RU2455664C1 - Способ определения предвестника цунами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области сейсмологии, а именно к способам определения предвестника цунами, а более конкретно к способам регистрации преимущественно акустических сигналов, предвестников цунами. Техническим результатом является повышение надежности и достоверности прогноза возникновения цунами за счет регистрации микросейсмических волн. Способ определения предвестника цунами, включающий размещение групп устройств регистрации сейсмических сигналов на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне и на удалении от нее с целью поэтапного определения опасности возникновения цунами, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки сейсмических сигналов, регистрацию сейсмических сигналов, в котором устройства регистрации размещают на глубинных горизонтах наблюдений, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, равномерно распределенных по азимуту, регистрацию сейсмических сигналов выполняют с выделением фаз типа PP, S и T, приход акустической волны сейсмического происхождения определяют по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством устройств регистрации, размещенных на удалении от прибрежной зоны, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, используя в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов шумы судоходства, а посредством устройств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, определяют момент появления и направление прихода сейсмических волн путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн, выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой, регистрацию сейсмических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех; спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли, в котором для повышения достоверности прогноза сейсмические сигналы регистрируют в диапазонах 0,003-02 Гц и 0,1-20 Гц, при обработке зарегистрированных сигналов выделяют временные ряды наблюдений, имеющие увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией, при этом анализ экстремумов амплитуд выполняют как распределенных, по экспоненциальному закону, так и по степенному закону.

Description

Изобретение относится к области сейсмологии, а именно к способам определения предвестника цунами, а более конкретно к способам регистрации преимущественно акустических сигналов, предвестников цунами.

Известны способы определения предвестника цунами (патент RU №22082184 [1], патент RU №2066467 [2], авторское свидетельство SU №1300393 [3]), включающие формирование упругих колебаний, их регистрацию, сравнение их с опорным сигналом, определение сейсмических параметров среды.

Недостатком данных способов является необходимость подавления квазисинусоидальных помех, а также помех техногенного характера. Кроме того, определение координат гипоцентра морского землетрясения и его магнитуды посредством наземных сейсмографов отягощено невысокой точностью измерений, что не позволяет с достаточной достоверностью установить признаки для выполнения оценки возможности наступления цунами, так как на значительных расстояниях (больших размеров очага) невозможно определить характер деформации дна, а существенная волна цунами возникает только при вертикальных или наклонных его движениях. Известен также способ определения опасности цунами (патент RU №22066466 [4]), включающий размещение в прибрежной зоне на глубине более 100 м групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема и обработки сигналов путем поэтапного определения опасности цунами. На расстоянии 2-4 тысяч километров от берега устанавливают еще одну группу устройств регистрации, а группу устройств в прибрежной зоне размещают на расстоянии, обеспечивающем необходимое время на защиту охраняемого района, определяемом на основании формульной зависимости. Факт возникновения цунами устанавливают по сигналам дальних устройств, а по сигналам ближних устройств регистрации, установленных в прибрежной зоне на глубине более 100 м, определяют степень опасности волны цунами для охраняемого района.

Поэтапное определение опасности цунами обеспечивает повышение надежности прогноза цунами по сравнению с аналогами [1-3], однако размещение регистрирующих устройств на глубинах более 100 м огранивает информативность получения первичных сигналов и, как следствие, снижает достоверность прогноза, так как известно, что наибольшая информативность первичных сигналов наблюдается на глубинах 6-10 м от уровня прилива, вблизи берега и вдоль континентальных шельфов.

Кроме того, непосредственное использование зарегистрированных сигналов в качестве прямых предвестников цунами осложнено наличием помех, создаваемых шумами морской среды различного происхождения (динамические, обусловленные приливно-отливными движениями водной толщи, ветровыми волнами, турбулентными потоками в воде и атмосфере, дождями, прибойными движениями и т.п.; шумы от морских судов и прибрежных технических сооружений; сейсмические, к которым помимо сигналов, вызванных тектоническими сдвигами (землетрясениями), относятся также сигналы, обусловленные вулканической деятельностью и распространением цунами; подледные, обусловленные процессами образования и динамикой ледяного покрова, а также взаимодействием ветра и подводных течений с неровностями ледяного покрова; биологические; тепловые), что требует обеспечения высокого отношения сигнал/помеха при приеме сигналов.

