способ выбора мест для установки сейсмоакустических станций при краткосрочном прогнозе землетрясений

Формула изобретения

1. Способ выбора мест для установки сейсмоакустических станций при краткосрочном прогнозе землетрясений по акустической эмиссии, включающий регистрацию акустической эмиссии в районе предполагаемой установки прогностической акустической станции, отличающийся тем, что по геологическим картам масштаба 1:50000 и крупнее оценивают мощности двух верхних слоев, моделируют распространение акустических волн, выделяют зоны усиления волн за счет рельефа местности, в пределах выделенных зон выбирают места, в которых первый слой пород имеет собственные частоты, равные верхним частотам вероятных предвестников (500 Гц), а второй - нижним частотам вероятных предвестников (5 Гц), в выбранных местах проводят детальную акустическую съемку по равномерной сети точек в масштабе 1:1000 и крупнее, и по максимальному выходу акустической энергии выбирают места установки станций.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что места для установки сейсмоакустических станций выбирают по наличию выхода на поверхность низкоскоростных пластов горных пород.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано при осуществлении краткосрочного прогноза землетрясений.

Известен способ выбора мест заложения сейсмических станций, в котором сказано, что место стоянки выбирается вдали от промышленных помех. Такая сейсмостанция служит для приема длинноволновой части сейсмических волн, созданных землетрясением. Однако для приема акустических волн - предвестников землетрясений такая стоянка не всегда пригодна, кроме того, установка прогностической станции вдали от промышленных помех не всегда возможна технически.

При решении задач прогноза землетрясений и других геодинамических процессов и явлений накоплен достаточно негативный опыт использования для этих целей отдельных признаков и явлений в основном на одном уровне. Поэтому одно из непременных требований, предъявляемое к надежной системе прогноза, заключается в том, что она должна опираться на максимально широкий комплекс значимых геолого-геофизических признаков, получаемых на разных уровнях и/или в различных средах. Причем это должен быть комплекс информативных признаков, характеризующих состояние и развитие очага землетрясения, выявленных на базе основательно проработанных фундаментальных представлений о физике, геофизике и геологии очага. Кроме того, как показывает опыт исследований ФГУП ВНИИОкеангеология, по каждому признаку должно быть ясное понимание и обоснование того, что триада - что мы измеряем, когда мы измеряем и где мы измеряем, - обеспечивает действительное измеряем, когда мы измеряем и где мы измеряем, - обеспечивает действительное информационное проникновение в исследуемую область. Ведь не секрет, что часто мы измеряем там, где удобней, где есть необходимые (цивилизованные) условия для проведения измерений типа электричества, связи, дорог и т.д. в ущерб основному требованию - измеряемые поля и величины должны иметь как можно более надежный информационный канал связи (например, волновод) наблюдателя с исследуемым очагом.

Очаги землетрясений и других геодинамических процессов и явлений отличается по физическим параметрам от вмещающих пород, а при аккумуляции энергии и возникновении напряженного состояния формирующая их среда может излучать электромагнитную, тепловую, сейсмическую и др. энергии. Это позволяет по магнитным, гравитационным, сейсмическим, электрическим и электромагнитным полям (что измерять?) картировать очаги землетрясений, а по их изменениям в специально выбранных местах (где измерять?) и в определенное время (когда измерять?), и комплексной обработке (в том числе экспертной оценке данных) - судить о надвигающихся событиях [1, 2]. Эти вопросы очевидны, однако они очень медленно «входят» в практику прогноза. Наиболее эффективно пока эти положения используются в практике геодинамических исследований ФГУП ВНИИОкеангеология.

Наиболее важной на первом этапе решения задачи прогнозирования опасных геологических процессов является выбор места установки датчиков геофизической мониторинговой системы.

На пути между наблюдателем и источником акустической эмиссии встречаются различные неоднородности, которые перераспределяют энергию акустической эмиссии - уменьшая ее в одних местах и усиливая в других, создают волноводы и резонаторы, и другие объекты, имеющие блоковое строение.

Неоднородностями могут служить грунты и их структуры, на которых устанавливаются приемники акустической, электромагнитной и другой эмиссии, волноводные свойства среды распространения акустических и других волн, образованные пластами, вертикальными зонами разлома или любыми включениями пониженной скорости. В результате практически все разрезы способны перераспределять и соответственно уменьшать (поглощать) или усиливать (за счет резонансных эффектов) акустическую энергию, и это можно использовать в практике исследования некоторых источников акустических и электромагнитных волн.

На поверхности земли на больших пространствах или на локальном участке, на котором грунты располагаются на коренных породах (породах большой сейсмической жесткости), происходит усиление колебаний за счет фокусировки акустической эмиссии тектоническими структурами, водоносными линзами, рельефом коренных пород и резонансными эффектами.

Известно, что здания, построенные на рыхлых грунтах, имеют гораздо большие разрушения, чем такие же, но возведенные на скальных основаниях. Кроме того, теоретические расчеты показывают [3], что тонкие поверхностные слои создают колебания большой амплитуды на резонансах в высокочастотной области. Условие резонанса будет наблюдаться для волн, длины которых удовлетворяют условию , где , n=1, 2, 3 , h - мощность слоя, - длина волны, - скорость в м/с и f - частота в Гц.

Тогда при =800 м/с, h=2 м и n=1 условие резонанса будет выполняться при f=100 Гц, и для всех других волн f=300 Гц и т.д.

Для изучения способности разреза к перераспределению и/или усилению энергии акустических волн и на этой основе осуществить постановку задачи поиска слабых, но усиленных в определенных местах предвестников опасных геодинамических процессов, требуется изучить и закартировать мощность акустической эмиссии в районе работ, спектральные характеристики, оценить энергию, научиться рассчитывать теоретические спектры.

