RU2463627C1 - Method of monitoring region with network of seismic stations - Google Patents

Method of monitoring region with network of seismic stations Download PDF

Info

Publication number
RU2463627C1
RU2463627C1 RU2011101754/28A RU2011101754A RU2463627C1 RU 2463627 C1 RU2463627 C1 RU 2463627C1 RU 2011101754/28 A RU2011101754/28 A RU 2011101754/28A RU 2011101754 A RU2011101754 A RU 2011101754A RU 2463627 C1 RU2463627 C1 RU 2463627C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
seismic
stations
measured
samples
signal
Prior art date
Application number
RU2011101754/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011101754A (en
Inventor
Валерий Григорьевич Бондур (RU)
Валерий Григорьевич Бондур
Вячеслав Федорович Давыдов (RU)
Вячеслав Федорович Давыдов
Анатолий Владимирович Корольков (RU)
Анатолий Владимирович Корольков
Екатерина Сергеевна Лихачева (RU)
Екатерина Сергеевна Лихачева
Елена Владимировна Гапонова (RU)
Елена Владимировна Гапонова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет леса (ГОУ ВПО МГУЛ)
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 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС", Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет леса (ГОУ ВПО МГУЛ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Priority to RU2011101754/28A priority Critical patent/RU2463627C1/en
Publication of RU2011101754A publication Critical patent/RU2011101754A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463627C1 publication Critical patent/RU2463627C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: network of seismic stations which use pressure sensors as primary velocity sensors are placed in an earthquake-prone region. The ratios of velocities of longitudinal and transverse waves in the earth's crust are determined at different azimuth angles of the route of each of the network of stations. Discrete samples of measurements are obtained for each of the routes in the same time intervals. The Fourier spectra of the obtained samples are determined with determination of weighted average frequencies. The moment of change in weighted average frequencies is identified with the occurrence of an anomalous zone of an imminent earthquake on the measured route. Bearings of the anomalous zone are taken as points of intersection of the radius vectors of velocities of several stations on the measured routes. Signal energy of the calculated spectra is determined and the behaviour of its variation is monitored. The size of the anomalous zone is calculated. The time and magnitude of the expected seismic impact are predicted.
EFFECT: longer time interval for preventive forecast, high accuracy of determining forecast parameters of a seismic impact.
6 dwg

Description

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.The invention relates to the field of seismology and may find application in national systems for observing and processing data from geophysical measurements for predicting earthquakes.

Достоверный прогноз землетрясений возможен при установлении их первопричины. Одной из первопричин, вызывающих землетрясения, является накачка земной коры дополнительной энергией восходящего потока газов (Н2, Не, СН4). Факт эманации газов из земной коры накануне сейсмического удара [см., например, Патенты RU №2204852, 2003 г.; №2275659, 2006 г.; №2302020, 2007 г.]. Накачка земной коры дополнительной энергией приводит к раскачке очага землетрясений, сопровождаемой распространением от гипоцентра сверхнизких литосферных волн [см. Научное открытие №365. «Явление раскачки очага землетрясений перед сейсмическим ударом», РАЕН, 2008 г.].A reliable forecast of earthquakes is possible when establishing their root cause. One of the root causes of earthquakes is the pumping of the earth's crust by the additional energy of an upward flow of gases (H 2 , He, CH 4 ). The fact of the emanation of gases from the earth's crust on the eve of a seismic shock [see, for example, Patents RU No. 2204852, 2003; No. 2275659, 2006; No. 2302020, 2007]. Pumping the earth's crust with additional energy leads to a buildup of the earthquake source, accompanied by the propagation of ultra-low lithospheric waves from the hypocenter [see Scientific discovery No. 365. “The phenomenon of buildup of the earthquake source before a seismic impact”, Russian Academy of Natural Sciences, 2008].

Известен «Способ предсказания землетрясений». Патент RU №2170446, 2001 г., путем измерения сверхнизких литосферных волн раскачки очага землетрясений космическими средствами системы Navstar (GPS) - аналог.The famous "Method for predicting earthquakes." Patent RU No. 2170446, 2001, by measuring the ultralow lithospheric waves of the buildup of the earthquake source by space means of the Navstar (GPS) system - an analogue.

В способе-аналоге размещают в сейсмическом районе приемные станции космической навигационной системы, разнесенные на протяженной измерительной базе, осуществляют непрерывное высокоточное измерение координат точек размещения приемных станций, регистрируют момент появления периодических отклонений Δxi, Δyi, Δzi координат точек и отслеживают изменения этих отклонений во времени, вычисляют гипотетический центр очага как точку пересечения радиус-векторов в пространстве, длину и направляющие косинусов, которые определяют из соотношений

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
In the analogous method, receiving stations of the space navigation system are placed in a seismic region, spaced on an extended measuring base, they perform continuous high-precision measurement of the coordinates of the receiving points of the receiving stations, register the moment of occurrence of periodic deviations Δx i , Δy i , Δz i of the coordinates of the points and track changes in these deviations in time, the hypothetical center of the focus is calculated as the point of intersection of the radius vectors in space, the length and the guides of the cosines, which are determined from the relations
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004

рассчитывают время удара, отсчитываемое от момента появления периодических отклонений координат:

Figure 00000005
calculate the impact time, counted from the moment of the appearance of periodic deviations of coordinates:
Figure 00000005

и магнитуду

Figure 00000006
and magnitude
Figure 00000006

где Т - период отклонения координат, час, dek r - натуральный логарифм отношения амплитуд отклонения координат двух смежных периодов; d, I - коэффициенты регрессии.where T is the coordinate deviation period, hour, dek r is the natural logarithm of the ratio of the coordinate deviation amplitudes of two adjacent periods; d, I - regression coefficients.