Для повышения информативности в способе сейсмического микрорайонирования (авторское свидетельство SU №251694 [5]), включающем 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, дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, с расстоянием между пунктами наблюдений, не превышающим 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.

Однако ввиду того что в общем случае величина амплитуд давления сейсмических сигналов зависит от величины вызвавшего сигнал вертикального смещения дна (определяемого произведением скорости смещения на длительность импульса);

волнового сопротивления вод (определяемого произведением плотности воды на скорость звука); угла преломления акустической волны, вышедшей из дна в воду, а также удаления горизонта наблюдений от дна, достоверные сигналы могут регистрироваться на высоких частотах (50…80 Гц и выше), что ограничивает применение известного способа только при размещении пунктов наблюдений на участках с однородными инженерно-геологическими условиями, что существенно снижает информативность данного способа.

Повышение информативности достигается в способе (патент RU №1787273 [6]), заключающемся в задании региональных кусочно-непрерывных профилей, ориентировании их в крест простирания изучаемых тектонических элементов, задании поперечных профилей и проведении по ним наблюдений, в котором региональные профили задают в виде пар квазипараллельных кусочно-непрерывных профилей, а поперечные - в виде пересекающихся друг с другом кусочно-непрерывных профилей, ориентируют поперечные профили по простиранию изучаемых тектонических элементов, создают вокруг этих элементов замкнутый полигон, при этом положение каждой последующей пары профилей уточняют после получения данных в предыдущей паре профилей, а расстояние между региональными профилями определяют по размерам изучаемых тектонических элементов, что повышает информативность за счет возможности изучения сложно построенных сред.

Однако данный способ имеет ограничения по применению, так как создание замкнутого полигона отягощено выполнением требований по обеспечению высокоточного координирования, что возможно обеспечить только в сухопутных условиях.

В известном способе сейсмического микрорайонирования (патент RU №1787276 [7]), заключающемся в возбуждении сейсмических колебаний невзрывным импульсным источником, регистрации их сейсмоприемниками, расположенными на участках с различными инженерно-геологическими условиями, определении значения скоростей поперечных волн, частотных характеристик зарегистрированных колебаний и оценке на основе этих характеристик приращения балльности, дополнительно возбуждают повышенные сейсмические колебания по сравнению с первоначальными колебаниями, а в качестве величины, характеризующей частотную характеристику колебаний, используют величину, обратную средневзвешенному периоду в полосе частот 0,3-30 Гц, определяют приращение балльности для дополнительного возбуждения и вводят величину разности балльностей в качестве поправки за нелинейные эффекты в полученные ранее данные наблюдений, использовавшие маломощный сейсмический источник, что повышает надежность и точность за счет более полного учета нелинейных свойств грунта.

Существенным недостатком данного способа является необходимость создания развивающегося напряжения в грунте не менее 0,1 и 5 кг/см², что в условиях морского дна является сложной технической задачей.

Известен также способ сейсмической разведки (RU №1787275 [8]), который включает возбуждение и регистрацию интерференционной системой сейсмических сигналов по системе многократного профилирования и обработку полученных данных, в котором по сейсмограммам, полученным в результате предварительных работ на участке профиля исследований, строят скоростно-угловые спектры из соотношения временной задержки для годографа от двойного времени пробега волны по нормали к отражающей границе, удаления взрыв-прибора, эффективной скорости до границы и угла наклона границы, по построенным спектрам выделяют основные сейсмические волны и проводят последующие сейсмические работы на профиле для выбранных параметров сейсмических волн интерференционной регистрирующей системой с оптимальной характеристикой направленности, параметры которой определяют из соотношения в зависимости от текущего угла, кратности интерференционной системы, опорной частоты сигнала и запаздыванием между двумя годографами для углов наклона и текущих углов, что повышает эффективность сейсмической разведки в сложно построенных средах. Однако технический эффект данного способа может быть получен только в сухопутных условиях при отсутствии воздействия окружающей среды.

