RU2337382C1 - Method of short-term earthquake forecast - Google Patents

Method of short-term earthquake forecast Download PDF

Info

Publication number
RU2337382C1
RU2337382C1 RU2007121530/28A RU2007121530A RU2337382C1 RU 2337382 C1 RU2337382 C1 RU 2337382C1 RU 2007121530/28 A RU2007121530/28 A RU 2007121530/28A RU 2007121530 A RU2007121530 A RU 2007121530A RU 2337382 C1 RU2337382 C1 RU 2337382C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signals
time
recorded
magnitude
planes
Prior art date
Application number
RU2007121530/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В чеслав Федорович Давыдов (RU)
Вячеслав Федорович Давыдов
Анатолий Владимирович Корольков (RU)
Анатолий Владимирович Корольков
Игорь Викторович Сорокин (RU)
Игорь Викторович Сорокин
Светлана В чеславовна Давыдова (RU)
Светлана Вячеславовна Давыдова
Олег Генрихович Анисимов (RU)
Олег Генрихович Анисимов
Original Assignee
Московский государственный университет леса
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский государственный университет леса filed Critical Московский государственный университет леса
Priority to RU2007121530/28A priority Critical patent/RU2337382C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2337382C1 publication Critical patent/RU2337382C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method for short-term earthquake forecast includes registration of seismic background waves in two distanced points of base, registration of time when regular component of infrasound signal appears, defining fractal magnitude of amplitude-frequency response of the component, tracking time history of fractal magnitude, calculation of dynamic process time constant (T), forecast of expected shock characteristics: shock time ty=4.7 T, shock magnitude lg ty[day]=0.54 M - 3.37, hypocentre as cross-point of sight lines drawn from the base direction at angles
Figure 00000004
Figure 00000005
where Bx1(0), B y1(0) are autocorrelation function values for signals at zero point on the planes (x, y) of first seismic receiver; Bx2(0), By2(0) are autocorrelation function values for signals at zero point on the planes (x, y) of second seismic receiver.
EFFECT: extension of earthquake forecast interval to 4 hours.
6 dwg

Description

Изобретение относится к геофизике и может найти применение в сейсмологии при создании полигонов геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.The invention relates to geophysics and may find application in seismology when creating geophysical observation ranges in earthquake-prone regions of the planet.

На настоящий момент выявлено множество долгосрочных признаков-предвестников зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, в кн. Т.Рикитаке «Предсказание землетрясений», перев. с англ., Мир, М, 1979 г., табл.15.13 стр.314-333]. Известные признаки имеют продолжительные интервалы (годы) существования, но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара и его магнитуду. Другой класс - краткосрочные признаки-предвестники. Они проявляются за несколько суток (часов) до удара, но, в силу отсутствия технических средств для их измерения, не могут быть своевременно обнаружены. Среди наиболее значимых краткосрочных признаков-предвестников, измеренных средствами глобальной навигационной системы позиционирования (GPS, NAVSTAR,) является раскачка очага землетрясения перед ударом. Раскачка сопровождается распространением от гипоцентра очага сверхдлинных (с периодом ~104 сек) литосферных волн [см, например, «Способ предсказания землетрясений», Патент RU №2170446, G01V, 9/00, 2001 г.]. Известен и такой признак-предвестник землетрясений, как изменение спектра шумов сейсмического фона, так называемое «затишье» непосредственно перед ударом [см, например. Патент RU №2181205, G01V, 9/00, 2002 г.].To date, many long-term signs-precursors of the zone of the prepared earthquake have been identified [see, for example, in book. T. Rikitake “Earthquake Prediction”, trans. from English., World, M, 1979, table 15.13 p. 314-333]. Known signs have long intervals (years) of existence, but do not allow to accurately predict the moment of impact and its magnitude. Another class is short-term forerunners. They appear several days (hours) before the impact, but, due to the lack of technical means for measuring them, they cannot be detected in a timely manner. Among the most significant short-term precursor signs, measured by the global navigation positioning system (GPS, NAVSTAR,) is the buildup of the earthquake source before the impact. The buildup is accompanied by the propagation from the hypocenter of the focus of extra-long (with a period of ~ 10 4 sec) lithospheric waves [see, for example, “Method for predicting earthquakes”, Patent RU No. 2170446, G01V, 9/00, 2001]. Also known is a sign of earthquake precursor, such as a change in the noise spectrum of the seismic background, the so-called “lull” immediately before the impact [see, for example. Patent RU No. 2181205, G01V, 9/00, 2002].

Достоверное предсказание могут обеспечить те методы регистрации, которые основаны на измерении первопричин землетрясения. В теоретическом плане существует несколько геофизических моделей, претендующих на обоснование первопричин землетрясений [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.14-16]. Истинная модель подготовки землетрясений должна, очевидно, выявить и новый, абсолютный признак-предвестник, сопровождающий все без исключения случаи.Reliable prediction can be provided by those registration methods that are based on measuring the root causes of the earthquake. Theoretically, there are several geophysical models that claim to justify the root causes of earthquakes [see, for example, “Short-term forecast of catastrophic earthquakes using radiophysical ground-space methods”. Conference reports, RAS, OIFZ them. O.Yu. Schmidt, M., 1998, pp. 14-16]. The true model of earthquake preparation should obviously reveal a new, absolute sign-precursor that accompanies all cases without exception.