Недостатками способа-аналога являются:The disadvantages of the analogue method are:

- наличие скрытого участка нечувствительности (мертвой зоны), ограниченной среднеквадратичной ошибкой средств GPS, снижающей интервал прогнозирования;- the presence of a hidden section of insensitivity (dead zone), limited by the mean square error of the GPS means, reducing the forecast interval;

- неточность регрессионных зависимостей расчета времени удара и магнитуды ввиду зависимости периода (Т) отклонения координат от времени.- inaccuracy of the regression dependences of calculating the time of impact and magnitude due to the dependence of the period (T) of the coordinate deviation from time.

Ближайшим аналогом к заявленном способу является «Способ краткосрочного предсказания землетрясений». Патент RU №2181205, G01V, 9/00, 2002 г.The closest analogue to the claimed method is the "Method of short-term earthquake prediction." Patent RU No. 2181205, G01V, 9/00, 2002

В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию сейсмического фона в виде непрерывной последовательности дискретных отсчетов амплитуды сигнала Δ(t) в двух разнесенных по координатам пунктах, рассчитывают спектр Фурье от последовательности выборок измерений с объемом отчетов в каждой выборке N≥2Fmax/σ, вычисляют автокорреляционные функции В(τ) сигналов выборок и определяют 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 00000007
In the closest analogue method, the seismic background is recorded in the form of a continuous sequence of discrete samples of the signal amplitude Δ (t) at two points spaced along the coordinates, the Fourier spectrum of the sequence of measurement samples with the report size in each sample N≥2F max / σ is calculated, autocorrelation functions are calculated In (τ) the signals of the samples, the correlation interval τ is determined, the onset of the change in the parameter τ is recorded, and when it is continuously monitored, the delay time Δτ of the phase change of this sign between the two points is calculated traverse direction cosine wave arrival hearth ultralow
Figure 00000007

определяют гипотетический центр очага как точку пересечения на траверзе радиус-векторов пунктов с косинусом угла при вершине:

Figure 00000008
determine the hypothetical center of the focus as the point of intersection on the beam of the radius vectors of points with the cosine of the angle at the apex:
Figure 00000008

вычисляют период Т0 параметра τ и по его величине прогнозируют магнитуду

Figure 00000009
(час) и время удара tx=2,3Т0, где Fmах - максимальная частота спектра сейсмического фона, Гц; σ - среднеквадратическая ошибка вычисления спектра Фурье по дискретной выборке измерений; α - длина базы между двумя пунктами, м; B1(0), В2(0) -значения автокорреляционных функций в нуле для каждого пункта; V -скорость сейсмических волн в земной коре, м/с.the period T 0 of the parameter τ is calculated and magnitude is predicted by its magnitude
Figure 00000009
(hour) and impact time t x = 2,3Т 0 , where F max is the maximum frequency of the spectrum of the seismic background, Hz; σ is the standard error of the calculation of the Fourier spectrum from a discrete sample of measurements; α is the length of the base between two points, m; B 1 (0), B 2 (0) -values of autocorrelation functions at zero for each item; V is the speed of seismic waves in the earth's crust, m / s.

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

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

- неточность регрессионных зависимостей определения магнитуды и времени удара, в частности, известна из соотношений Гутенберга - Рихтера, что чем больше время Т0, тем магнитуда ожидаемого удара должна быть больше, к тому же расчетный период Т0 не является постоянным, а является функцией времени T0(t) раскачки очага землетрясения.- the inaccuracy of the regression dependences of determining the magnitude and time of impact, in particular, is known from the Gutenberg – Richter relations that the longer the time T 0 , the magnitude of the expected impact should be greater, moreover, the estimated period T 0 is not constant, but a function of time T 0 (t) the buildup of the earthquake source.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в расширении интервала времени упреждающего прогноза, повышении точности и достоверности определения прогнозируемых параметров сейсмического удара существующими наземными средствами путем выделения скрытой информации из соотношения скоростей продольных и поперечных волн на выбранных трассах их распространения.The problem solved by the claimed method is to extend the time interval of the proactive forecast, increase the accuracy and reliability of determining the predicted parameters of seismic impact by existing ground-based means by extracting hidden information from the ratio of the velocities of longitudinal and transverse waves along the selected propagation paths.

Технический результат достигается тем, что способ мониторинга региона сетью сейсмостанций включает трассовые измерения соотношения скоростей распространения продольных Vp и поперечных Vs волн в земной коре (Vp/Vs) под различными азимутами трасс каждой из станций сети, использующих в качестве первичных датчиков скоростей датчики давлений, размещенные во взаимно ортогональных плоскостях измерений Vp и Vs, получение дискретных выборок измерений (Vр/Vs)для каждой из трасс в одни и те же интервалы времени [Vp/Vs (ti)], расчет спектров Фурье полученных выборок с определением средневзвешенных частот выборок, отождествление момента изменения средневзвешенных частот с возникновением аномальной зоны подготавливаемого землетрясения на измеряемой трассе, пеленгацию аномальной зоны как точки пересечения радиус-векторов скоростей нескольких станций на измеряемых трассах, определение энергии сигнала расчетных спектров как

Figure 00000010
The technical result is achieved by the fact that the method for monitoring a region by a network of seismic stations includes route measurements of the ratio of the propagation velocities of longitudinal V p and transverse V s waves in the earth's crust (V p / V s ) under different azimuths of the tracks of each network station using primary velocity sensors pressure sensors placed in mutually orthogonal measurement planes V p and V s , obtaining discrete measurement samples (V p / V s ) for each of the tracks at the same time intervals [V p / V s (t i )], calculation Fourier spectra Paul scientific samples with the determination of the weighted average frequencies of the samples, the identification of the moment of change in the average frequencies with the occurrence of the anomalous zone of the prepared earthquake on the measured path, direction finding of the anomalous zone as the point of intersection of the velocity radius vectors of several stations on the measured paths, the determination of the signal energy of the calculated spectra as
Figure 00000010