Теоретические расчеты и моделирование процесса распространения акустической эмиссии в долинах, вертикальных пластах - типа зоны разлома, линзах и других локальных структурах свидетельствуют о значимом усилении колебаний в центральных зонах этих неоднородностей, а при наличии локальных включений в грунтах, в том числе резонаторов, это увеличение может достигать десяти и более раз.

Для оценки усиления сейсмических волн, необходимого для районирования территории по сейсмическому риску, используются различные типы волн, возникающих в исследуемых средах. При исследованиях усиления более высокочастотных акустических волн, когда в зависимости от частоты происходят различные резонансные и другие эффекты, целесообразно использовать лучевое распространение продольных волн и это будет достаточным для предварительного анализа предвестников опасных геологических процессов.

Районирование территорий для установки датчиков сейсмоакустической станции при проведении геодинамического мониторинга выполняется по результатам комплексных геофизических исследований верхней части разреза и заданным скоростным характеристикам разреза. Это может быть выполнено по геологическим картам масштаба 1:50000 и крупнее, на которых отображен как минимум первый (рыхлый) слой горных пород и второй - с большей скоростью распространения упругих волн слой повсеместно и/или в определенных местах.

По результатам геофизических исследований выделяются волноводы, экранные пласты, линзы, объекты с повышенной и пониженной проводимостью, скоростью, магнитной проницаемостью и др. свойствами. Оцениваются резонансные характеристики разреза. Совместная интерпретация этих данных с точки зрения обнаружения слабых аномалий - предвестников геодинамических процессов, которые по определенным каналам могут распространяться на большие расстояния, или их регистрация выполняется с минимальными помехами, или они обладают другими легко и надежно определяемыми свойствами, позволяет выделить участки (точки, площади, глубины) для установки датчиков мониторинговой системы с целью обнаружения аномалий - предвестников геодинамических процессов.

В задаче построения технологии краткосрочного прогноза землетрясений для выбора мест установки датчиков сейсмообсерватории используется и картирование выхода акустической энергии на поверхность и моделирование распространения упругих волн в земной коре. Датчики устанавливаются на участках с максимальным выходом сейсмической энергии на поверхность как по данным теоретических расчетов, так и по данным экспериментальных наблюдений.

Методика поиска мест для установки датчиков сводится к проведению площадных, в крайнем случае, профильных наблюдений для картирования ВЧР и выделения тектонических нарушений и других зон, являющихся предположительно волноводными каналами, которые связывают очаг с наблюдателем. Затем, вдоль границ раздела нарушений и других зон выполняется краткосрочный мониторинг, основанный на синхронных наблюдениях сейсмоакустических и других полей идентичными датчиками, расположенными как вдоль границ и/или нарушений, так и поперек их. Для реализации такой методики созданы геофизические комплексы с гирляндами различных датчиков:

система регистрации акустической эмиссии на основе синхронно работающих 15-ти разнесенных в пространстве датчиков, рабочие частоты которых от 1 Гц до 15 кГц;

система изучения резонансных эффектов с помощью 15-ти разнесенных и синхронно работающих сейсмоакустических датчиков.

Способ выбора мест для установки прогностических сейсмоакустических станций использует места естественного увеличения мощности предвестников ожидаемого события для решения задачи краткосрочного прогноза землетрясений по акустической эмиссии. Для реализации способа используют идентичные сейсмоакустические станции, работающие в диапазоне частот от 1 Гц до 15 КГц, с помощью которых выполняется акустическая съемка масштаба 1:10000 и крупнее, к примеру, детализация в масштабе до 1:1000. Для выбранного под установку прогностической станции района, перед выполнением акустической съемки, выполняется моделирование распространения упругих волн в разрезе по данным скоростного разреза и мощности верхних слоев с целью выявления участков, в которых может происходить усиление волн на резонансных частотах. По результатам проведения акустической съемки выделяют участки, отвечающие следующим требованиям: происходит усиление волн за счет рельефа местности; верхний слой имеет собственные частоты, равные верхним частотам вероятных предвестников (к примеру от 80 и выше Гц), а нижний слой имеет собственные частоты, равные нижним частотам вероятных предвестников (к примеру, от 1 до 10 Гц из опыта работ в заданном районе). В выбранном таким образом районе выполняется акустическая съемка по естественным шумам с целью выбора точек с максимальным выходом энергии акустической эмиссии, которая вычисляется по сумме квадратов амплитуд за определенный интервал времени (1-3 секунды или промежутку времени, равному продолжительности отдельного сигнала-предвестника, из опыта наблюдений в заданном районе) или по мощности спектров за такие же периоды времени. По полученным спектрам могут быть уточнены нижние и верхние частоты предвестников. Если на выделенных участках наблюдаются выходы пластов низкоскоростных пород, выступающих в роли волноводов, то места установки датчиков могут быть приурочены к этим выходам (к примеру, в оврагах, на крутых склонах или на вершинах антиклинальных структур).

Источники информации

1. Грамберг И.С., Паламарчук В.К. Построение системы ближнего прогноза землетрясений. // Сборник докладов восьмой международной конференции «Глубинное строение и геодинамика Фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон», Петрозаводск, 2002 г., с.79-82.

2. Паламарчук В.К., Сорокин В.М., Шпак И.П. Модель очага землетрясений как основа мониторинга сейсмоактивных зон. // Разведка и охрана недр. - М.: Недра. 2000. № 5, с.37-40

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Наука, 1973 г.