В качестве одной из первопричин землетрясений рассматривают потерю устойчивости земной коры при ее насыщении легкими газами (водород, гелий), обильно выделяющимися из зоны подготавливаемого землетрясения накануне удара.One of the root causes of earthquakes is the loss of stability of the earth's crust when it is saturated with light gases (hydrogen, helium), which liberally liberate from the zone of the prepared earthquake on the eve of the impact.

Насыщение земной коры газовой компонентой приводит к изменению ее вязко-упругих характеристик, за счет чего коэффициенты упругости в связях неограниченно возрастают во времени, стремясь к обеспечению абсолютно жесткого сцепления и образованию блока, охватывающего всю зону подготавливаемого землетрясения. В результате, из-за увеличения размеров колебательных элементов спектр шума сейсмического фона зоны подготавливаемого землетрясения смещается в инфразвуковой диапазон. Известен класс устройств мембранного типа, позволяющих измерять инфразвуковые колебания земной коры [см., например, «Кондуктометрический датчик колебаний». Патент RU №2055352, G01N, 27/02, 1996 г. - аналог].Saturation of the earth's crust with a gas component leads to a change in its viscoelastic characteristics, due to which the elastic coefficients in the bonds infinitely increase in time, striving to ensure absolutely rigid adhesion and the formation of a block covering the entire zone of the prepared earthquake. As a result, due to the increase in the size of the vibrational elements, the noise spectrum of the seismic background of the zone of the prepared earthquake shifts to the infrasonic range. A class of membrane-type devices is known that makes it possible to measure infrasonic vibrations of the earth’s crust [see, for example, “Conductometric vibration sensor”. Patent RU No. 2055352, G01N, 27/02, 1996 - analogue].

Устройство аналога содержит чувствительный элемент, выполненный в виде полого герметичного корпуса, закрытого с торцов упругими мембранами в составе двух полостей, соединенных каналом и заполненных токопроводящей жидкостью (электролитом). В канале расположены электроды, перекрывающие сечение канала, параллельные между собой, и оси чувствительности, их с обеих сторон охватывают противоэлектроды. Чувствительный элемент жестко закреплен в защитном корпусе, причем его подмембранные полости, с помощью соединительного канала, свободно общаются друг с другом. Внешнее воздействие приводит к колебаниям электролита относительно электродов, благодаря чему изменяется количество подводимого к ним электролитического вещества, что изменяет электрическое сопротивление в приэлектродной области. В фоновом токе, текущем через электролит, появляется переменная составляющая, амплитуда и частота которой пропорциональны внешнему воздействию. Датчик имеет высокую чувствительность и линейность выходной характеристики в области инфрачастот. Он может использоваться в любой пространственной ориентации, т.е. осуществлять измерения во взаимно перпендикулярных плоскостях. На основе датчика выполнена промышленная разработка многокомпонентных инфразвуковых сейсмоприемников, используемых в аппаратуре низкочастотной акустической разведки (АЧАР) при поиске нефтегазовых месторождений [см., например, Патент RU №2045079, G01V, 1/00, 1995 г.].The analogue device contains a sensitive element made in the form of a hollow sealed enclosure closed from the ends by elastic membranes in two cavities connected by a channel and filled with a conductive liquid (electrolyte). In the channel there are electrodes overlapping the channel cross section, parallel to each other, and the sensitivity axis, they are covered on both sides by counter electrodes. The sensitive element is rigidly fixed in the protective housing, and its submembrane cavities, using the connecting channel, communicate freely with each other. External influence leads to oscillations of the electrolyte relative to the electrodes, due to which the amount of electrolyte substance supplied to them changes, which changes the electrical resistance in the near-electrode region. In the background current flowing through the electrolyte, an alternating component appears, the amplitude and frequency of which are proportional to the external effect. The sensor has high sensitivity and linearity of the output characteristic in the field of infra-frequencies. It can be used in any spatial orientation, i.e. take measurements in mutually perpendicular planes. Based on the sensor, the industrial development of multicomponent infrasonic seismic receivers used in low-frequency acoustic reconnaissance equipment (ACAR) for oil and gas fields was performed [see, for example, Patent RU No. 2045079, G01V, 1/00, 1995].

Ближайшим аналогом к заявляемому является «Способ краткосрочного предсказания землетрясений», Патент RU №2181205, G01V, 9/00, 2002 г.]. В способе ближайшего аналога регистрируют волны сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала А(t) в двух разнесенных по координатам пунктах, рассчитывают спектр Фурье от зарегистрированной функции с объемом отсчетов в каждой выборке N≥2Fmax/σ, вычисляют интервал корреляции τ, регистрируют начало изменения параметра τ и при его непрерывном отслеживании фиксируют время запаздывания Δτ изменения фазы данного признака между двумя пунктами, рассчитывают направляющий косинус траверзы прихода сверхнизких волн очага

Figure 00000006
, определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиус-векторов с косинусом угла при вершинеThe closest analogue to the claimed is the "Method of short-term earthquake prediction", Patent RU No. 2181205, G01V, 9/00, 2002]. In the closest analogue method, seismic background waves are recorded in the form of a continuous sequence of discrete samples of the signal amplitude A (t) at two points spaced along the coordinates, the Fourier spectrum of the recorded function with the sample volume in each sample N≥2F max / σ is calculated, the correlation interval τ is calculated , the beginning of the change in the parameter τ is recorded and, with its continuous monitoring, the delay time Δτ of the phase change of this feature between two points is recorded, the guide cosine of the traverse yes ultra-low focus waves
Figure 00000006
, determine the hypothetical center of the focus as the point of intersection on the beam of the radius vectors with the cosine of the angle at the vertex