В известном способе сейсмической разведки (патент RU №1787274 [9]), включающем разделение геологического объекта на глубинные этажи, определение наибольшей частоты сейсмических сигналов, приходящих с каждого этажа, расчет для каждого глубинного этажа шага квантования по времени меньшего чем 1/4 наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го глубинного этажа, а по пространству меньшему или равному отношению длины волны наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го этажа к углу наклона фронта приходящей волны, возбуждение, прием группами сейсмоприемников, цифровую регистрацию с рассчитанными шагами квантования по времени и пространству для каждого глубинного этажа и обработку принимаемых сигналов, в котором для каждого глубинного этажа определяют длину базы группирования сейсмоприемников по выражению, в котором длина базы равна или меньше отношения длины волны наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го этажа к четырем синусам угла наклона фронта приходящей волны, что позволяет повысить отношение сигнал/помеха на этапе приема и повысить точность исследования при приеме сигналов.

Технический результат, достигаемый при использовании данного способа, может быть получен только при жесткой привязке сейсмических приемников, что может быть обеспечено только в сухопутных условиях.

В известном способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений (патент RU №2030769 [10]), включающем измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, в котором измерения производят 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, что повышает достоверность прогноза. Однако непосредственное использование этих сигналов в качестве прямых предвестников цунами осложнено наличием помех, создаваемых шумами морской среды различного происхождения, в связи с чем возникает задача выделения подводных сейсмических сигналов на фоне шумов морской среды.

Наиболее широкий спектр сигналов, последующая обработка которых позволяет получить более достоверный прогноз наступления катастрофических явлений, можно получить при использовании способа сейсмической разведки (патент RU №2030766 [11]), включающего возбуждение упругих колебаний, их регистрацию сейсмоприемниками, каждый из которых содержит три датчика, расположенных под углом 45 градусов к горизонтальной плоскости, и обработку полученных записей с выделением полезного сигнала, в котором одновременно возбуждают упругие волны P и S-типа, регистрацию проводят сейсмоприемниками, каждый из которых дополнительно содержит четвертый датчик, при этом все датчики равномерно распределены по азимуту, при обработке полученных записей рассчитывают прямоугольные декартовые координаты полного вектора волнового поля в каждой точке приема путем сравнения модулей декартовых проекций, рассчитанных в каждой точке приема, с модулем полного вектора в данной точке приема, выделяют три монотипные линейно-поляризованные волны PP-, SV-, SH-типа и нелинейно-поляризованную волну, которые используют в качестве полезного сигнала.

Регистрация сигналов фазы (PP), характеризующей приход волн, связанный с распространением в земной коре волн сжатия, и фазы (S), характеризующей вторичный приход волн, связанный с распространением в земной коре поперечных волн, скорость распространения которых приблизительно в два раза меньше скорости распространения продольных волн, существенно повышает надежность прогноза предвестника землетрясений. Однако в тех случаях, когда очаг землетрясения достаточно близок ко дну океана, в гидроакустических сигналах присутствует Т-фаза, третичный приход волн, скорость которого близка к скорости звука в воде (Walker D.A. and Bernard E.N. Comparison of T-Phase Spectra and Tsunami. Amplitudes for Tsunamigenic and Other Earthquakes. J. Geophys. Res., 98, №C7, p.12557-12565, 1993 [12]). Подводные же землетрясения, очаги которых достаточно близки к поверхности дна океана, могут обуславливать его значительные вертикальные подвижки, вызывающие на поверхности воды гравитационные волны, которые, в свою очередь, распространяясь в мелкой воде прибрежной зоны океана, могут вызывать цунами (Okal E.A. Seismic parameters controlling far-field tsunami amplitudes: a review. Nat. Hazards. 1, p.69-96, 1988 [13]). В данном способе, как и в известных способах [1-10], сигналы, обусловленные третичным приходом волн, не учитываются, что существенно снижает вероятность прогноза.

В известном способе определения предвестников цунами (патент RU №2292569 [14]), включающем размещение в прибрежной зоне и на удалении от прибрежной зоны групп устройств регистрации сигналов на глубинных горизонтах наблюдений, равномерно распределенных по азимуту, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки сигналов путем поэтапного определения опасности возникновения цунами с определением динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений в заданном частотном диапазоне с обработкой регистрируемых сигналов в высокочастотном и низкочастотном диапазонах сейсмических колебаний с выделением фаз сигналов, характеризующих приход волн, связанный с распространением в земной коре волн сжатия и поперечных волн, в котором дополнительно регистрируют гидроакустические сигналы с Т-фазой; устройства регистрации размещены на горизонтах наблюдений, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м; определяют приход акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, а в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используют шумы судоходства; посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн определяют путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн на комбинационных частотах.

