Способ мониторинга и прогнозирования землетрясений

011003 Изобретение относится к области геофизики и касается сейсмологии, в частности мониторинга геодинамического состояния Земли и прогнозирования землетрясений. Известен способ мониторинга сейсмологического состояния Земли, постоянно проводимого сейсмическими станциями различных стран мира (1), и составляемые на его основе прогнозы. Способ предусматривает обширную сеть автономных сейсмостанций с телеметрической передачей информации, регистрации ее в цифровом виде и широком обобщении данных с применением ЭВМ. Первичная информация в виде сейсмограмм и времени начала колебаний со станций передается в сейсмологический центр,где она обрабатывается на ЭВМ стандартными методами, включая и методы статистического анализа, и определяются координаты гипоцентра и магнитуда землетрясения. Однако, к сожалению, все известные способы, и этот не исключение, на сегодняшний день не в состоянии с определенной степенью точности предсказать время и место сильных землетрясений из-за сложности процессов, протекающих в очень глубоких недрах (от десятков до нескольких сотен километров) земли, информация о которых по тем или иным причинам недоступна исследованию. Известен способ (2) прогнозирования землетрясений, включающий непрерывную регистрацию и анализ информативных признаков, характеризующих геодинамическое состояние исследуемой зоны. В качестве информативных признаков способ использует изменение магнитуды, которую замеряют в нескольких местах активной зоны и по изменению ее параметров определяют место, время и силу землетрясения. Однако этот способ, использующий только изменение магнитуды, не может дать достоверный прогноз из-за многообразия условий и процессов, происходящих в недрах Земли, участвующих в подготовке к землетрясению и влияющих на изменение ее геодинамического состояния. Задача изобретения состоит в создании способа мониторинга и прогнозирования землетрясения, позволяющего определить начало землетрясения заблаговременно до прихода первой волны на сейсмическую станцию. Сущность изобретения состоит в том, что в способе мониторинга и прогнозирования землетрясения регистрируют сигналы звуковые и вибросигналы, датчики которых устанавливают в устье металлического ствола скважины глубиной не менее 5 км. Способ включает непрерывную регистрацию сигналов в период затишья и активизации зоны, анализ информативных признаков, характеризующих геодинамическое состояние исследуемой зоны, и выработку прогноза. В качестве информативных признаков используют информативное множество оценок, которое включает оценки помехи реального (зашумленного) сигнала g(it)(дисперсию помехи - D и взаимно корреляционную функцию RX полезного сигнала, являющихся одними из существенных признаков данного изобретения; оценки позиционнобинарного анализа, включающего коэффициенты Kq0, Kq1, , Kqm-1, определяющие соотношение количества отфильтрованных позиционных помех Nk qk(it) к общему количеству Nqk позиционно-импульсных сигналов qk(it) за время T; а также традиционные оценки статистического анализа: дисперсию Dg реального (зашумленного) g(it) сигнала; и дисперсию Dx - полезного сигнала х(it); и математическое ожидание mx полезного сигнала х(it). Постоянно формируемые множества (от цикла к циклу) информативных признаков сравнивают с эталонными, в качестве которых используют множества предыдущего цикла и сейсмических данных. Определяют диапазоны допустимых отклонений значений текущих признаков от эталонных и при их превышении прогнозируют начало активизации зоны. По разности между пороговым значением допустимого диапазона эталонных значений информативных признаков текущих устанавливают время прихода первой волны и ориентировочную силу землетрясения. Сравнительный анализ заявляемого изобретения и прототипа показал, что заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что звуковой и вибрационный датчики установлены в устье металлического ствола скважины глубиной не менее 5 км. В качестве информативных признаков используют информативные множества, содержащие оценку помехи реального сигнала, которая несет в себе наиболее точную информацию об изменении исследуемого объекта (3), а также оценки статистического и позиционно-бинарного анализов. Известно, что предвестниками землетрясений могут служить различные аномальные явления, происходящие как в недрах земли, так и на ее поверхности и в