Figure 00000007
Figure 00000007

вычисляют период Т0 параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду М≈110/Т02 (час) и время удара tх≈2,3Т0, где:the period T 0 of the parameter τ is calculated and the magnitude M≈110 / T 0 2 (hour) and the impact time t x ≈2.3T 0 are predicted by its magnitude, where:

Fmax - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц;F max - the maximum frequency of the spectrum of the seismic background, Hz;

σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений;σ is the standard error of the calculation of the Fourier spectrum from a discrete sample of measurements;

а - длина базы между двумя пунктами, м;a - the length of the base between two points, m;

V - скорость сейсмических волн в земной коре, м/с;V is the speed of seismic waves in the earth's crust, m / s;

B1(0), В2(0) - значения автокорреляционных функций сигнала в нуле для каждого пункта.B 1 (0), B 2 (0) are the values of the autocorrelation functions of the signal at zero for each point.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:The disadvantages of the closest analogue include:

- интервал автокорреляции сигнала τ определяется, в первую очередь, скоростью изменения сейсмического фона, поэтому измерение параметра запаздывания Δτ технически трудно реализуемо, поскольку оно практически не зависит от размера базы;- the autocorrelation interval of the signal τ is determined, first of all, by the rate of change of the seismic background, therefore the measurement of the delay parameter Δτ is technically difficult to implement, since it practically does not depend on the size of the base;

- в формулу направляющего косинуса входит неопределяемый параметр V - скорость литосферных волн в земной коре, которая может изменяться в интервале от 1,2 до 2.5 км/с, что вносит существенную ошибку в результат определения гипоцентра;- the indeterminable parameter V is included in the formula of the directing cosine - the velocity of lithospheric waves in the earth's crust, which can vary in the range from 1.2 to 2.5 km / s, which introduces a significant error in the result of determining the hypocenter;

- неточность регрессионных зависимостей определения магнитуды и времени удара, в частности, известно из соотношений Гутенберга-Рихтера, что чем больше время (Т0), тем магнитуда ожидаемого удара должна быть больше.- the inaccuracy of the regression dependencies for determining the magnitude and time of the impact, in particular, is known from the Gutenberg-Richter relations that the longer the time (T 0 ), the greater the magnitude of the expected impact.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в расширении интервала времени упреждающего предсказания землетрясения, повышении точности и достоверности прогнозируемых параметров путем выделения скрытой информации из амплитудно-частотных характеристик инфразвукового сигнала на основе расчета их фрактальной размерности и отслеживания динамики ее изменения.The problem solved by the claimed method is to extend the time interval of the predictive earthquake prediction, increase the accuracy and reliability of the predicted parameters by extracting hidden information from the amplitude-frequency characteristics of the infrasound signal based on the calculation of their fractal dimension and tracking the dynamics of its change.

Технический результат достигается тем, что в способе краткосрочного предсказания землетрясений регистрируют волны сейсмического фона в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, проводят совместную обработку зарегистрированных сигналов вычислением функций их автокорреляции, дополнительно регистрацию осуществляют двухкоординатными (x, y) сейсмоприемниками в инфразвуковом диапазоне, при этом оси чувствительности сейсмоприемников по координате (x) ориентируют по направлению базы, фиксируют время появления регулярной составляющей инфразвукового сигнала и определяют фрактальную размерность его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отслеживают динамику изменения фрактальной размерности АЧХ и находят постоянную времени (Т) динамического процесса, прогнозируют параметры ожидаемого землетрясения: время удара, отсчитываемое от момента появления инфразвукового сигнала, ty=4,7 Т, магнитуду М из соотношения: lg ty[сут]=0,54 М - 3,37, координаты гипоцентра очага отождествляют с точкой пересечения направляющих косинусов, отсчитываемых от направления оси базы:The technical result is achieved by the fact that in the short-term earthquake prediction method, waves of seismic background are recorded at two points spaced on the measuring base, the registered signals are jointly processed by calculating their autocorrelation functions, additionally, registration is performed by two-coordinate (x, y) geophones in the infrasonic range, with the axis sensitivity of the geophones along the coordinate (x) is oriented in the direction of the base, the time of occurrence of the regular component is recorded st of infrasonic signal and determining the fractal dimension of its amplitude-frequency characteristic (AFC), track the dynamics of change of the fractal dimension of the response and finds the time constant (T) of the dynamic process, predict parameters expected earthquake: shock time counted from the moment of occurrence of infrasound signal, t y = 4.7 T, magnitude M from the relation: log t y [days] = 0.54 M - 3.37, the coordinates of the focus hypocenter are identified with the intersection point of the guiding cosines, measured from the direction of the base axis:

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000008
Figure 00000009

где Bx1(0), By1(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y первого сейсмоприемника;where B x1 (0), B y1 (0) are the values of the autocorrelation functions of the signals at zero in the x, y planes of the first geophone;

Вх2(0), Вy2(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y второго сейсмоприемника.In x2 (0), In y2 (0) are the values of the autocorrelation functions of the signals at zero in the x, y planes of the second geophone.

Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

фиг.1 - нелинейная упруго-вязкая модель насыщения земной коры газовой компонентой;figure 1 - non-linear elastic-viscous model of the saturation of the earth's crust with a gas component;

фиг.2 - одна из реализации решения нелинейного дифференциального уравнения модели в виде изменяющегося спектра колебаний очаговой зоны;figure 2 - one of the solutions of the nonlinear differential equation of the model in the form of a changing spectrum of oscillations of the focal zone;

фиг.3 - амплитудно-частотные характеристики сейсмического фона очаговой зоны инфразвукового диапазона;figure 3 - amplitude-frequency characteristics of the seismic background of the focal zone of the infrasound range;

фиг.4 - динамика изменения фрактальной размерности регистрируемого инфразвукового сигнала;figure 4 - dynamics of changes in the fractal dimension of the recorded infrasound signal;

фиг.5 - схема пеленгации источника инфразвукового сигнала;figure 5 - diagram of the direction finding source of the infrasound signal;

фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.6 is a functional diagram of a device that implements the method.

Техническая сущность способа состоит в следующем.The technical essence of the method is as follows.

Установлено [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., стр.27-28, рис.1-2], что накануне землетрясения происходит активная эманация газов (водород, гелий, радон) из земной коры. Насыщение земной коры газовой компонентой приводит к изменению ее вязко-упругих характеристик. Нелинейная упруго-вязкая модель насыщения земной коры газовой компонентой иллюстрируется фиг.1. Математическая модель вязко-упругих характеристик земной коры представлялась в виде системы дифференциальных уравнений:It has been established [see, for example, “Short-term forecast of catastrophic earthquakes using radiophysical ground-space methods”. Conference reports RAS, OIFZ them. O.Yu. Schmidta, M., 1998, pp. 27-28, Fig. 1-2] that on the eve of the earthquake there is an active emanation of gases (hydrogen, helium, radon) from the earth's crust. Saturation of the earth's crust with a gas component leads to a change in its visco-elastic characteristics. A nonlinear elastic-viscous model of saturation of the earth's crust with a gas component is illustrated in Fig. 1. The mathematical model of the visco-elastic characteristics of the earth's crust was presented in the form of a system of differential equations:

Figure 00000010
Figure 00000010

i=1,,,, ni = 1 ,,,, n

Функции ki(t) для всех i определяются какThe functions k i (t) for all i are defined as

ki(0)=0k i (0) = 0

ki(t)+α·dt с вероятностью (1-р)k i (t) + α · dt with probability (1-p)

ki=(t+dt)=k i = (t + dt) =

0 с вероятностью р0 with probability p

р - вероятность сброса упругих связей.p is the probability of dumping elastic bonds.

В начальный момент t=0 элементы неподвижны xi=0, i=0... n+1At the initial moment t = 0, the elements are motionless x i = 0, i = 0 ... n + 1

Масса mi совершает колебание x0(t)=sin(ωt), масса mi+1 неподвижна xn+1(t)=0.The mass m i oscillates x 0 (t) = sin (ωt), the mass m i + 1 is motionless x n + 1 (t) = 0.

Блоки земной коры в модели контактируют через систему последовательных элементов с упругой связью. Частота собственных колебаний механической системы и размеры колебательных «зерен» зависят от коэффициента жесткости ki(t+α·dt), который изменяется от степени насыщения земной коры газовой компонентой. Решение дифференциальных уравнений модели осуществлялось по специально разработанной математической программе. Из решения дифференциальных уравнений модели следует, что размеры «зерен» увеличиваются от единиц метров до нескольких км, а частота сейсмического фона очаговой зоны изменяется от звукового диапазона (единицы кГц) до инфразвукового диапазона (долей Гц). Изменение спектра сейсмического фона очаговой зоны (как одна из реализации решения дифференциальных уравнений модели) иллюстрируется графиком фиг.2.The blocks of the earth's crust in the model are in contact through a system of sequential elements with an elastic connection. The frequency of natural vibrations of the mechanical system and the size of the vibrational “grains” depend on the stiffness coefficient k i (t + α · dt), which varies with the degree of saturation of the earth's crust with a gas component. The differential equations of the model were solved according to a specially developed mathematical program. From the solution of the differential equations of the model it follows that the size of the grains increases from units of meters to several kilometers, and the frequency of the seismic background of the focal zone varies from the sound range (units of kHz) to the infrasound range (fractions of Hz). The change in the spectrum of the seismic background of the focal zone (as one of the implementation of the solution of the differential equations of the model) is illustrated by the graph of figure 2.

Сам факт появления в спектре сейсмического фона регулярной составляющей инфразвукового диапазона свидетельствует о начале переходного процесса к сбросу энергии энергонасыщенной очаговой зоной.The very fact that a regular component of the infrasonic range appears in the spectrum of the seismic background indicates the beginning of the transition process to the release of energy by the energy-saturated focal zone.

За счет насыщения газом коэффициенты упругости в связях неограниченно возрастают во времени, стремясь к обеспечению абсолютно жесткого сцепления, а вся область зоны подготавливаемого землетрясения превращается в монолитный блок. При этом частота собственных колебаний блока из-за его больших размеров (100-150 км в диаметре) составляет 10-3...10-4 Гц.Due to gas saturation, the elastic coefficients in the bonds increase unlimitedly in time, striving to ensure absolutely rigid adhesion, and the entire region of the prepared earthquake zone turns into a monolithic block. In this case, the frequency of natural vibrations of the block due to its large size (100-150 km in diameter) is 10 -3 ... 10 -4 Hz.