и отслеживание динамики ее изменения в виде экспоненты E(t)=E0 * exp(-t/T), расчет размеров аномальной зоны R, км ≂ 1/Eуст прогнозирование магнитуды ожидаемого сейсмического удара М≂ln[R,км] и времени удара, отсчитываемого от момента изменения средневзвешенной частоты спектра Фурье: ty~4,7T, где

Figure 00000011
- постоянная времени затухания сигнала на измеряемой трассе;and tracking the dynamics of its change in the form of an exponent E (t) = E 0 * exp (-t / T), calculating the size of the anomalous zone R, km ≂ 1 / E ust predicting the magnitude of the expected seismic impact М≂ln [R, km] and impact time, measured from the moment the weighted average frequency of the Fourier spectrum changes: t y ~ 4.7T, where
Figure 00000011
- the time constant of the signal attenuation on the measured path;

Δt - интервал времени между расчетными определениями энергии сигнала E1 и E2;Δt is the time interval between the calculated definitions of the signal energy E 1 and E 2 ;

E0 - энергия сигнала до момента возникновения аномалии;E 0 is the signal energy until the anomaly occurs;

Eуст≅E0 * е-4,7 - установившееся значение энергии сигнала, прошедшего через аномалию накануне сейсмического удара.E set ≅E 0 * е -4.7 is the steady-state value of the energy of the signal passing through the anomaly on the eve of the seismic shock.

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

фиг.1 - схема сети сейсмостанций Камчатского геофизического полигона, на котором отрабатывался заявленный способ и пеленгация аномалии как точки пересечения радиус - векторов сейсмостанций;figure 1 - network diagram of the seismic stations of the Kamchatka geophysical test site, which worked out the claimed method and direction finding anomalies as the point of intersection of the radius of the vectors of the seismic stations;

фиг.2 - реализации функций Vp / Vs (t) для отдельных трасс в одних и тех же интервалах измерений;figure 2 - implementation of the functions Vp / Vs (t) for individual tracks in the same measurement intervals;

фиг.3 - спектры Фурье выборок измерений отслеживаемых функций;figure 3 - Fourier spectra of samples of measurements of the monitored functions;

фиг.4 - динамика изменения энергии сигналов на измеряемых трассах;figure 4 - dynamics of changes in the energy of the signals on the measured paths;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ;5 is a functional diagram of a device that implements the method;

фиг.6 - сводный график результатов мониторинга.6 is a summary graph of the monitoring results.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Достоверное предсказание могут обеспечить те методы, которые основаны на измерении предвестников первопричины землетрясений. Одной из первопричин землетрясений является дегазация земной коры и ее накачка дополнительной энергией восходящего потока газов высокого давления. Насыщение земной коры газовой компонентой изменяет ее вязкоупругие характеристики. Дисперсия плотности породы приводит к дисперсии скоростей распространения литосферных волн, т.е. изменению соотношения между скоростями распространения продольных Vp и поперечных Vs волн.The technical essence of the invention is as follows. Reliable prediction can be provided by those methods that are based on measuring the precursors of the root cause of earthquakes. One of the root causes of earthquakes is the degassing of the earth's crust and its pumping with additional energy of an upward flow of high pressure gases. Saturation of the earth's crust with a gas component changes its viscoelastic characteristics. The dispersion of rock density leads to a dispersion of the propagation velocities of lithospheric waves, i.e. a change in the relationship between the propagation velocities of longitudinal V p and transverse V s waves.

Скорость распространения продольных волн в среде

Figure 00000012
The propagation velocity of longitudinal waves in the medium
Figure 00000012

поперечных

Figure 00000013
transverse
Figure 00000013

где Е - модуль упругости Юнга, G - модуль сдвига, ρ - плотность среды [см. Курс физики Г.А.Зисман, О.М.Тодес, т.I, стр.301-302, издательство Наука. М., 1964 г.]. В качестве функции чувствительности изменения вязкоупругих характеристик среды выбрана функция Vp/Vs, изменяющаяся во времени и в пространстве от азимута трассы измерений. Реализации функции Vp/Vs до и после состоявшихся сейсмических ударов на измеряемых трассах иллюстрируются графиками фиг.2.where E is the Young's modulus of elasticity, G is the shear modulus, ρ is the density of the medium [see Physics course G.A. Zisman, O.M. Todes, vol. I, pp. 301-302, publishing house Science. M., 1964]. As a function of the sensitivity of changes in the viscoelastic characteristics of the medium, the function V p / V s is selected, which varies in time and in space from the azimuth of the measurement path. Implementations of the function V p / V s before and after the seismic impacts on the measured paths are illustrated by graphs of figure 2.

Известно [см, например, Р.Дуда, П.Харт. «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ. М.: Мир, 1976, стр.319-331], что максимум информации о происходящих процессах содержится в образе объекта. Образом объекта земной коры является спектр сигнала измеряемой функции.It is known [see, for example, R. Duda, P. Hart. “Pattern Recognition and Scene Analysis”, trans. from English M.: Mir, 1976, pp. 319-331], that the maximum information about the ongoing processes is contained in the image of the object. The image of the object of the earth's crust is the signal spectrum of the measured function.

Для получения спектра-образа используют математические процедуры спектрального анализа регистрируемых функций путем их разложения в тригонометрический ряд, обеспечивающий наивысшую точность отображения, [см, например, Н.С.Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУ3-ов, учебник, т. II, 5-е издание. М.: Наука, 1964 г., Ряды Фурье, стр.180-182, 218-221].To obtain a spectrum image, mathematical procedures are used for the spectral analysis of recorded functions by expanding them into a trigonometric series that provides the highest display accuracy [see, for example, N. S. Piskunov. Differential and integral calculus for VTU3, textbook, vol. II, 5th edition. M .: Nauka, 1964, Fourier Series, pp. 180-182, 218-221].