космосе. Однако зафиксировать их, а тем более расшифровать до сих пор является одной из очень сложных и нерешенных проблем. Такими предвестниками землетрясений из числа многих являются звуковые и колебательные волны, естественно возникающие в недрах земли в результате тектонического напряжения и последующего спада - землетрясения. Процессы эти проходят, как правило, на глубине не менее 20-30 км, и когда первая волна приходит на сейсмостанцию, то установить место, время и силу удара можно только как свершившийся факт. К тому же, сейсмические волны по характеру возникновения и распространения весьма разнообразны и зависят от многих факторов, а система выбора параметров и их анализа является достаточно сложной проблемой. Предлагаемый способ мониторинга и прогнозирования землетрясений для более своевременного улавливания происходящих изменений в недрах земли использует выработанную скважину глубиной не менее 5 км в качестве естественного уха и комплекс информативных признаков,характеризующих процессы, происходящие на глубине, за счет установленных на металлическом стволе на глубине 2-3 м под землей в устье скважины датчиков звуковых и вибросигналов. Система выбора ин-1 011003 формативных признаков и обработки получаемых сигналов, включающая помеху как основной источник информации в комплексе других оценок, позволяет определить начало активизации зоны задолго (1015 мин) до прихода первой волны на сейсмостанцию, что бесспорно является существенным фактом. Следовательно, отличительные признаки заявляемого изобретения являются существенными, а наличие новых существенных признаков дает основание утверждать, что заявляемое решение соответствует критерию изобретения - новизна. Заявляемая совокупность признаков создает необходимый технический эффект для решения поставленной задачи, т.е. возможность улавливать и идентифицировать поступающие сигналы задолго до прихода первой волны. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень и оно может быть признано изобретением. На чертеже представлена функциональная схема для реализации способа. Она содержит: блок 1 датчиков звука и вибрации, блок 2 сбора и цифровой обработки информации, стандартный сейсмический блок 3 и блок 4 анализа и выдачи решения, линии связи 5, металлический ствол 6 скважины; S1 - расстояние расположения датчиков от поверхности земли и S - глубина скважины. В процессе мониторинга сигналы от звукового датчика и вибродатчика блока 1 непрерывно и одновременно поступают в блок 2 сбора и обработки информации. В блоке 2 сигналы преобразуются в цифровые и передаются в блок 4 анализа и выработки решения. В этот же блок поступают сигналы сейсмографа с блока 3, установленного в стандартных условиях. Заявляемый способ мониторинга и прогнозирования землетрясений представляет собой самообучающуюся систему, которая функционирует следующим образом. Способ осуществляется в два этапа и циклически. Каждый цикл имеет определенное время T. На первом этапе в процессе мониторинга происходит накопление информации в виде оценок статистического и позиционно-бинарного анализа: дисперсий Dg - зашумленного сигнала g(it); Dx - полезного сигнала х(it) и D - помехи; взаимно корреляционной функции RXполезного сигнала математического ожидания mx полезного сигнала х(it); которые вычисляются по следующим алгоритмам, соответственно: и коэффициентов Kq0, Kq1, , Kqm-1, определяющих соотношение количества отфильтрованных по-2 011003 зиционных помех Nk qk(it) к общему количеству Nqk позиционно-импульсных сигналов qk(it) за время Указанные коэффициенты являются оценками позиционно-бинарного анализа, суть которого состоит в том, что исходный сигнал g(it) разлагается на составляющие, формирующие при каждом шаге дискретизации сигналы qk(it) в виде кода 1 или 0. Последовательность qk(it) названа позиционнобинарно-импульсными сигналами (ПБИС). Их сумма равна исходному сигналу: g(it)qn-1(it)+qn-2(it)++q1(it)+q0(it). В зависимости от величины отсчетов g(it) один и тот же сигнал qk(it) в течение одного цикла T может многократно через соответствующие временные интервалы менять свое значение. Среднее значение времени Tk1, Tk0 единичных и нулевых полупериодов сигналов qk(it) при достаточном времени наблюдения можно определить по формулам где- число единичных и нулевых полупериодов ПБИС за время наблюдения;j - порядковые номера сигналов ПБИС qk-й позиции;qk(it)=2k(x=0). Затем происходит