На фиг.2 - это участок сверхдлинных литосферных волн раскачки очага, измеренный средствами космической навигационной системы GPS [см. Патент RU №2170446, 2001 г.], занимает интервал ~8 час.In Fig.2 is a plot of ultra-long lithospheric waves of the buildup of the focus, measured by means of the space navigation system GPS [see Patent RU No. 2170446, 2001], takes an interval of ~ 8 hours.

Если осуществлять непрерывный контроль сейсмического фона в инфразвуковом диапазоне (от 16 Гц), то можно расширить интервал упреждающего предсказания землетрясений на время прохождения динамического процесса раскачки очага перед ударом через этот интервал. На фиг.2 - это средний участок графика функции с временем существования порядка 2...4 час. Известно [см., например, Р.Дуда, П.Харт «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ., Мир, М., 1976 г., гл. Пространственное дифференцирование], что максимум информации о происходящих процессах содержится в образе объекта. Скрытую информацию о динамическом переходном процессе очаговой зоны содержит форма (образ) регистрируемого сигнала, т.е. его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Признаком формы функции сигнала является введенная Мандельбротом фрактальная размерность [см., например, Mandelbrot В. Fractals. Forms, Chance and Dimension. Freeman, San-Francisco, 1997]. Зарегистрированные АЧХ инфразвукового сигнала иллюстрируются фиг.3. Вначале регистрируемый сигнал содержит спектр инфразвуковых частот. АЧХ такого сигнала занимает некоторую полосу (фиг.3, а) с соизмеримой амплитудой каждой из гармоник. Затем сигнал превращается в моноколебание с нарастающей амплитудой (фиг.3, б). В технике, для снятия АЧХ при изменении несущей используют так называемые следящие фильтры [см. Комплект виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO, Дания, «Следящий фильтр», модель 2020].If we continuously monitor the seismic background in the infrasonic range (from 16 Hz), then we can extend the interval of proactive earthquake prediction by the time of the dynamic process of the buildup of the source before impact through this interval. Figure 2 is the middle section of the graph of the function with a lifetime of the order of 2 ... 4 hours. It is known [see, for example, R. Duda, P. Hart "Pattern Recognition and Scene Analysis", trans. from English., World, M., 1976, ch. Spatial differentiation], that the maximum information about ongoing processes is contained in the image of the object. Hidden information about the dynamic transient process of the focal zone contains the form (image) of the recorded signal, i.e. its amplitude-frequency characteristic (AFC). A sign of the shape of the signal function is the fractal dimension introduced by Mandelbrot [see, for example, Mandelbrot B. Fractals. Forms, Chance and Dimension. Freeman, San-Francisco, 1997]. The recorded frequency response of the infrasound signal is illustrated in Fig.3. Initially, the recorded signal contains a spectrum of infrasound frequencies. The frequency response of such a signal occupies a certain band (Fig. 3, a) with a comparable amplitude of each of the harmonics. Then the signal turns into a single oscillation with increasing amplitude (Fig.3, b). In technology, to remove the frequency response when changing the carrier, the so-called follow-up filters are used [see A set of vibration measuring equipment from Bruel & Kjair, ENDEVCO, Denmark, “Follow-up Filter”, model 2020].

В математике для определения размерности фрактальных образований используют так называемую размерность Хаусдорфа [см., например, Р.А.Burrough, Fractal dimensions of landscapes and other environmental data. Nature, 294, 1981, p.240].In mathematics, the so-called Hausdorff dimension is used to determine the dimension of fractal formations [see, for example, P. A. Burrough, Fractal dimensions of landscapes and other environmental data. Nature, 294, 1981, p. 240].

По определению, размерность Хаусдорфа вычисляется:By definition, the Hausdorff dimension is calculated:

Figure 00000011
Figure 00000011

где ε - размер элемента разрешения, которым покрывается объект (длина отрезка, площадь квадратика, объем кубика);where ε is the size of the resolution element with which the object is covered (segment length, square area, cube volume);

Ωε - число элементов разрешения, размером ε, содержащих все признаки множества.Ω ε is the number of resolution elements of size ε containing all the attributes of the set.

Расчет фрактальной размерности АЧХ инфразвукового сигнала (функции графика фиг.3) осуществлялся по специально разработанной математической программе.The calculation of the fractal dimension of the frequency response of the infrasound signal (graph function of figure 3) was carried out according to a specially developed mathematical program.

Текст программы расчета фрактальной размерности АЧХ.The text of the program for calculating the fractal dimension of the frequency response.

Figure 00000012
Figure 00000012

Расчетные значения фрактальной размерности АЧХ составили:The calculated values of the fractal dimension of the frequency response were:

Df=1,64 (график фиг.3, а), Df=1,2 (график фиг.3, б).D f = 1.64 (graph of FIG. 3, a), D f = 1.2 (graph of FIG. 3, b).

