Способ прогнозирования землетрясений

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при космическом мониторинге природных сред для прогнозирования землетрясений. Согласно заявленному способу получают изображения подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала собственного излучения А (х, у) от пространственных координат по каналам приема с антенной линейной поляризации. Формируют синтезированную матрицу из ортогональных по поляризации изображений. Обрабатывают синтетизрованную матрицу и рассчитывают характеристики землетрясения. Дополнительно зондирование осуществляют в СВЧ-диапазоне многолучевой антенной. Синтезированную матрицу формируют из модулей попиксельных разностей изображений идентичных участков поверхности, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит космических аппаратов. В обработку включают те пикселы, где текущий модуль разности выше порогового. Рассчитывают направляющий косинус текущего модуля разности. Отслеживают изменение длины L по серии формируемых синтезированных матриц и вычисляют постоянную времени Т отслеживаемого процесса. Прогнозируют время удара и магнитуду. Технический результат: повышение чувствительности и достоверности способа. 6 ил.

 

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение при космическом мониторинге природных сред для прогнозирования землетрясений.

Очаг землетрясения представляет собой некоторую неоднородность в земной коре, в который аккумулируется энергия тектонических напряжений. В результате механических напряжений над очаговой зоной возникают аномалии других физических полей, которые могут быть обнаружены при дистанционном зондировании из космоса. Известен "Способ определения вероятности землетрясения". Патент RU №2183844, G 01 V 9/00, 2002 г. - аналог. В способе-аналоге получают изображения подстилающей поверхности в виде матриц цифровых отсчетов зависимости амплитуды сигнала А (х, у) собственного излучения от пространственных координат, в двух взаимно-ортогональных по поляризации каналах приема формируют синтезированную матрицу из попиксельных отношений сигнала в поляризационных каналах, выделяют контур очага на синтезированном изображении методом пространственного дифференцирования, вычисляют интервал (r) автокорреляции сигнала и скорость его изменения (dr/dt) внутри выделенного контура, рассчитывают вероятность землетрясения как интеграл от функции распределения вероятностей интервала автокорреляции в пределах от начала наблюдений r_нач до r(Т), где Т - интервал прогнозирования.

Недостатками аналога являются:

отсутствие в эксплуатации технических средств, позволяющих получать изображения собственного излучения подстилающей поверхности по ортогональным каналам приема; из-за принципиальных ограничений (малой мощности собственного излучения зондируемых объектов;

слабо выраженный эффект изменения поляризации собственного излучения поверхности в ИК-диапазоне за счет экранирования глубинного излучения поверхностным слоем и, как следствие, малая чувствительность способа;

по операциям способа нельзя рассчитать параметры землетрясения: магнитуду и время удара.

Ближайшим аналогом является "Способ предсказания землетрясений", Патент RU №2208239, G 01 V 9/00, 2003 г. В способе ближайшего аналога осуществляют регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала А (х, у) от пространственных координат антенной с линейной поляризацией по двум, разнесенным по диапазону частот каналам приема, формируют синтезированную матрицу изображения из попиксельных отношений амплитуд сигналов этих каналов, выделяют контур очага на синтезированном изображении, вычисляют азимуты линеаментов поля градиентов изображения внутри контура и их среднюю сумму, рассчитывают по серии получаемых изображений период Т_о изменения средней суммы азимутов, прогнозируют время удара t_y, отсчитываемое от начала периодических изменений средней суммы азимутов, и его магнитуду по регрессионным зависимостям:

Недостатками ближайшего аналога являются:

слабо выраженная зависимость изменения поляризации регистрируемого сигнала по диапазону частот и, как следствие, недостаточная чувствительность канала измерений;

математическая неточность регрессионных зависимостей расчетных параметров, в частности, чем больше магнитуда, тем период колебательного процесса больше;

усложненность математических процедур расчета поля азимутов линеаментов синтезированной матрицы промежуточными операциями, ведущими к возрастанию общей методической ошибки вычислений.

Задача, решаемая заявляемым способом заключается в повышении чувствительности измерительного канала путем регистрации собственного излучения подстилающей поверхности в СВЧ-диапазоне, где глубина проникновения электромагнитного поля в земную кору существенно выше, чем в ИК-диапазоне, статистической устойчивости, достоверности и точности вычисления прогнозируемых параметров путем сравнения модуля разностного сигнала с пороговой величиной и упрощения процедур программного расчета.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогнозирования землетрясений включающем получение изображений подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала собственного излучения А (х, у) от пространственных координат по каналам приема с антенной линейной поляризации, формирование синтезированной матрицы из ортогональных по поляризации изображений, обработку синтезированной матрицы и расчет характеристик землетрясения, дополнительно зондирование осуществляют в СВЧ-диапазоне многолучевой антенной, синтезированную матрицу формируют из модулей попиксельных разностей изображений идентичных участков поверхности, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит космических аппаратов, в обработку включают те пикселы, где текущий модуль разности выше порогового, рассчитывают направляющий косинус текущего модуля разности: суммарную длину вектора поляризации как , отслеживают изменение длины L по серии формируемых синтезированных матриц и вычисляют постоянную времени Т отслеживаемого процесса из соотношения:

прогнозируют время удара и магниту lgL₀=0,46Μ-0,35.