формирование эталонных множеств по каждому виду сигналов и предварительная выработка пороговых значений оценок анализа и их допустимый диапазон изменения. На начальном этапе - этапе обучения и при отсутствии аномальных сейсмических процессов - стадии затишья, сформированные за один цикл информативные признаки заносятся в память как эталонные. Затем в процессе мониторинга за каждый цикл нарабатываются новые множества оценок, которые регулярно сравниваются с эталонными и вырабатывается ориентировочный порог изменения значений оценок информативных признаков. Если при сравнении текущих информативных признаков с эталонными их разность не превышает допустимого, то считается, что они не отличаются от эталонных. Количество таких совпадений является показателем достоверности способа. Этот процесс мониторинга в период геодинамического затишья повторяется постоянно с уточнением диапазона изменения соответствующих оценок. Если при очередном цикле текущие оценки сигналов отличаются от соответствующих сформированных эталонных значений на величину, превышающую установленный диапазон, то в этот момент засекается время предположительного входа первой волны. Если в очередном цикле отмечается устойчивое отклонение текущих значений от эталонных, то это отличие считается началом аномального сейсмического процесса и соответствующая информация передается на центральный сервер. Информация, сформированная на основе сигналов, поступающих от датчиков звука и вибрации, расположенных в устье глубокой скважины, опережают сигнал первой волны, поступившей на сейсмограф на время от 10 до 15 мин. Это время представляет собой краткосрочный прогноз начала землетрясения. Кроме того, величина разности между эталонными множествами и текущими множествами в момент прихода первой волны и силой землетрясения, зарегистрированной сейсмографом, соответствует приблизительной силе землетрясения, которая также запоминается. В процессе наработки множеств в условиях незначительных землетрясений система адаптируется, переходит во второй этап и способна заблаговременно определять приближенную силу и время землетрясения. Заявляемый способ мониторинга и прогнозирования землетрясений способен зарегистрировать начало землетрясения значительно раньше прихода первой волны на сейсмологическую станцию. Это происходит за счет места расположения датчиков сигнализации и методики обработки сигналов, включающей анализ помехи как источник полезной и более чувствительной информации. ЛИТЕРАТУРА 1. БЭС. Изд-во Советская энциклопедия, M., 1976 г.,9, с. 471;23, с. 175-178. 2. "Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений", Патент Республики Азербайджанi20040016, RB,3, 2004 г. (прототип). 3. Aliev T.A. Robust technology with analysis of interference in signal processing. Kluwer Academic/Plenum Publisher N.Y., Bos., Dord., Lon., M., 2003.-3 011003 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ мониторинга и краткосрочного прогнозирования землетрясений, включающий непрерывную регистрацию сигналов в период затишья и активизации зоны, анализ их информативных признаков,характеризующих геодинамическое состояние исследуемой зоны, и выработку прогноза, отличающийся тем, что сигналы регистрируются звуковыми и вибрационными датчиками, установленными в устье металлического ствола скважины глубиной не менее 5 км; в качестве информативных признаков используют информативное множество оценок, включающее оценки помехи сигнала g(it): дисперсию помехи - D и взаимно корреляционную функцию Rx полезного сигнала и помехиKq1 Kqm-1, определяющие соотношение количества отфильтрованных позиционных помех Nk qk(it) к общему количеству Nqk позиционно-импульсных сигналов qk(it) за время T; а также традиционные оценки статистического анализа: дисперсию Dg реального (зашумленного) g(it) сигнала, дисперсию Dx полезного сигнала x(it) и математическое ожидание mх полезного сигнала х(it); а информативные множества, формируемые циклически, сравнивают с эталонными, в качестве которых используют множества предыдущего цикла и сейсмических данных, определяют диапазоны допустимых отклонений значений текущих признаков от эталонных и при их превышении прогнозируют начало активизации зоны; при этом по разности между пороговым значением допустимого диапазона эталонных значений информативных признаков и текущих устанавливают время прихода первой волны и ориентировочную силу землетрясения.