Совокупность отличительных признаков данного способа по сравнению с известными способами [1-13], заключающихся в регистрации гидроакустических сигналов с Т-фазой, размещении устройств регистрации сигналов на горизонтах наблюдений, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, определение прихода акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, а в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используют шумы судоходства, а посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн определяют путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн на комбинационных частотах, что существенно повышает информативность за счет регистрации более широкого спектра сигналов путем выделения подводных сейсмоакустических сигналов на фоне шумов морской среды и, как следствие, этого надежность и достоверность прогноза вероятности возникновения цунами.

В то же время возбуждение волн цунами землетрясениями в сжимаемой жидкости сопровождается генерацией гидроакустических полей в более широком частотном диапазоне, а их энергия может превышать энергию волн цунами. При этом низкочастотные поля (F<1 Гц), так же как и волны цунами, возбуждаются в основном за счет вертикальных подвижек дна в эпицентре землетрясения. Возбуждение высокочастотных гидроакустических полей (фаза Т) происходит на значительно большей площади и существенно зависит от рельефа дна. Поэтому высокочастотные гидроакустические поля содержат относительно меньше информации собственно о формах движения дна в эпицентре землетрясения. Наличие интенсивных низкочастотных акустических полей в очаге цунами наблюдается в диапазоне 0,05-0,4 Гц, при этом основная энергия упругих колебаний превышает энергию волны цунами примерно в 300 раз (Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами. М.: Янус - К. 2005, 360 с.). На очень низких частотах (ниже 0,01 Гц) вследствие пренебрежимо малой толщины слоя океана по сравнению с длиной волны происходит непосредственное возбуждение анемобарических волн за счет перепадов атмосферного давления (Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. С-П.: Гидрометеоиздат, 1993, 325 с.). Часть энергии микросейсм, распространяющихся под малыми углами к вертикали, рассеивается в толще Земли в виде объемных волн в соответствии с законом 1/R². Другая часть микросейсм вследствие рефракции или отражения от нижележащих слоев возвращается к верхней границе и претерпевает повторные отражения и преобразования продольных волн в поперечные и наоборот. При этом могут образовываться поверхностные волны разных типов, которые могут распространяться на большие расстояния с малым затуханием (энергетический коэффициент затухания пропорционален 1/R). При этом образуются волны Релея, Стоунли и Лява. Скорость волн Релея всегда больше скорости звука в воде. Поэтому на достаточно высоких частотах, когда длина волны в водном слое соизмерима с глубиной океана, часть энергии волн Релея переходит в воду. Амплитуда волн при этом уменьшается. Оценки показывают, что влияние слоя воды при глубине океана 4 км начинает сказываться на частотах около 0,01 Гц. На частоте около 0,1 Гц волна, отраженная от поверхности жидкости, проходит на дно в противофазе, т.е. происходит максимальное подавление релеевской волны. Наибольшее затухание при этом претерпевает основная мода, так как ее пучность расположена на границе вода - грунт. Высшие моды затухают меньше, поскольку имеется ряд пучностей этих мод в нижележащих слоях. За счет обмена акустической энергией между жидкостью и упругим основанием при достаточной глубине океана может возникнуть и распространяться вдоль дна поверхностная волна Стоунли. При этом вдоль вертикали по обе стороны границы располагаются неоднородные затухающие волны. При глубине океана 4 км образование волн Стоунли возможно на частотах начиная примерно с 1 Гц, а на частотах выше 10 Гц ограничивающим влиянием глубины океана можно пренебречь. Скорость волны Стоунли меньше скорости волн в воде и грунте, поэтому отсутствуют потери энергии за счет "вытекающих" волн. Отсюда следует возможность распространения волн Стоунли вдоль морского дна на большие расстояния на высоких частотах в отличие от волн Релея. Поверхностные волны Лява представляют собой поперечные колебания с горизонтальной поляризацией, поэтому они не могут непосредственно возбуждаться волнами, падающими на границу из водной среды или за счет перепадов анемобарического давления. Их появление в составе микросейсм связано с преобразованием волн Релея на неоднородностях земной коры, а также с сейсмической эмиссией из коры и верхней мантии.

Осуществление в известном способе регистрации фазы Т с использованием волн накачки может привести к существенным трудностям при выделении предвестников цунами на комбинационных частотах в прибрежной зоне из-за возможных проявлений влияния местных микросеймических волн.