По определению, спектр Фурье F(jω) функции

Figure 00000014
рассчитывается из соотношения:By definition, the Fourier spectrum F (jω) of a function
Figure 00000014
calculated from the ratio:

Figure 00000015
Figure 00000015

t2-t1 - интервал выборки изменений. В соответствии с теоремой Котельникова, для адекватного представления выборки измерений частотным спектром F(jω) необходимо, чтобы интервал Δt дискретизацииt 2 -t 1 is the interval of sample changes. In accordance with the Kotelnikov theorem, for an adequate representation of the sample of measurements by the frequency spectrum F (jω), it is necessary that the sampling interval Δt

отсчетов временной функции удовлетворял условию

Figure 00000016
time function samples satisfied the condition
Figure 00000016

(Fmax - максимальная частота спектра сейсмического сигнала), а объем выборки составлял не менее 600 отсчетов.(F max is the maximum frequency of the spectrum of the seismic signal), and the sample size was at least 600 samples.

При выполнении данного условия малейшие изменения спектра выбранной функции будут обнаружены.When this condition is met, the smallest changes in the spectrum of the selected function will be detected.

Расчет спектра осуществляют алгоритмами быстрого Фурье-преобразования (БПФ) по стандартным программам, входящим в комплект специализированного программного обеспечения ПЭВМ типа MATHCAD, ER MAPPER, (см., например, специализированное программное обеспечение MATHCAD 6.0 PLUS, издание 2-е стереотипное. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1997 г., стр.441).Spectrum calculation is carried out by fast Fourier transform (FFT) algorithms according to standard programs included in the package of specialized PC software such as MATHCAD, ER MAPPER, (see, for example, specialized software MATHCAD 6.0 PLUS, 2nd stereotyped edition. M .: Information and Publishing House "Filin", 1997, p.441).

Расчетные спектры Фурье выборок от функций

Figure 00000017
(фиг.2) до и после состоявшихся сейсмических ударов иллюстрируются графиками фиг.3.Calculated Fourier spectra of samples of functions
Figure 00000017
(figure 2) before and after the seismic impacts are illustrated by graphs of figure 3.

Возникновение на измеряемой трассе газонасыщенного объема земной коры зоны подготавливаемого землетрясения изменяет параметры регистрируемого сигнала: ширину спектра, пропорции в соотношении амплитуд спектральных линий, средневзвешенную частоту спектра, величину затухания. С началом переходного к сейсмическому удару процесса скорость изменения функции

Figure 00000018
увеличивается, что отражается в спектре как увеличение его средневзвешенной частоты.The occurrence on the measured path of the gas-saturated volume of the earth's crust of the zone of the prepared earthquake changes the parameters of the recorded signal: the width of the spectrum, the proportions in the ratio of the amplitudes of the spectral lines, the weighted average frequency of the spectrum, and the amount of attenuation. With the beginning of the transition to seismic shock of the process, the rate of change of function
Figure 00000018
increases, which is reflected in the spectrum as an increase in its weighted average frequency.

Момент изменения средневзвешенной частоты спектра отождествляют с возникновением на измеряемой трассе аномальной зоны подготавливаемого землетрясения и началом сейсмического процесса.The moment of change in the weighted average frequency of the spectrum is identified with the occurrence of an anomalous zone of the prepared earthquake on the measured path and the beginning of the seismic process.

После обнаружения аномалии на трассе измерений осуществляют ее пеленгацию. Известно (см. например, Корн Г., Корн Т. «Справочник по математике для научных работников и инженеров» перевод с англ. М.: Наука, 1971 г., раздел «Аналитическая геометрия», стр.73-74), что положение радиус вектора в пространстве полностью определяется его косинус направляющими.After detecting anomalies on the measurement path, it is direction-finding. It is known (see, for example, Korn G., Korn T. "A Handbook of Mathematics for Scientists and Engineers" translated from English. M.: Science, 1971, section "Analytical Geometry", pp. 73-74) that the position of the radius of the vector in space is completely determined by its cosine guides.

Из аналитической геометрии известно, что косинус направляющая вектора равна отношению его проекции на данную ось к длине вектора. Длина вектора полной скорости (длV) находится, как корень квадратный из суммы его проекций:From analytical geometry it is known that the cosine of a vector is equal to the ratio of its projection onto a given axis to the length of the vector. The length of the total velocity vector ( for V) is found as the square root of the sum of its projections:

Figure 00000019
Figure 00000019

где Vx,Vy - скорости продольных волн для данной сейсмостанции по координатам x, y.where V x , V y are the longitudinal wave velocities for a given seismic station along the x, y coordinates.

Для каждой сейсмостанции измеряется направление

Figure 00000020
For each seismic station, the direction is measured.
Figure 00000020

Координаты аномалии находят как точку пересечения радиус векторов скоростей от нескольких сейсмостанции, как это иллюстрируется фиг.1.The coordinates of the anomaly are found as the point of intersection of the radius of the velocity vectors from several seismic stations, as illustrated in Fig. 1.

После обнаружения аномалии и ее пеленгации на измеряемых трассах осуществляют прогноз параметров ожидаемого сейсмического удара. Для чего отслеживают изменение энергии сигнала.After detecting the anomaly and its direction finding on the measured paths, the parameters of the expected seismic impact are forecasted. Why track the change in signal energy.

