RU2346300C1 - Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам обнаружения возможности наступления катастрофических явлений преимущественно на море. Сущность: непрерывно измеряют параметры геофизического поля в контролируемом районе. Выявляют колебания измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района. По указанным синусоидальным колебаниям судят о возможности наступления катастрофических явлений. При этом измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов. По измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии. Для чего строят график амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений. Причем база измерений не должна превышать 50-100 км в средних широтах и 8-10 км - в высоких и экваториальных широтах, а средства измерений ориентируют по восьми румбам. Технический результат: расширение функциональных возможностей, повышение достоверности прогноза.

Description

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к способам обнаружения возможности наступления катастрофических явлений преимущественно на море и может быть использовано при решении следующих фундаментальных задач: изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий, а также при заблаговременным оповещении о землетрясениях и цунами.

Известен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений [1], включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, в котором измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района и период от 100 до 1000000 с, судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений.

Недостатком способа является то, что он имеет низкую достоверность прогноза, так как измеряют только один параметр геофизического поля. Кроме того, синусоидальные колебания измеряемого параметра при наложении на них акустических и гидродинамических шумов техногенного характера, могут быть как периодическими, так и апериодическими, что требует получения многочисленных массивов измеряемого параметра для выявления амплитуды, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для достижения положительного технического результата.

Известен способ сейсмического микрорайонирования [2], включающий размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, в котором с целью повышения достоверности за счет учета влияния латеральной неоднородности скального основания и более глубоких горизонтов геологического разреза дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, при этом расстояние между пунктами наблюдений не превышает 1/3-1/4 длины волны наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, образующих информативные вариации амплитуд, а расстояние между профилями составляет 1/3-1/4 минимального пространственного периода информативных амплитудных вариаций высокочастотного диапазона сейсмических колебаний.

Выполнение трехкомпонентной регистрации сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей действительно повышает достоверность классификации возможного землетрясения. Однако ввиду того, что в известном способе определение динамических параметров осуществляется путем анализа только наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, то достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности прогноза, возможно только при стабильных во времени колебательных процессов и при отсутствии помех, обусловленных акустическими и гидродинамическими шумами природного и техногенного характера. И если в наземных условиях с некоторыми допущениями данный способ имеет положительный технический эффект, то в морских условиях он практически не применим. Кроме того, существенную роль в повышении точности измерения сигналов, по которым устанавливают предвестники катастрофических явлений является база измерений и ориентация средств измерения относительно источника. Так, например, разнос измерителей в высоких и экваториальных широтах на более чем на 10 километров при измерении электрических и магнитных компонент приводит к большим (до 50%) погрешностям измерений импеданса.

Аналогичные недостатки имеют также известные способы и устройства, предназначенные для регистрации сигналов сейсмического происхождения в морских условиях [3-19]. В известных способах существенное значение погрешности обусловлено тем, что при обработке зарегистрированных сигналов используют среднее поле распространения сигналов, в то время как максимальные отклонения реального поля от среднего отличаются именно на горизонтах максимальных градиентов. При этом реальное поле резко отличается от идеальной модели. При влиянии внешних факторов с использованием акустических средств регистрации сигналов образуется зона тени, расположенная в полосе от 5 до 16 километров от источника. Причем ее протяженность в разных направлениях неодинакова и может отличаться в 5 раз и более, а с увеличением дистанции между приемником и источником сигналов погрешности возрастают. Для морских условий до 15 километров они находятся в пределах 2 дБ, далее в промежутке от 15 до 30 километров наблюдается их резкий рост до 6 дБ. В дальнейшем в промежутке от 30 до 60 километров величина погрешности монотонно увеличивается до 7,5 дБ.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей известных способов с повышением достоверности прогноза.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающем измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов с получением временной зависимости для каждого поля, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений, при этом база измерений не превышает 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, а средства измерения ориентированы по восьми румбам. Новые отличительные признаки, заключающиеся в измерении вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитной индукции электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрической составляющей электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустических шумов на частотах 5-50000 Гц, сейсмических шумов на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамического шума моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений при базе измерений, не превышающей 50-100 километров в средних широтах и 8 -10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, с ориентацией средств измерения по восьми румбам позволяют оценить изменение строения земной коры в акваториях мирового океана, состояние морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, выполнить геофизический мониторинг путем обобщенного моделирования сейсмического и экологического состояния исследуемого района, получить оперативную оценку сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов с более достоверным прогнозом возможных сейсмических и экологических последствий, а также осуществить более раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.