Выявленных недостатков, присущих известным способам [1-14], лишен способ определения предвестников цунами (заявка RU №2010116097 от 29.04.2009 [15]), техническим результатом которого является повышение надежности и достоверности прогноза возникновения цунами за счет регистрации микросейсмических волн.

При этом технический результат достигается за счет того, что в способе определения предвестников цунами, включающем размещение в прибрежной зоне и на удалении от прибрежной зоны групп устройств регистрации сигналов на глубинных горизонтах наблюдений, равномерно распределенных по азимуту, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки сигналов путем поэтапного определения опасности возникновения цунами с определением динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений в заданном частотном диапазоне с обработкой регистрируемых сигналов в высокочастотном и низкочастотном диапазонах сейсмических колебаний с выделением фаз сигналов, характеризующих приход волн, связанный с распространением в земной коре волн сжатия и поперечных волн, с регистрацией гидроакустических сигналов с PP, S и T-фазой, и размещением устройств регистрации на горизонтах наблюдений определяют приход акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, а в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используют шумы судоходства; посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн определяют путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн, в котором выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой; регистрацию гидроакустических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех; спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли.

Совокупность новых отличительных признаков, заключающихся в том, что выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой; регистрацию гидроакустических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех; спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли, позволяет повысить надежность и достоверность прогноза возникновения цунами за счет регистрации микросейсмических волн.

Однако исследования волнового состава микросейсмических колебаний показали, как преобладание поверхностных волн Релея и Лява, так и наличие объемных продольных и поперечных волн. Попытки определения направлений и расстояний до источников микросейсм давали противоречивые показания (Монахов Ф.И. Низкочастотный сейсмический шум Земли. - М.: Наука, 1977, 95 с. Островский А.А. Донные сейсмоэксперименты. М.: Наука, 1998, 225 с.).

При этом было установлено повсеместное присутствие микросейсм и характерные периоды их колебаний (4-10 с - короткопериодные, 10-20 с - длинопериодные и естественные микроколебания грунта в диапазоне периодов 0,07-8 с (Рыкунов Л.Н. Микросейсмы. Экспериментальная характеристика естественных микроколебаний грунта в диапазоне периодов 0,07-8 секунд. М.: Наука, 1967, 200 с.). Была отмечена также корреляция между характерными периодами микросейсм и средними периодами морских гравитационных волн.

Кроме того, в задачах учета влияния катастрофических явлений, включая волны цунами на морские объекты хозяйственной деятельности, при проектировании различных береговых сооружений и оборудования, в задачах оценки надежности функционирования технических средств большое значение имеет выбор функции распределения сейсмических характеристик для оценки экстремальных значений, определяющих степень опасности влияния волн цунами.

Задачей настоящего технического предложения является повышение надежности и достоверности прогноза возникновения цунами за счет регистрации микросейсмических волн.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения предвестника цунами, включающем размещение групп устройств регистрации гидроакустических сигналов на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне и на удалении от нее с целью поэтапного определения опасности возникновения цунами, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки гидроакустических сигналов, регистрацию гидроакустических сигналов, отличающийся тем, что устройства регистрации размещают на глубинных горизонтах наблюдений, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, равномерно распределенных по азимуту, регистрацию гидроакустических сигналов выполняют с выделением фаз типа PP, S и T, приход акустической волны сейсмического происхождения определяют по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством устройств регистрации, размещенных на удалении от прибрежной зоны, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, используя в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов шумы судоходства, а посредством устройств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, определяют момент появления и направление прихода сейсмических волн путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн, выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой; регистрацию сейсмических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех; спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли, в котором в отличие от прототипа [15] сейсмические сигналы регистрируют в диапазонах 0,003-02 Гц и 0,1-20 Гц, при обработке зарегистрированных сигналов выделяют временные ряды наблюдений, имеющие увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией, при этом анализ экстремумов амплитуд выполняют как распределенных по экспоненциальному закону, так и по степенному закону.

В отличие от прототипа [15] в заявляемом способе характерной особенностью установленного в качестве предвестника неблагоприятного явления колебательного процесса параметра геофизических полей и сред геологической природы является наличие этапа синусоидальной раскачки, состоящего из одного или нескольких периодов колебаний, причем вход в этот этап может быть как со знаком плюс, так и со знаком минус, этапа экстремума, знак которого, как правило, противоположен знаку входа в этап раскачки, и этапа релеевского затухания до первоначальных фоновых значений. Одним из основных отличительных признаков процесса является увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией.