В соответствии с законом Рэлея, энергию спектра сигнала рассчитывают как:In accordance with the Rayleigh law, the energy of the signal spectrum is calculated as:

Figure 00000021
Figure 00000021

Изменение затухания сигнала на измеряемой трассе во времени определяют как разницу |ΔE|=E(t2) - E(t1) где t1, t2 - время выборок измерений, для которых рассчитывался спектр Фурье.The change in signal attenuation on the measured path over time is determined as the difference | ΔE | = E (t 2 ) - E (t 1 ) where t 1 , t 2 is the time of the measurement samples for which the Fourier spectrum was calculated.

Известна (см. «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта. М.: РАН, 1998 г., стр.9) примерная зависимость размеров зоны подготавливаемого землетрясения R[км] от магнитуды (М) ожидаемого сейсмического удара.A well-known (see "Short-term forecast of catastrophic earthquakes using radiophysical ground-space methods. Conference reports, OIFZ named after O. Schmidt. M .: RAS, 1998, p. 9) an approximate dependence of the size of the zone of the prepared earthquake R [km] from the magnitude (M) of the expected seismic impact.

R[км]≈ехр(М)R [km] ≈ exp (M)

Известно также, что сама физическая величина и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспоненциальная зависимость (см. Н.С.Пискунов. «Дифференциальное и интегральное исчисление для ВТУ3-ов». М.: Наука, 1976 г., стр.458). Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по ее дискретным значениям можно восстановить всю функцию.It is also known that the physical quantity itself and its rate of change are connected by a differential equation of the first degree, the general solution of which is exponential dependence (see N. S. Piskunov. "Differential and integral calculus for VTU3-s." M.: Nauka, 1976 ., p. 458). The exponential dependence has the property that, from its discrete values, the whole function can be restored.

Экспоненциальная зависимость затухания энергии сигнала на измеряемых трассах при увеличении размеров (R) аномальной зоны иллюстрируется графиком фиг.4The exponential dependence of the attenuation of the signal energy on the measured paths with increasing size (R) of the anomalous zone is illustrated in the graph of figure 4

По величине затухания сигнала судят о размерах аномальной зоны. Расчет размеров аномальной зоны [R,км] для оценки ожидаемой магнитуды (М) сейсмического удара приведен ниже в примере реализации способа.The magnitude of the signal attenuation is judged on the size of the anomalous zone. The calculation of the size of the anomalous zone [R, km] to assess the expected magnitude (M) of seismic shock is given below in the example implementation of the method.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

Реализация способа осуществлялась на Камчатском Геофизическом полигоне РАН. Схема полигона иллюстрируется фиг.1. Полигон включает 6 сейсмических станций: Русская (RUS), Петропавловск (PET), Шипунский (SPN), Мыс Козлова (MKZ), Крутоберегово (КВТ), Авача (AVH).The implementation of the method was carried out at the Kamchatka Geophysical Test Site RAS. The layout of the landfill is illustrated in figure 1. The range includes 6 seismic stations: Russkaya (RUS), Petropavlovsk (PET), Shipunsky (SPN), Cape Kozlova (MKZ), Krutoberegovo (KVT), Avacha (AVH).

Сейсмические станции мониторинга фиксируют приход продольной и поперечной волн от каждого землетрясения, произошедшего в фокальной зоне расположенной в 150 км от побережья полуострова Камчатки.Seismic monitoring stations record the arrival of longitudinal and transverse waves from each earthquake that occurred in the focal zone located 150 km from the coast of the Kamchatka Peninsula.

Фокальная зона Камчатки представляет сочленение континентальной и океанической плит, последняя из которых осуществляет движение под континентальную плиту. К северу, в зоне мониторинга станций КВТ, имеет место сочленение этих плит с более северной, т.е. имеет место тройное сочленение, сейсмическая активность которого очень высока. Фокальная зона землетрясений - от севера Камчатки на юг, вплоть до Индонезии. В мониторинге среды станциями RUS, PET, КВТ, MKZ, SPN, AVH, использованы данные, полученные только от местных землетрясений.The focal zone of Kamchatka is a junction of continental and oceanic plates, the last of which carries out movement under the continental plate. To the north, in the monitoring zone of the KVT stations, there is a junction of these plates with a more northern one, i.e. triple articulation occurs, the seismic activity of which is very high. The focal zone of earthquakes is from the north of Kamchatka to the south, right up to Indonesia. In the monitoring of the environment by the stations RUS, PET, KVT, MKZ, SPN, AVH, data obtained only from local earthquakes were used.

Функциональная схема системы измерений, реализующей способ, иллюстрируется фиг.5.Functional diagram of a measurement system that implements the method is illustrated in Fig.5.

Система измерений (фиг.5) содержит размещенные в Камчатском регионе шесть сейсмостанций (1…6). Каждая из сейсмостанций, для азимутов трасс измерений в фокальной зоне, содержит группу из двух трехкомпонентных сейсмоприемников, (7, 8) оси чувствительности одноименных компонент которых взаимно параллельны. Сейсмоприемники размещены на измерительной базе (9), кратной размерам средней длине волны измеряемого спектра. Базы располагают перпендикулярно измеряемым трассам. Сейсмоприемники устанавливаются заглубленными, соосно друг другу.The measurement system (figure 5) contains six seismic stations located in the Kamchatka region (1 ... 6). Each of the seismic stations, for the azimuths of the measurement paths in the focal zone, contains a group of two three-component seismic receivers, (7, 8) the sensitivity axes of the same name components of which are mutually parallel. The seismic receivers are located on the measuring base (9), which is a multiple of the average wavelength of the measured spectrum. The bases are perpendicular to the measured paths. The seismic receivers are installed buried coaxially with each other.