Из математики известно, сама функция и скорость ее изменения описываются дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспоненциальная зависимость [см., например, Н.С.Пискунов, «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, учебник, 5-е изд. Наука, М., 1964 г., стр.458]. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по ее отдельному участку можно восстановить всю функцию, вычисляя постоянную времени экспоненты. Известно также, что касательная к экспоненте в любой ее точке отсекает от оси времени (оси абсцисс) отрезок, равный постоянной экспоненты (Т). В частности, по реализациям АЧХ фиг 3а, б постоянная экспоненты функции изменения фрактальной размерности АЧХ составила величину Т≈2,6 [час]. График изменения фрактальной размерности АЧХ во времени иллюстрируется фиг.4.From mathematics, it is known that the function itself and the rate of its change are described by a differential equation of the first degree, the general solution of which is an exponential dependence [see, for example, N. S. Piskunov, “Differential and Integral Calculus for Technical Universities, vol. 1, textbook, 5- e ed. Science, M., 1964, p. 458]. The exponential dependence has the property that from its separate section you can restore the entire function by calculating the exponential time constant. It is also known that the tangent to the exponent at any point cuts off from the time axis (abscissa axis) a segment equal to the exponent constant (T). In particular, according to the implementation of the frequency response of FIGS. 3a, b, the constant of the exponent of the function of changing the fractal dimension of the frequency response was T≈2.6 [hour]. The graph of changes in the fractal dimension of the frequency response over time is illustrated in Fig.4.

По постоянной времени переходного процесса прогнозируют характеристики ожидаемого землетрясения.According to the transient time constant, the characteristics of the expected earthquake are predicted.

Время удара - это интервал времени, за который фрактальная размерность АЧХ с вероятностью ≥0,99 стремится к единице. Для экспоненты эта величина составляет ty=4,7 Т. Для графика фиг.4 ty от начала обнаружения инфразвукового сигнала составило 12 час.Impact time is the time interval over which the fractal dimension of the frequency response with a probability of ≥0.99 tends to unity. For the exponent, this value is t y = 4.7 T. For the graph of FIG. 4, t y from the start of the detection of the infrasound signal was 12 hours.

Магнитуду удара находят из соотношения Гутенберга-Рихтера:The impact magnitude is found from the Gutenberg-Richter relation:

lg ty[сут]=0,54M-3,37.log t y [day] = 0.54M-3.37.

Гипоцентр землетрясения находят методом пеленгации источника инфразвуковых колебаний с двух, разнесенных на базе, пунктов измерений.The earthquake hypocenter is found by direction finding of the source of infrasound vibrations from two measurement points spaced on the base.

Известно, что направление переноса энергии волновым процессом совпадает с фазовым фронтом волны в данной точке. Направление вектора в пространстве задается его проекциями на осях координат. Проекции вектора направления переноса энергии пропорциональны мощности сигналов, регистрируемых двухкомпонентным сейсмоприемником во взаимно перпендикулярных плоскостях (x, y). Регистрируемые мощности сигналов определяют по соответствующим АЧХ. Пеленгация источника инфразвукового сигнала с двух разнесенных на базе двухкоординатных сейсмоприемников иллюстрируется фиг.5.It is known that the direction of energy transfer by the wave process coincides with the phase front of the wave at a given point. The direction of the vector in space is determined by its projections on the coordinate axes. The projections of the vector of the energy transfer direction are proportional to the power of the signals recorded by the two-component seismic receiver in mutually perpendicular planes (x, y). The recorded signal powers are determined by the corresponding frequency response. The direction finding of the infrasound signal source from two spaced apart on the basis of two-coordinate geophones is illustrated in Fig.5.

Расчет направления проводят по операциям ближайшего аналога вычислением автокорреляционных функций сигналов. Значения автокорреляционных функций в нуле равно мощности процесса, т.е. сумме мощностей постоянной (средней) и переменной (дисперсии) составляющих. Поскольку направление оси x двухкоординатных сейсмоприемников ориентируют по направлению базы, то косинус направляющие на источник соответственно составят (фиг.5)The calculation of the direction is carried out according to the operations of the closest analogue by calculating the autocorrelation functions of the signals. The values of the autocorrelation functions at zero are equal to the power of the process, i.e. the sum of the powers of the constant (average) and variable (variance) components. Since the x-axis direction of the two-coordinate geophones is oriented in the direction of the base, the cosine guides to the source will be respectively (Fig. 5)