Способ реализуется следующим образом.

Аналогично, как и в прототипе [15], размещают средства регистрации сейсмических сигналов, представляющие собой широкополосные донные сейсмографы непосредственно на границе вода - грунт в прибрежной зоне и на удаление от прибрежной зоны, а также на разных горизонтах по глубине с использованием для установки автономных донных станций, подводных обсерваторий, заякоренных платформ. Аналогом широкополосных сейсмографов являются широкополосные сейсмографы типа ЭХП-17, ЭХП-20.

На береговых станциях устанавливают широкополосные сейсмографы типа "G.Streckeisen Messgeratebau" (Швейцария) и "Guralp" (Англия), типа STS-1 и CMG-3. Выполняют регистрацию сейсмических сигналов с выделением фаз типа PP, S и T. При этом регистрируют сейсмические шумы на частотах 0,008-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц, давление волн цунами на дно на частотах 0,01-0,01 Гц.

Сигнал T фазы, принятый в береговом клине, определяется в диапазоне частот 34…75 Гц при частоте квантования 160 Гц методом псевдодифференциального параболического уравнения, обеспечивающего выделение звуковых полей в двумерном неоднородном океане с переменными рельефом дна и профилем скорости звука с заданной точностью для любого диапазона углов скольжения локальных нормальных волн с учетом взаимодействия между ними. Так как наблюдаемый сигнал S(t) является суммой сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, то, представляя сигнал в виде вектора столбца временных отсчетов и обозначая через s_i векторы-столбцы сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, имеем S(S₁, S₂, …S_n), (a₁, а₂,.…a_n), a₁ - суть амплитуды рассеивателей. В качестве решающей статистики используют сумму квадратов амплитуд, имеющую максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Оценку получают методом наименьших квадратов, так как система линейных уравнений является неопределенной. Выполняя оценку для каждого момента времени, получают ее временную зависимость. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения звукового поля. При построении графика решающей статистики абсцисса глобального максимума соответствует времени прихода совокупного рассеянного сигнала.

Определяют приход акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения на внешних станциях приема и обработки сигналов, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, а в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используют шумы судоходства, а посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, определяют момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа. Выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой. Регистрацию гидроакустических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех.

Спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли.

При регистрация сейсмических сигналов на дне одним из важных направлений использования широкополосных донных сейсмографов является исследование микросейсмических шумов, возбуждаемых морскими и океаническими волнами. Микросейсмы проявляются в широком диапазоне частот и служат естественным фоном, который определяет порог чувствительности сейсмографов. Посредством широкополосного сейсмографа выполняется регистрация характерных микросейсм с периодом около 6 секунд, также выявляются микросейсмы с периодами 20 и 100 секунд, что позволяет выделить как объемные P и S волны, так и поверхностные волны Лява (колебания в диапазоне частот 0,0125-0,05 Гц), Релея и Стоунли (1-10 Гц). На береговых станциях волну Релея регистрируют на нулевой моде.

При этом в известном способе [15] сейсмические сигналы от землетрясений представляют в виде затухающей синусоиды и определяют ее среднюю частоту. Затем по известной амплитудно-частотной характеристике сейсмографа оценивают уровни входных сигналов. При этом следует учитывать, что поверхностные волны обычно сильно диспергированы, и их периоды в начале и в конце цуга могут меняться в несколько раз. Поэтому при анализе записей широкополосных сейсмических сигналов производят их узкополосную цифровую фильтрацию для подавления помех и выделения отдельных характерных составляющих сигналов. При этом необходимо учитывать амплитудно-частотные характеристики как самих фильтров, так и всего сейсмометра, что приводит к громоздкой обработке сигналов. Поскольку микросейсмы представляют собой нестационарные процессы, то их корреляционные функции и спектральные плотности зависят не только от соответствующих параметров (τ и f), но и от времени. Также характеристики имеют ряд существенных недостатков: практическое определение их оценок сопряжено с очень большим объемом измерений, что представляет серьезную проблему для донной сейсмологии; при прохождении случайных сигналов через линейные цепи необходимо рассматривать трансформацию этих характеристик по каждому аргументу отдельно, что приводит к громоздким выражениям; эти характеристики не наглядны и трудно представимы в виде графиков, что затрудняет их визуальную обработку. При прохождении случайных нестационарных сигналов через линейные цепи усредненные во времени корреляционная и спектральная функции трансформируются этими цепями так же, как и ответствующие характеристики для стационарных процессов.