Через встроенные усилители 10, 11, 12 сигналы с выхода сейсмоприемников подают на соответствующие входы канального коммутатора 13. Канальный коммутатор реализует функцию отношений сумм сигналов

Figure 00000022
и сигнал пеленга аномалии (Vpx/gлVp). Результирующие сигналы от канального коммутатора 13 оцифровывают в АЦП 14, 15 записывают в буферное ЗУ 16 для последующего ввода данных в компьютер 17, в стандартном наборе элементов: процессор 18, оперативное ЗУ 19, винчестер 20, дисплей 21, принтер 22, клавиатура 23. Компьютеры 17 объединены в локальную вычислительную сеть и обеспечена синхронизация их работы во времени.Through the built-in amplifiers 10, 11, 12, the signals from the output of the geophones are fed to the corresponding inputs of the channel switch 13. The channel switch implements the function of the relations of the sums of signals
Figure 00000022
and a bearing signal of the anomaly (V px / g l V p ). The resulting signals from the channel switch 13 are digitized in the ADC 14, 15 are recorded in the buffer memory 16 for subsequent data input into the computer 17, in a standard set of elements: processor 18, operational memory 19, hard drive 20, display 21, printer 22, keyboard 23. Computers 17 are integrated into a local area network and their work is synchronized over time.

Все элементы устройства представляют собой существующие технические разработки. В устройстве использованы элементы виброизмерительной аппаратуры фирмы Bruel & Kjairi ENDEVCO, Дания, следующих моделей: встроенные усилители 10, 11, 12 модели 2626, 2628; канальный коммутатор, АЦП, буферное ЗУ (элементы 13, 14, 15, 16) - многофункциональный блок 3560-L.All elements of the device are existing technical developments. The device used elements of vibration measuring equipment from Bruel & Kjairi ENDEVCO, Denmark, the following models: built-in amplifiers 10, 11, 12 models 2626, 2628; channel switch, ADC, buffer memory (elements 13, 14, 15, 16) - multifunction block 3560-L.

Сейсмическая волна характеризуется избыточным давлением Р[н/м2]=ρc|ν|, где ρ - плотность среды, с - скорость акустических волн,

Figure 00000023
- скорость колебательного движения, u - смещение частиц от положения равновесия в процессе колебательного движения. Поскольку давление во фронте сейсмической волны пропорционально скорости, для ее измерения на сейсмостанциях используют датчики давления. Известен класс устройств мембранного типа, позволяющих измерять инфразвуковые колебания земной коры (см., например, «Кондуктометрический датчик колебаний». Патент RU №2055352, G.01.N, 27/02, 1996 г.). Датчик имеет высокую чувствительность и линейность выходной характеристики в области инфрачастот 0,1…100 Гц, быстродействие 100 ms. Промышленная разработка кондуктометрического датчика представляет собой трехкомпонентный сейсмоприемник (см., например, «Способ определения гипоцентра нефтегазового месторождения». Патент RU №2150719, G01V 1/100, 2000 г.). Он может использоваться в любой пространственной ориентации, т.е. осуществлять измерения во взаимно ортогональных плоскостях.A seismic wave is characterized by an excess pressure P [n / m 2 ] = ρc | ν |, where ρ is the density of the medium, c is the speed of the acoustic waves,
Figure 00000023
is the speed of oscillatory motion, u is the displacement of particles from the equilibrium position in the process of oscillatory motion. Since the pressure at the front of the seismic wave is proportional to the speed, pressure sensors are used to measure it at seismic stations. A known class of membrane-type devices that can measure infrasonic vibrations of the earth's crust (see, for example, "Conductometric vibration sensor". Patent RU No. 2055352, G.01.N, 27/02, 1996). The sensor has high sensitivity and linearity of the output characteristic in the field of infra-frequencies 0.1 ... 100 Hz, speed 100 ms. The industrial development of the conductivity sensor is a three-component seismic receiver (see, for example, “Method for determining the hypocenter of an oil and gas field.” Patent RU No. 2150719, G01V 1/100, 2000). It can be used in any spatial orientation, i.e. take measurements in mutually orthogonal planes.

Анализ сейсмических данных проводился для периода с 1.01.2001 по 31.12.2004 гг. Интервалы времени, в которые рассматривались изменения состояний среды, составляли ~ 16, 8, 4, 2 суток до состоявшегося землетрясения и соответственно 2, 4, 8, 16 суток после. Обработка сигналов на каждой станции проводилась по зарегистрированным сейсмическим волнам с учетам направления их прихода, т.е. выбирались различные азимуты (азимут может иметь значение от 0 до 360) и решение зависело уже от того, откуда пришла волна землетрясений. Для станции КВТ было выбрано два промежутка азимутов: первый от 0 до 130, второй от 50 до 110; по каждому интервалу азимутов было проведено независимое исследование.The analysis of seismic data was carried out for the period from January 1, 2001 to December 31, 2004. The time intervals during which the changes in the state of the environment were considered were ~ 16, 8, 4, 2 days before the earthquake and, respectively, 2, 4, 8, 16 days after. Signal processing at each station was carried out using registered seismic waves taking into account the direction of their arrival, i.e. different azimuths were chosen (the azimuth can have a value from 0 to 360) and the decision depended on where the earthquake wave came from. For the KVT station, two azimuth intervals were chosen: the first from 0 to 130, the second from 50 to 110; an independent study was conducted for each azimuth interval.

Для станций MKZ - от 70 до 130 и от 160 до 220. SPN - 70-130 и 110-190. PET-90-150, 100-130 и 180-230. RUS-60-110, 90-200 и 180-230.For MKZ stations - from 70 to 130 and from 160 to 220. SPN - 70-130 and 110-190. PET-90-150, 100-130 and 180-230. RUS-60-110, 90-200 and 180-230.

