие градиенты фильтрационного напора и напряжений в основании плотины резко усиливают величину гидрогеодинамических, деформационных и геохимических предвестников.

Зарегистрированные контрольной группой наиболее чувствительных к геодинамике датчиков предвестниковые сигналы, представляющие собой изменения тренда, аномальные флуктуации графиков дренажных расходов, уровней, температуры и химического состава грунтовых вод, деформаций основания и сооружения на фоне их квазистационарного режима, идентифициpуются и проверяются на основе комплексного анализа показаний других, не входящих в контрольную группу датчиков такого же или иного типа отвесов, щелемеров, гидростатических нивелиров, струнных преобразователей. В качестве контрольной группы датчиков выбираются те средства измерения, которые при ретроспективном анализе показали наибольшее количество откликов на перенесенные землетрясения и наибольшие размеры этих откликов. Как правило, это измерительные системы фильтрационного режима, отвесы, длиннобазовые скальные деформометры, щелемеры в деформационных швах и струнные преобразователи в бетоне.

После идентификации и проверки осуществляется непрерывный контроль предвестника до момента перелома его графика. Известно [2] что предвестники действуют по схеме: "подъем-спад-толчок". Момент перелома или начало спада означает начало дилатансии (подвижки) непосредственно перед землетрясением и является стартовой точкой оперативного отсчета прогнозного времени до ожидаемого толчка. Это время определяется как среднестатистическая величина из выборки графиков-аналогов, имеющихся в банке данных многолетних наблюдений для сходных условий по уровню водохранилища, температуре и техногенным факторам (работа водосбросов и пр.).

Полученная среднестатистическая величина прогнозного времени при необходимости уточняется с помощью тарировочных кривых введением поправок на различия в условиях. Тарировочные кривые строятся на основе ретроспективного анализа для каждого датчика контрольной группы по региональному каталогу перенесенных землетрясений.

Место очага определяется по аналогам, с учетом известного расположения основных сейсмогенераторов региона, а при недостатке аналогов по квадрантам: верхний бьеф-нижний бьеф, правый берег-левый берег. Распознавание основывается на характерных различиях в появлении предвестников, связанных с различными геофизическими свойствами геологической среды по этим квадрантам: большей скоростью деформационных волн со стороны водохранилища из-за более высокой водонасыщенности и напряженности пород, отличий в гравитационных, сейсмотектонических, гидрогеодинамических, геохимических и температурных характеристик по берегам. Экспериментальные исследования показали, что предвестники появляются по берегам раздельно.

Опыт свидетельствует, что количество датчиков, фиксирующих предвестники прямо пропорционально энергии готовящегося землетрясения. Толчка можно ожидать даже в том случае, если лишь один из контрольных датчиков показывает устойчивый предвестниковый сигнал.

Заявленный способ проверен ретроспективным анализом материалов натуральных наблюдений и региональных каталогов землетрясений в районах расположения 11 высоких отечественных плотин, в том числе на плотинах Токтогульской и Курпсайской ГЭС, перенесших разрушительное Суусамырское землетрясение 18 августа 1992 года, а также специальными исследованиями ОИФЗ им. О. Ю. Шмидта РАН и ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева Минтопэнерго РФ на Чиркейской, Токтогульской, Курпсайской, Саяно-Шушенской и Зейской ГЭС. В 1994 году на Саяно-Шушенской ГЭС осуществлено опытное прогнозирование землетрясений, выполненное за 8-10 суток до толчка. Из трех прогнозов два подтвердились, третий оказался неточным, с ошибкой по времени на 2 суток.

Результаты исследований по заявленному способу рассмотрены Ассоциацией российских геомехаников, Научно-техническим советом Минтопэнерго РФ, Учеными советами ОИФЗ и ВНИИГ, докладывались на двух Всероссийских совещаниях, на семинаре в Доме ученых Санкт-Петербурга, опубликованы в 10 статьях научно-технических журналов, в том числе 3 статьи в зарубежных. Представлены два доклада на международные конгрессы по большим плотинам и механике скальных пород.