Для исключения этих недостатков при технической реализации заявляемого способа частотный диапазон широкополосного сейсмометра был разбит на два поддиапазона (0,003-0,2 Гц и 0,1-20 Гц). Район «сшивки» поддиапазонов 0,1-0,2 Гц был выбран в области устойчивого максимума микросейсм, в котором практически не производится регистрация сигналов землетрясений. В низкочастотном поддиапазоне осуществлялась цифровая запись с частотой квантования 1 Гц в каждом из каналов регистрации. В высокочастотном поддиапазоне осуществлялась аналоговая запись на магнитную ленту с последующим квантованием и вычислением корреляционных функций и спектров. Это позволило примерно в 100 раз увеличить время работы станции на дне в режиме непрерывной регистрации микросейсм.

При составлении достоверного прогноза по зарегистрированным сигналам большое значение имеет выбор функции распределения сейсмических характеристик для оценки экстремальных значений, определяющих вероятность появления цунамигенной волны при подводных землетрясениях и степень опасности ее влияния на береговые сооружения. Покажем, что экстремальные значения сейсмических характеристик распределены не по экспоненциальному закону, как это свойственно нормально распределенным случайным величинам, а по степенному закону. Это приводит к тому, что ущерб от экстремальных значений значительно выше, чем это обычно оценивается при использовании нормального закона распределения. Обоснованием этому может служить классическая теория экстремумов (Лидбеттер М., Ротсен X., Линдгрен Г. Экстремумы случайных последовательностей и процессов. - М.: Мир, 1989. - 392 с.), в которой рассматривается распределение максимума

M_n=max(ξ₁,ξ_2,…ξ_n)

n независимых и одинаково распределенных случайных величин ξ с функцией распределения F(x) при больших значениях n.

Основной результат этой теории утверждает, что если для некоторых последовательностей нормирующих констант a_n>0, b_n случайная величина a_n(M_n-b_n) имеет невырожденную предельную функцию распределения G(x), то эта функция G(x) должна иметь одну из трех возможных форм

Тип 1: G(x)=exp(-e^-x), - ∞<x<∞,

Тип 2:

Тип 3:

В частности, доказывается, что "хвосты" всех функций распределения F(x) имеют только два типа:

- экспоненциальный (е^-x) для типа 1 (например, для нормального закона распределения);

- степенной (x^-а, α>0) для типов 2 и 3.

Покажем, что экстремальные значения сейсмических характеристик распределены по степенному закону. Логика доказательства следующая.

Прямыми статистическими оценками рядов наблюдений нельзя оценить поведение "хвоста" распределения в силу редкости экстремальных событий. Воспользуемся косвенным приемом, а именно тем, что поведение "хвостов" распределений разбивает все множество невырожденных распределений случайных величин на два класса эквивалентности - степенной и экспоненциальный. Причем линейные статистики не нарушают этого разбиения. Выберем такую статистику L(a_n, b_n) для временного хода сейсмической характеристики ξ(n), которая приводит к случайной величине η(n), распределенной по некоторому закону F^*(y), для которой известен из классической теории экстремумов тип распределения ее "хвоста". Тогда такой же тип распределения "хвоста" будет у значений экстремумов сейсмической характеристики.

В качестве линейной статистики воспользуемся статистикой Герста, которая имеет вид (Федер Е. Фракталы. - М.: Мир, 1991. - 260 с.).:

,

где

,

.

Оценим функцию распределения F*(y) случайной величины η, полученную с помощью этого преобразования.

Обработка временных рядов сейсмических характеристик приводит к следующей степенной зависимости

F*(y)~τ^H,

где 1/2<H<1.

Следовательно, статистика Герста определяет случайную функцию, распределенную по степенному закону, который, как доказывается в теории экстремумов, имеет степенное распределение "хвоста". Значит, и "хвосты" сейсмических характеристик имеют степенное распределение.

При этом вероятность появления цунамигенной волны при экстремальных значениях сейсмической характеристики, очевидно, является некоторой степенной функцией от величины экстремума

Q~xⁿ, n≤1.