Известные способы позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении достоверности, только в условиях изотропного поля, так как характер убывания интенсивности звукового сигнала по мере удаления от источника в горизонтально неоднородном поле (особенно в океане) резко отличается от той же зависимости в условиях изотропного поля. Мезомасштабные неоднородности океана (фронты, ринги) резко перестраивают звуковое поле, вызывая колебания интенсивности сигнала до 5 дБ при прогнозе дальности их действия (Д) до 10 км. Поэтому для эффективного прогноза гидрологоакустических условий в аномальных районах необходимо четкое установление центров и границ, а также определение параметров возмущающих образований. Неопределенность в расчете звукового поля по климатическим данным или опорному полю выражается в стандартных отклонениях реального уровня от опорного в 4-9 дБ, при Д=90 км, что соответствует погрешности в прогнозе ожидаемой дальности действия гидроакустических систем на 60-90%. Использование единственной кривой вертикального распределения скорости звука для акустических расчетов допустимо лишь на малых дистанциях (до 10 км), что крайне редко встречается в реальных условиях. По величине и направлению (знаку) горизонтального градиента вдоль трассы распространения сигнала можно судить о степени изменчивости интенсивности звукового поля на горизонте приема относительно фиксированного источника. Для расчетов акустического поля параметром является профиль скорости звука, точно совпадающий с фактическим профилем в месте расположения источника. Однако при использовании режимной информации среднеквадратический профиль, как правило, не совпадает с фактическим, что приводит к дополнительным случайным погрешностям в конечном результате. Кроме того, в известных способах обработка сигналов осуществляется с использованием детермированного метода интерполяции, для которого достаточно иметь только результаты измерений с некоррелированными погрешностями. При этом путем интерполяции измеренных значений определяют среднее значение параметра на середину отрезка, соединяющего точки измерения. В этом случае для двух измеренных значений будет одно и то же значение интерполяционного коэффициента α=1/2.

При использовании линейной интерполяции интерполяционный коэффициент при оптимальной интерполяции определяется исходя из условия минимума средней квадратической погрешности интерполяции

где K(r) - значения корреляционной функции аномалии параметра при аргументе г принимают значения 0, 0,5L, L, m - средняя квадратическая погрешность измерения параметра, L - расстояния, между которыми выполнено измерение параметра. В общем случае суммарная относительная погрешность измерения вариаций δ_b известными способами определяется как

где М_и - инструментальная погрешность измерителя, δ₁ - погрешность обусловленная колебаниями базы измерений, δ_b - погрешность, обусловленная градиентами вариаций, δ_k - погрешность за счет определения коэффициента корреляции, δ_и - погрешность интегратора, А - средняя амплитуда измеряемых вариаций, n - число циклов суммирования. Из анализа выражения видно, что при суммировании данных происходит накапливание ошибок, т.е. возможности способов ограничены числом циклов n, при котором δ_b не выйдет за пределы заданного значения δ_з.

В предлагаемом способе статистическая обработка полученных результатов по нескольким разнородным полям позволяет количественно оценить погрешность в определении уровня звукового поля, возникающую при замене реальных условий единственным опорным профилем.

Совокупность новых признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность способа заключается в следующем. Посредством измерительной аппаратуры, установленной, например, на подводной обсерватории, которая в свою очередь установлена на морском дне в зонах тектонических разломов, измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитной индукции электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрической составляющей электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустических шумов на частотах 5-50000 Гц, сейсмических шумов на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамического шума моря на частотах 0,01-100 Гц. При этом измерения градиентов полей производятся датчиками, работающими на разных физических принципах, по сигналам, вызванным различными источниками, и являются соответственно некоррелированными, что позволяет выделить составляющие полезных сигналов на фоне помех и, как следствие, сигналы поступают на средства обработки очищенными от помех.

В качестве измерительных датчиков могут быть использованы акустические сейсмические датчики для регистрации акустических сигналов, протонные или квантовые вариометры и магнитометры для измерения электрической и магнитной компоненты естественного электромагнитного поля земли с выделением магнитотеллурической составляющей на фоне помех с разносом электрических и магнитных датчиков на величину Δr<(0,013…0,025)r, (где r - расстояние между приемником и источником). При этом выделение магнитотеллурической составляющей на фоне помех существенно упрощается, так как помехи по электрическому и магнитному каналам вызваны различными источниками (являются некоррелированными) ввиду разноса датчиков на величину Δr. При этом магнитные составляющие естественного магнитного поля меньше, чем электрические зависят от характера геоэлектрического разреза вдали от горизонтальных неоднородностей.