Figure 00000013
Figure 00000014
Figure 00000013
Figure 00000014

Гипоцентр очага ожидаемого землетрясения отождествляют с точкой пересечения соответствующих векторов, построенных на карте местности под углами (α, β) относительно расположения измерительной базы.The hypocenter of the center of the expected earthquake is identified with the intersection point of the corresponding vectors constructed on a map of the area at angles (α, β) relative to the location of the measuring base.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.6. Функциональная схема устройства фиг.6 содержит два двухкомпонентных сейсмоприемника 1, 2, разнесенных в пространстве на расстояние измерительной базы 3, каждый из которых содержит по два кондуктометрических датчика 4, 5, оси чувствительности которых ориентированы во взаимно перпендикулярных плоскостях (x, y), подключенных на входы соответствующих встроенных усилителей 6. 7. Выходы усилителей подключены на вход последовательно соединенных канального коммутатора 8, следящего фильтра 9, порогового устройства 10, аналого-цифрового преобразователя 11, компьютера 12 в составе элементов: процессора 13, оперативного запоминающего устройства 14, винчестера 15, дисплея 16, принтера 17, клавиатуры 18. Синхронизацию работы элементов устройства обеспечивает программируемая схема выборки измерений 19. Селектируемыми признаками сигнала предвестника землетрясения являются момент появления регулярного инфразвукового сигнала (превышение установленного порогового уровня в элементе 10) и форма регистрируемых АЧХ в каждом измерительном канале. Предварительно на винчестер 15 компьютера 12 записывают программу вычисления фрактальной размерности АЧХ, а в программируемую схему выборки измерений 19 пересылают программу последовательности работы канального коммутатора, режима работы АЦП и порогового устройства. При превышении сигналом установленного порогового уровня в устройстве 10 происходит регистрация и преобразование АЧХ с выхода следящего фильтра в цифровую форму с записью регистрограммы измерений и их визуального контроля на дисплее 16. После набора статистически устойчивого массива реализации АЧХ в каждом из измерительных каналов проводят совместную обработку сигналов по заявленным операциям способа. Определяют фрактальную размерность АЧХ и отслеживают динамику ее измерения. Вычисляют постоянную времени (Т) процесса изменения фрактальной размерности, как это иллюстрировано графиком фиг.4. Касательная к графику функции (фиг.4) отсекает от оси времени отрезок, равный постоянной времени процесса Т = 2,6 час. Из соотношения 1-е-t/T=0,99 определяем, что t = 4,7 T = 12 час. Ожидаемая магнитуда удара: lg(ty=0,5 сут)=0,54М-3,37; М = 5,8. По зарегистрированному массиву реализации АЧХ определяют постоянную составляющую мощности и ее дисперсию σ2 в измерительных каналах.The inventive method can be implemented according to the scheme of Fig.6. The functional diagram of the device of Fig.6 contains two two-component seismic receivers 1, 2 spaced in space by the distance of the measuring base 3, each of which contains two conductometric sensors 4, 5, the sensitivity axes of which are oriented in mutually perpendicular planes (x, y) connected to the inputs of the corresponding built-in amplifiers 6. 7. The outputs of the amplifiers are connected to the input of a series-connected channel switch 8, a servo filter 9, a threshold device 10, and an analog-to-digital converter I am 11, computer 12, consisting of elements: processor 13, random access memory 14, hard drive 15, display 16, printer 17, keyboard 18. The synchronization of the operation of the device elements is provided by a programmable measurement sampling circuit 19. Selectable signs of an earthquake precursor signal are the moment of the appearance of a regular infrasound signal (exceeding the set threshold level in element 10) and the shape of the recorded frequency response in each measuring channel. Preliminarily, the program for calculating the fractal dimension of the frequency response is written to the hard drive 15 of the computer 12, and the program of the sequence of operation of the channel switch, the ADC operation mode and the threshold device are sent to the programmable measurement sampling circuit 19. If the signal exceeds the set threshold level in the device 10, the frequency response is recorded and converted from the output of the follow-up filter to a digital form with the measurement register recorded and visually monitored on the display 16. After a statistically stable array of frequency response is set in each of the measuring channels, the signals are processed together the claimed operations of the method. The fractal dimension of the frequency response is determined and the dynamics of its measurement are monitored. The time constant (T) of the process of changing the fractal dimension is calculated, as illustrated by the graph of FIG. 4. The tangent to the graph of the function (Fig. 4) cuts off from the time axis a segment equal to the process time constant T = 2.6 hours. From the ratio 1-e -t / T = 0.99, we determine that t = 4.7 T = 12 hours. Expected impact magnitude: log (t y = 0.5 days) = 0.54M-3.37; M = 5.8. According to the registered array of the AFC implementation, the constant component of the power and its dispersion σ 2 in the measuring channels are determined.

По результатам обработки массива измерений направляющие косинусов линий визирования для пунктов размещения сейсмоприемников (Пиначево, Морозная, Камчатского Геофизического полигона, РАН) составили:According to the results of processing the measurement array, the guides of the cosines of the lines of sight for the locations of the geophones (Pinachevo, Moroznaya, Kamchatka Geophysical Test Site, RAS) amounted to:

Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000015
Figure 00000016

Расчетный гипотетический центр очага находится в Охотском море ≈100 км восточнее г.Оха (о.Сахалин).The calculated hypothetical center of the outbreak is located in the Sea of Okhotsk ≈100 km east of the city of Okha (Sakhalin Island).

Все элементы устройства представляют собой существующие технические разработки и средства аналогов. В устройстве использованы элементы виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjair, ENDEVCO (Дания) следующих моделей: следящий фильтр - модель 2020; усилители - модели 2626, 2628; канальный коммутатор, АЦП, спектроанализатор - многофункциональный блок модель 3560-L.All elements of the device are existing technical developments and means of analogues. The device used elements of vibration measuring equipment from Bruel & Kjair, ENDEVCO (Denmark) of the following models: servo filter - model 2020; amplifiers - models 2626, 2628; channel switch, ADC, spectrum analyzer - multifunctional unit model 3560-L.

Эффективность устройства характеризуется увеличением интервала упреждающего прогноза о предстоящем землетрясении на время порядка 4 часов.The effectiveness of the device is characterized by an increase in the interval of proactive forecast of an upcoming earthquake by a time of about 4 hours.