Некоторые результаты экспериментальных исследований способа приведены на фиг. 1-5.

На фиг. 1 представлено изменение тренда графиков показаний длиннобазовых скальных деформометров под влиянием землетрясений. Рисунок иллюстрирует высокую чувствительность широко применяемых в гидротехническом строительстве струнных преобразователей (скальных деформометров) к сейсмическим воздействиям. Как следует из графиков, реакция датчиков на одно и то же событие различна и зависит от поля напряжений окружающей среды. Наиболее заметный тектонический сигнал до и после землетрясения дает деформометр N 159 /фиг. 1б/, расположенный в зоне разуплотнений скалы под напорной гранью плотины. Установленные под низовым клином плотины, в зоне стабильного сжатия датчики NN 54 и 56 генерируют значительно меньший сигнал.

На фиг. 2 приведены показания пьезометров и расходомеров в период подготовки Черногорского землетрясения 28 июля 1976 года в Чечено-ингушской АССР (плотина Чиркейской ГЭС). Справа схема размещения пьезометров в цементационных штольнях левого берега. Из графика видно, что при повышении уровня водохранилища на 40 и 25 м в период подготовки землетрясения уровень воды в пьезометре N 158 за тот же период времени повысился на 70 м, а в пьезометре N 101 на 135 м, что является аномалией. Указанная аномалия сопровождалась аномальным снижением фильтрационного расхода при быстром росте напора на плотину. По указанным причинам, резкий рост пьезометрических уровней со снижением фильтрационного расхода можно уверенно считать предвестниками землетрясения.

На фиг. 3 показаны деформации контактной поверхности "скала-бетон" в основании плотины Ингурской ГЭС под влиянием землетрясений в период строительства и первого наполнения водохранилища по показаниям струнных щелемеров.

а показания контактных щелемеров у низовой грани

б то же у верховой грани

в схемы установки прибора

На фиг. 4 приведены примеры тарировочных графиков для оценки сигналов-предвестников а) и б) зависимость уменьшения дренажных расходов от энергетического класса предполагаемого землетрясения для Чиркейской и Саяно-Шушенской плотин, в) зависимость сигнала скального деформометра N 159 от величины К в основании Ингурской плотины.

Для тарировочной кривой дренажных расходов Саяно-Шушенской ГЭС проанализированы 1987 и 1988 гг. с наиболее высокой сейсмической активностью. Аналогичным образом построена кривая для скального деформометра N 159 Ингурской плотины.

Фиг. 5 иллюстрирует результаты прогноза землетрясений по изменениям дренажных расходов в основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Флажками обозначены точки отсчета прогнозного времени. Успешным оказались прогнозы N 1 и N 2 (толчки 5-го и 10-го августа). Землетрясения и их параметры (К и R) обозначены стрелками.

Как следует из материалов первого этапа исследований, прогнозированию поддаются время, энергетический класс, расстояние и квадрант расположения очага в радиусе примерно 300 км для коровых и около 700 км для более глубоких землетрясений. Дальнейшие исследования материалов совместного анализа натурных наблюдений и региональных каталогов землетрясений на двух-трех плотинах в одном сейсмоактивном регионе, развитие экспериментальных исследований могут расширить число прогнозируемых параметров и точность их определения.

Техническими результатами изобретения являются:

повышение достоверности прогнозирования землетрясений в приводохранилищных регионах с возможным уменьшением ущербов благодаря своевременно принятым мерам по предупреждению катастрофических последствий.

повышение плотности сети сейсмометрических и сейсмологических наблюдений без крупных дополнительных затрат на строительство новых сейсмостанций,

повышение надежности эксплуатации сейсмостойкости и безопасности высоких плотин путем своевременного принятия мер по защите от прогнозируемых опасных геодинамических процессов,

совершенствование методов расчета и конструирования сейсмостойких плотин, системы эксплуатационного надзора и за их состоянием. ТТТ1