В качестве датчика магнитного поля, предназначенного для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 метров, применен датчик с диапазоном измеряемой величины магнитной индукции 20000-100000 нТ.

В качестве сейсмических датчиков для реализации заявляемого способа применены акустический сейсмодатчик, представляющий собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик, который предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в частотном диапазоне 20-1000 Гц, динамический диапазон которого в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц составляет не менее 60 дБ, а также сейсмоприемник типа СМ-5 (велосиметр), включающий три сейсмических датчиков с частотным диапазоном регистрации сейсмических сигналов 0.03-40 Гц, полный динамический диапазон не менее 120 дБ.

Для определения состава морской воды применен спектроанализатор, в котором по измеренным спектрам комбинационного рассеивания оптического излучения в спектральном диапазоне 0,52-0,78 мкм с полосой пропускания 0,54 нм на 0, 783 мкм, с числом спектральных каналов, равным 4096. Для измерения скорости и направления течения, температуры воды, гидродинамического давления, электропроводности и солености морской воды применен гидрофизический модуль, включающий соответствующие датчики.

Для регистрации гидрофизических полей использован модуль регистрации гидрофизических полей, включающий датчики хемилюминесцентного, хроматографического, ионселективного и радиометрического анализа, аналогом которого является устройство, приведенное в описании к патенту РФ №2030747 С1.

Динамический шум моря определяется в диапазоне частот от 5 до 10 Гц посредством измерительного модуля, включающего последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра. Полученные сигналы о динамическом шуме моря подвергаются дискретизации и квантованию, а потом проходят спектральную обработку по алгоритму модифицированных периодограмм в следующей последовательности. Из последовательности сигналов Х₂(m) длиной L отсчетов вычисляют для каждой последовательности Х₂(m) коэффициенты быстрого преобразования Фурье

где W(m) - соответствующее окно. Далее вычисляют периодограмму

где ƒ_k(k/L) - частота дискретного преобразования Фурье,

- энергия окна.

Оценка энергетического спектра

выполняется как

Динамический шум моря совпадает с частотой примерно на 5 дБ. Для решения такого рода задач необходимо непрерывную область акватории дискретизировать с помощью узлов регулярной сетки. Затем определяется граф путем задавания связи (ребра графа) на этой сетке. Возможные связи определяются путем специального индексирования узлов регулярной сетки с помощью дерева Фарея-Коши. При этом коэффициенты аппроксимации по флуктуационным полям выражаются аналитически через интегралы по фрагментам опорного поля в отдельных ячейках сетки.

Зарегистрированные сигналы, характеризующие вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, подвергаются обработке для каждого конкретного момента времени для получения временной зависимости в границах, характеризующих уровни состояния естественного геофизического поля и геофизического поля в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, как геофизического поля, подверженного в данный период наибольшим максимальным возмущениям по всем составляющим геофизических и гидрофизических полей.

При обработке сигналов в качестве решающей статистики используется сумма квадратов амплитуд, имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Вычисления выполняются для каждого момента времени для получения временной зависимости для каждого поля. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения того или иного поля. Глобальный максимум соответствует времени прихода совокупного принятого сигнала. При достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественного геофизического и гидрофизического полей и геофизического поля и гидрофизического поля в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, судят о возможности наступления катастрофического явления.

Предлагаемый способ также может быть использован и в условиях суши.

Устройства для реализации способа в широком ассортименте имеются на рынке, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации.

1. Патент RU №2030769.

2. Авторское свидетельство SU №1251694.

3. Патент ЕР №0525391.

4. Патент NL №9120014.

5. Патент ЕР №0509062.

6. Патент ЕР №0512756.

7. Патент US №5131489.

8. Патент US №5128907.

9. Патент NO №923269.

10. Патент NO №923364.

11. Патент NO №169985.

12. Патент ЕР №0516662.

13. Патент US №5142501.

14. Патент NO №923269.

15. Патент ЕР №0519810.

16. Патент ЕР №0519031.

17. Патент СА №1310101.

18. Патент NO №911639.

19. Патент NO №171387.

Claims (1)

1. Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающий измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, с получением временной зависимости для каждого поля, отличающийся тем, что измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений при базе измерений, не превышающей 50-100 км в средних широтах и 8-10 км в высоких и экваториальных широтах соответственно, с ориентацией средств измерения по восьми румбам.