Claims (1)

Способ краткосрочного предсказания землетрясений, при котором регистрируют волны сейсмического фона в двух разнесенных на измерительной базе пунктах, проводят совместную обработку зарегистрированных сигналов вычислением функций их автокорреляции, отличающийся тем, что регистрацию осуществляют двухкоординатными (x, y) сейсмоприемниками в инфразвуковом диапазоне, при этом оси чувствительности сейсмоприемников по координате (x) ориентируют по направлению базы, фиксируют время появления регулярной составляющей инфразвукового сигнала и определяют фрактальную размерность его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), отслеживают динамику изменения фрактальной размерности АЧХ и находят постоянную времени (Т) динамического процесса, прогнозируют параметры ожидаемого землетрясения: время удара, отсчитываемое от момента появления инфразвукового сигнала ty=4,7 Т, магнитуду М из соотношения lg ty[сут]=0,54 М-3,37, координаты гипоцентра очага отождествляют с точкой пересечения направляющих косинусов, отсчитываемых от направления оси базы:A method for short-term earthquake prediction, in which seismic background waves are recorded at two points spaced on the measuring base, carry out joint processing of the recorded signals by calculating their autocorrelation functions, characterized in that the registration is carried out by two-coordinate (x, y) geophones in the infrasonic range, while the sensitivity axes the geophones along the coordinate (x) are oriented in the direction of the base, the time of appearance of the regular component of the infrasound signal is recorded determining the fractal dimension of its amplitude-frequency characteristic (AFC), track the dynamics of change of the fractal dimension of the response and finds the time constant (T) of the dynamic process, predicting expected earthquake parameters: impact time counted from the moment of occurrence infrasonic signal t y = 4,7 T the magnitude M from the relation log t y [days] = 0.54 M-3.37, the coordinates of the focus hypocenter are identified with the intersection point of the guide cosines, counted from the direction of the base axis:
Figure 00000017
Figure 00000018
Figure 00000017
Figure 00000018
где Bx1(0), By1(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y первого сейсмоприемника;where B x1 (0), B y1 (0) are the values of the autocorrelation functions of the signals at zero in the x, y planes of the first geophone; Bx2(0), Вy2(0) - значения автокорреляционных функций сигналов в нуле в плоскостях x, y второго сейсмоприемника.B x2 (0), B y2 (0) - values of the autocorrelation functions of the signals at zero in the x, y planes of the second geophone.
RU2007121530/28A 2007-06-08 2007-06-08 Method of short-term earthquake forecast RU2337382C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007121530/28A RU2337382C1 (en) 2007-06-08 2007-06-08 Method of short-term earthquake forecast

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007121530/28A RU2337382C1 (en) 2007-06-08 2007-06-08 Method of short-term earthquake forecast

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2337382C1 true RU2337382C1 (en) 2008-10-27

Family

ID=40042153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007121530/28A RU2337382C1 (en) 2007-06-08 2007-06-08 Method of short-term earthquake forecast

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2337382C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463627C1 (en) * 2011-01-19 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of monitoring region with network of seismic stations
RU2463631C1 (en) * 2011-04-08 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method to detect earthquake sources by network of seismic stations
CN102879802A (en) * 2012-09-19 2013-01-16 武海民 Infrasound earthquake pre-warning method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2463627C1 (en) * 2011-01-19 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of monitoring region with network of seismic stations
RU2463631C1 (en) * 2011-04-08 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method to detect earthquake sources by network of seismic stations
CN102879802A (en) * 2012-09-19 2013-01-16 武海民 Infrasound earthquake pre-warning method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kuyuk et al. A global approach to provide magnitude estimates for earthquake early warning alerts
Melgar et al. Earthquake magnitude calculation without saturation from the scaling of peak ground displacement
Le Pichon et al. Infrasound monitoring of volcanoes to probe high‐altitude winds
Valentin et al. The dynamic response of prone-to-fall columns to ambient vibrations: comparison between measurements and numerical modelling
Richardson et al. Varying seismic‐acoustic properties of the fluctuating lava lake at Villarrica volcano, Chile
Garcia et al. Three-dimensional ionospheric tomography of post-seismic perturbations produced by the Denali earthquake from GPS data
Psimoulis et al. Detection of ground motions using high-rate GPS time-series
Goldberg et al. Geodetic observations of weak determinism in rupture evolution of large earthquakes
Sobisevich et al. New-generation autonomous geohydroacoustic ice buoy
Gainville et al. Misty picture: a unique experiment for the interpretation of the infrasound propagation from large explosive sources
Peureux et al. Ocean bottom pressure records from the Cascadia array and short surface gravity waves
Psimoulis et al. Real‐time magnitude characterization of large earthquakes using the predominant period derived from 1 Hz GPS data
Ringler et al. The global seismographic network reveals atmospherically coupled normal modes excited by the 2022 Hunga Tonga eruption
Santos et al. Understanding the fundamentals of earthquake signal sensing networks
Krasnov et al. Far-field coseismic ionospheric disturbances of Tohoku earthquake
RU2337382C1 (en) Method of short-term earthquake forecast
Konstantinou Deterministic non-linear source processes of volcanic tremor signals accompanying the 1996 Vatnajökull eruption, central Iceland
Calcina et al. Vibration analysis of historic bell towers by means of contact and remote sensing measurements
CA3018736A1 (en) Fluid resonance seismic surveying
RU2463631C1 (en) Method to detect earthquake sources by network of seismic stations
Kashkin Internal gravity waves in the troposphere
Morelli et al. Normal modes of a medieval tower excited by ambient vibrations in an urban environment
RU2181205C1 (en) Method of short-term forecast of earthquakes
Chen et al. Six‐Component Earthquake Synchronous Observations Across Taiwan Strait: Phase Velocity and Source Location
RU2377602C1 (en) Method of determining seismic impact parametres

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090609