Реализация функций сигналов (Vp/Vs) для 2х станций (KВТ, MKZ) иллюстрируются графиком фиг.2. Выборки дискретных отсчетов сигналов для станций проводились в интервалах времени 16, 8, 4 суток до и после состоявшихся землетрясений. Спектры Фурье этих выборок иллюстрируются фиг.3. При насыщении земной коры газовой компонентой среда становится диспергирующей. Возникновение подобной аномалии на измеряемых трассах приводит к изменению амплитудных соотношений между гармониками спектра, как это иллюстрируется фиг.3. Средневзвешенное значение частоты расчетных спектров соответственно составили Fcp1 (16 суток) ≂ 5 Гц, Fср2 (8 суток)≂Гц, Fcp3 (4 суток) ≂ 8 Гц. Энергия сигналов выборок измерений, вычисленная по соотношению Рэлея, соответственно равнялась: E1(16 суток)≂0,306 мВт, E2(8 суток) ≂ 0,0407 мВт, E3(4 суток) ≂ 0,0203 мВт. Поскольку измеряемый сигнал представляет отношение двух функций (Vp/Vs), то измеряемое значение энергии сигнала (Е) не зависит от абсолютных значений величин Vp, Vs, т.е. является устойчивым параметром. Постоянная времени затухания сигнала на измеряемой трассе, для экспоненциального процесса:

Figure 00000024
The implementation of functions signals (V p / V s) 2 x stations (kW, MKZ) illustrated in Figure 2 graph. Samples of discrete samples of signals for stations were carried out in time intervals of 16, 8, 4 days before and after the earthquakes. Fourier spectra of these samples are illustrated in figure 3. When the earth's crust is saturated with a gas component, the medium becomes dispersive. The occurrence of such an anomaly on the measured paths leads to a change in the amplitude relations between the harmonics of the spectrum, as illustrated in Fig.3. The weighted average frequency of the calculated spectra, respectively, was F cp1 (16 days) ≂ 5 Hz, F cp2 (8 days) ≂ Hz, F cp3 (4 days) ≂ 8 Hz. The signal energy of the measurement samples calculated by the Rayleigh ratio was respectively equal to: E 1 (16 days) ≂0.306 mW, E 2 (8 days) ≂ 0.0407 mW, E 3 (4 days) ≂ 0.0203 mW. Since the measured signal represents the ratio of two functions (V p / V s ), the measured value of the signal energy (E) does not depend on the absolute values of the values of V p , V s , i.e. is a robust parameter. The signal attenuation time constant on the measured path, for the exponential process:
Figure 00000024

Расчетная величина установившегося значения энергии сигнала накануне сейсмического удара

Figure 00000025
Estimated steady-state value of the signal energy on the eve of a seismic shock
Figure 00000025

Признаком-предвестником землетрясения является увеличение размеров зоны подготавливаемого землетрясения (аномальной зоны). В первом приближении можно считать, что энергия сигнала на трассе распространения убывает обратно пропорционально Emin~1/Rmax радиусу R аномальной зоны, как это иллюстрируется фиг.1. Откуда размеры зоны подготавливаемого землетрясения

Figure 00000026
An earthquake precursor sign is an increase in the size of the zone of the prepared earthquake (anomalous zone). As a first approximation, we can assume that the signal energy on the propagation path decreases inversely with E min ~ 1 / R max to the radius R of the anomalous zone, as illustrated in Fig. 1. Where does the prepared earthquake zone come from?
Figure 00000026

Ожидаемая магнитуда сейсмического удара ln[R, км]=М, ln[147 км] ≈ 5,1 балла.The expected magnitude of the seismic impact is ln [R, km] = M, ln [147 km] ≈ 5.1 points.

Сводный график расчетных значений землетрясений по всем шести станциям сети в интервале времен наблюдения 2001 г. - 2003 г. (в наблюдаемых азимутах станций) иллюстрирует фиг.6. Сходимость прогнозируемых результатов (с точность до 2го знака) соответствуют апостериорным данным состоявшихся землетрясений. Эффективность способа характеризуется высокой достоверностью, масштабностью территорий, охваченной мониторингом и большим интервалом времени упреждающего прогноза.A summary graph of the calculated values of earthquakes for all six stations of the network in the interval of observation times 2001 - 2003 (in the observed azimuths of the stations) is illustrated in Fig.6. The convergence of the predicted results (with an accuracy of up to the 2nd sign) corresponds to the posterior data of the earthquakes. The effectiveness of the method is characterized by high reliability, the scale of the territories covered by monitoring and a large interval of time proactive forecast.

Claims (1)