Если в качестве количественной оценки влияния экстремальных значений сейсмических характеристик при прогнозе использовать математическое ожидание вероятности появления цунамигенной волны

,

где f(x) - функция плотности распределения "хвоста" сейсмической характеристики, то очевидно получаем:

.

Для нормального закона распределения

при любом n. Для наблюдаемых сейсмических процессов α~1, и вероятнее всего большое влияние "хвоста" распределения на вероятность появления цунамигенной волны от возникновения экстремального значения сейсмической характеристики.

Характерной особенностью установленного в качестве предвестника неблагоприятного явления колебательного процесса параметра геофизических полей и сред геологической природы является наличие этапа синусоидальной раскачки, состоящего из одного или нескольких периодов колебаний, причем вход в этот этап может быть как со знаком плюс, так и со знаком минус, этапа экстремума, знак которого, как правило, противоположен знаку входа в этап раскачки, и этапа релеевского затухания до первоначальных фоновых значений. Одним из основных отличительных признаков процесса является увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией.

Способ может быть также реализован на существующих сейсмических станциях, оборудованных специальной геофизической аппаратурой, на которых осуществляют контроль за изменяющимися во времени параметрами геофизических полей и сред геологической природы и наблюдение ведут по стандартным методикам. При этом может быть использована как существующая сеть геофизических, метеорологических и иных наблюдательных станций, так и специально созданная система для прогноза неблагоприятных природных и техногенных явлений.

В результате измерений определяют характер изменения амплитуды и периодичности контролируемого параметра в текущий момент времени. Получаемые результаты представляют, например, в виде графической зависимости. Данные результаты измерений сравнивают с предварительно установленными для данной местности средними (фоновыми) значениями. В качестве предвестника неблагоприятного явления принимают появление в изменениях контролируемого параметра периодического процесса, характеризующегося увеличением хода раскачки частоты и амплитуды вплоть до экстремума (до магнитуды около 8) по сравнению с фоновыми значениями для конкретного наблюдательного пункта или наблюдательной станции.

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 РФ № 22082184.

2. Патент РФ №2066467.

3. Авторское свидетельство СССР №1300393.

4. Патент РФ №22066466.

5. Авторское свидетельство СССР №251694.

6. Патент РФ №1787273.

7. Патент РФ №1787276.

8. Патент РФ №1787275.

9. Патент РФ №1787274.

10. Патент РФ №2030769.

11. Патент РФ №2030766.

12. Walker D.A. and Bernard E.N. Comparison of T-Phase Spectra and Tsunami. Amplitudes for Tsunamigenic and Other Earthquakes. J.Geophys. Res., 98, №C7, p.12557-12565, 1993.

13. Okal E.A. Seismic parameters controlling far-field tsunami amplitudes: a review. Nat. Hazards. 1, p.69-96, 1988.

14. Патент РФ №2292569.

15. Заявка RU №2010116097.

Claims (1)

1. Способ определения предвестника цунами, включающий размещение групп устройств регистрации сейсмических сигналов на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне и на удалении от нее с целью поэтапного определения опасности возникновения цунами, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки сейсмических сигналов, регистрацию сейсмических сигналов, в котором устройства регистрации размещают на глубинных горизонтах наблюдений, кратных 25 м, при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, равномерно распределенных по азимуту, регистрацию сейсмических сигналов выполняют с выделением фаз типа PP, S и T, приход акустической волны сейсмического происхождения определяют по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством устройств регистрации, размещенных на удалении от прибрежной зоны, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, используя в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов шумы судоходства, а посредством устройств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, определяют момент появления и направление прихода сейсмических волн путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн, выделение фаз типа PP, S и T осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой, регистрацию сейсмических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги по крайней мере в двух каналах из трех; спектральный анализ выполняют как объемных волн фаз PP и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли, отличающийся тем, что сейсмические сигналы регистрируют в диапазонах 0,003-02 Гц и 0,1-20 Гц, при обработке зарегистрированных сигналов выделяют временные ряды наблюдений, имеющие увеличение в ходе раскачки частоты и амплитуды колебаний вплоть до экстремума с последующей релаксацией, при этом анализ экстремумов амплитуд выполняют как распределенных, по экспоненциальному закону, так и по степенному закону.