Способ мониторинга региона сетью сейсмостанций, включающий трассовые измерения соотношения скоростей распространения продольных Vp и поперечных Vs волн в земной коре (Vp/Vs) под различными азимутами трасс каждой из станций сети, использующих в качестве первичных датчиков скоростей датчики давлений, размещенные во взаимно ортогональных плоскостях измерений Vp и Vs, получение дискретных выборок измерений (Vp/Vs) для каждой из трасс в одни и те же интервалы времени [Vp/Vs(ti)], расчет спектров Фурье полученных выборок с определением средневзвешенных частот выборок, отождествление момента изменения средневзвешенных частот с возникновением аномальной зоны подготавливаемого землетрясения на измеряемой трассе, пеленгацию аномальной зоны как точки пересечения радиус-векторов скоростей от нескольких станций на измеряемых трассах, определение энергии сигнала расчетных спектров как
Figure 00000027
и отслеживание динамики ее изменения в виде экспоненты E(t)=E0*exp(-t/T), расчет размеров аномальной зоны R, км ≂ 1/Еуст, прогнозирование магнитуды ожидаемого сейсмического удара М ≂ ln [R, км] и времени удара, отсчитываемого от момента изменения средневзвешенной частоты спектра Фурье: ty~4,7T, где
Figure 00000028
- постоянная времени затухания сигнала на измеряемой трассе;
Δt - интервал времени между расчетными определениями энергии сигнала Е1 и
Е2;
E0 - энергия сигнала до момента возникновения аномалии;
Eуст≅E0-4,7 - установившееся значение энергии сигнала, прошедшего через аномалию накануне сейсмического удара.
A method for monitoring a region by a network of seismic stations, including route measurements of the ratio of the propagation velocities of longitudinal V p and transverse V s waves in the earth's crust (V p / V s ) under different azimuths of the tracks of each network station using pressure sensors placed as primary velocity sensors in mutually orthogonal measurement planes V p and V s , obtaining discrete measurement samples (V p / V s ) for each trace at the same time intervals [V p / V s (t i )], calculation of the Fourier spectra of the obtained samples with the definition of medium Addressing frequency samples, the identification of the change of average frequency with the occurrence of the anomalous zone being prepared earthquake measured track direction finding abnormal area as the intersection of radius vectors point velocities by multiple stations on the measured slopes, the determination signal energy spectra calculated as the
Figure 00000027
and tracking the dynamics of its change in the form of an exponential E (t) = E 0 * exp (-t / T), calculating the size of the anomalous zone R, km ≂ 1 / E mouth , forecasting the magnitude of the expected seismic impact M ≂ ln [R, km] and the time of the impact, measured from the moment the weighted average frequency of the Fourier spectrum changes: t y ~ 4.7T, where
Figure 00000028
- the time constant of the signal attenuation on the measured path;
Δt is the time interval between the calculated definitions of the energy of the signal E 1 and
E 2 ;
E 0 is the signal energy until the anomaly occurs;
E set ≅E 0 * е -4.7 is the steady-state value of the energy of the signal passing through the anomaly on the eve of the seismic shock.
RU2011101754/28A 2011-01-19 2011-01-19 Method of monitoring region with network of seismic stations RU2463627C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101754/28A RU2463627C1 (en) 2011-01-19 2011-01-19 Method of monitoring region with network of seismic stations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101754/28A RU2463627C1 (en) 2011-01-19 2011-01-19 Method of monitoring region with network of seismic stations

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011101754A RU2011101754A (en) 2012-07-27
RU2463627C1 true RU2463627C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=46850305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011101754/28A RU2463627C1 (en) 2011-01-19 2011-01-19 Method of monitoring region with network of seismic stations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463627C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2181205C1 (en) * 2000-11-21 2002-04-10 Московский государственный университет леса Method of short-term forecast of earthquakes
RU2284046C2 (en) * 2004-07-01 2006-09-20 Леонид Васильевич Винокуров Method for determination of location of aftershock hypocenter and epicenter
RU2337382C1 (en) * 2007-06-08 2008-10-27 Московский государственный университет леса Method of short-term earthquake forecast

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2181205C1 (en) * 2000-11-21 2002-04-10 Московский государственный университет леса Method of short-term forecast of earthquakes
RU2284046C2 (en) * 2004-07-01 2006-09-20 Леонид Васильевич Винокуров Method for determination of location of aftershock hypocenter and epicenter
RU2337382C1 (en) * 2007-06-08 2008-10-27 Московский государственный университет леса Method of short-term earthquake forecast

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011101754A (en) 2012-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Burtin et al. Seismic monitoring of torrential and fluvial processes
US9372272B2 (en) Earthquake warning system
Komjathy et al. Review and perspectives: Understanding natural-hazards-generated ionospheric perturbations using GPS measurements and coupled modeling
Galvan et al. The 2009 Samoa and 2010 Chile tsunamis as observed in the ionosphere using GPS total electron content
Geist et al. Implications of the 26 December 2004 Sumatra–Andaman earthquake on tsunami forecast and assessment models for great subduction-zone earthquakes
Angove et al. Ocean observations required to minimize uncertainty in global tsunami forecasts, warnings, and emergency response
Saito et al. Synthesizing ocean bottom pressure records including seismic wave and tsunami contributions: Toward realistic tests of monitoring systems
Albakri et al. Impact localization in dispersive waveguides based on energy-attenuation of waves with the traveled distance
Psimoulis et al. Detection of ground motions using high-rate GPS time-series
JP5007391B2 (en) Tsunami source estimation method, tsunami height prediction method, and related technologies
Sherki et al. Design of real time sensor system for detection and processing of seismic waves for earthquake early warning system
US11835670B2 (en) Seismic observation device, seismic observation method, and recording medium in which seismic observation program is recorded
Arrowsmith et al. A framework for estimating stratospheric wind speeds from unknown sources and application to the 2010 December 25 bolide
JP6103516B2 (en) Tsunami warning system, tsunami warning method, and program for tsunami warning system
RU2463631C1 (en) Method to detect earthquake sources by network of seismic stations
RU2464594C2 (en) Method of estimating main characteristics of anticipated strong tsunamigenic earthquake and system for realising said method
Alajlouni et al. Evaluation of a new energy-based human tracking method in a smart building using floor vibration measurements
RU2463627C1 (en) Method of monitoring region with network of seismic stations
RU2337382C1 (en) Method of short-term earthquake forecast
Alizadeh Zakaria et al. Investigation of the application of geospatial artificial intelligence for integration of earthquake precursors extracted from remotely sensed SAR and thermal images for earthquake prediction
RU2256199C2 (en) Method for predicting earthquake parameters
Ferretti et al. Applicability of an empirical law to predict significant sea-wave heights from microseisms along the Western Ligurian Coast (Italy)
RU2181205C1 (en) Method of short-term forecast of earthquakes
RU2458362C1 (en) Method for short-term prediction of earthquakes
Ding et al. MEMS-based seismic intensity instrument for earthquake early warning