где n - количество пикселей синтезированной матрицы, поступающих в обработку;

l₀ - пространственное разрешение пикселя, км.

Δt=t₂-t₁ - интервал времени между двумя формированиями синтезированных матриц;

A_1i, A_2i - амплитуды идентичных пикселей изображений, полученных на нисходящем и восходящем витках орбит;

L₁, L₂ - длина вектора поляризации в момент t₁, t₂;

L₀ - длина вектора поляризации в установившемся значении.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - изменение наклона вектора поляризации восходящего излучения от действующих напряжений очага;

фиг.2 - принцип формирования изображения многолучевой антенной с линейной поляризацией;

фиг.3 - визуализированные изображения участка подстилающей поверхности а) на восходящем, b) на нисходящем витке;

фиг.4 - узор рисунка синтезированной матрицы после пороговой обработки;

фиг.5 - функция изменения длины вектора поляризации во времени накануне удара;

фиг.6 - функциональная схема системы зондирования, реализующей способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. Накопление потенциальной энергии механических напряжений в области очага землетрясения сопряжено с протеканием других процессов: образованием трещин, возникновением сколов, форшоков. Лабораторными экспериментами установлено [см, например, Предвестники землетрясений и спутниковые средства для их регистрации, Технический отчет, НИИ ЭМ, РАКА, М., 2000 г.], что на поверхности сколов пород образуются электростатические поля с плотностью зарядов в отдельных областях 10^-4...10^-2 Кл/м². В результате в растущих трещинах зоны подготовки землетрясений возникает сильное электростатическое поле напряженностью 10⁸...10⁹ В/м_i сопровождаемое интенсивным протеканием электроразрядных процессов.

Кроме того, под действием повышенного давления, электрокинетические моменты могут достигать величины 2000 мВ/бар Разность потенциалов в продольном слое трещин оценивают величиной порядка 10...100 кВ. Вне зависимости от процессов, происходящих в глубине, расчетная величина амплитуды электростатического поля в приповерхностном слое зоны подготавливаемого землетрясения может достигать единиц и десятков В/м. Возникновение электростатического поля вдоль разломов в земной коре приводит к поляризации молекул воды в приповерхностном слое. Результирующий вектор поляризуемости приповерхностного слоя определяется соотношением:

где N - число молекул в единице объема, α_э,- коэффициент электронной поляризуемости, α_и - коэффициент ионной поляризуемости, М_gn - дипольный момент молекулы воды, 3КТ - тепловая энергия молекул. Поляризуемость приповерхностного слоя и ориентированный вдоль разлома поворот молекул воды приводит к поляризации собственного излучения подстилающей поверхности.

[см., например, "Космическая система оперативного краткосрочного прогноза землетрясений, "Вулкан", Эскизный проект, часть III, книга 3, ЦНИИ МАШ, РАКА, 158 с, 2002 г, стр.71-80].

Чем больше напряженность электростатического поля и чем больше количество молекул N участвует в излучении, тем поляризационный признак восходящего излучения земной коры выше. Напряженность определяется характером очага, глубиной залегания, величиной запасаемой потенциальной энергии (магнитудой). Количество молекул N участвующих в излучении определяется глубиной проникновения электромагнитного поля в земную кору. На основе принципа взаимности излучения и приема электромагнитных волн можно утверждать, что чем больше глубина проникновения электромагнитных волн в земную кору, тем больше число ориентированных их полю молекул воды формируют поляризованное излучение подстилающей поверхности.

В СВЧ-диапазоне глубина проникновения составляет единицы метров. Следовательно, чувствительность измерительного тракта в СВЧ-диапазоне к поляризационному признаку несравненно выше ИК-диапазона. Зависимость наклона вектора поляризации от возрастающих напряжений очага накануне удара иллюстрируется фиг.1. Однако в СВЧ-диапазоне возникает трудность обеспечения необходимого энергетического потенциала радиолинии при одновременном формировании изображения подстилающей поверхности с допустимым пространственным разрешением на пиксель при зондировании с высоты ˜450 км. Для этого используют многолучевую антенну с линейной поляризацией, каждый остронаправленный луч которой подключен к отдельному приемному тракту. Таким образом, удовлетворяются требования к чувствительности приемного канала и пространственному разрешению. Принцип формирования изображения иллюстрируется фиг.2.

Сканирование подстилающей поверхности вдоль трассы обеспечивается движением КА, поперек трассы - многолучевой антенной с линейной поляризацией. Формирование синтезированной матрицы из двух взаимно ортогональных изображений осуществляют съемкой на восходящем и нисходящем витках орбиты, которые для низких широт основных сейсмоопасных регионов планеты, практически перпендикулярны. Поскольку тепловые процессы в приповерхностном слое земной коры довольно инерционны, то разновременность получения исходных изображений не вносит существенных ошибок в результат обработки синтезированной матрицы. К тому же подобные ошибки могут быть скомпенсированы при пороговой обработке синтезированной матрицы. Порог для модуля разности идентичных пикселей устанавливают исходя из одного из критериев риска: Байеса, Зигерта-Котельникова, Неймана-Пирсона [см, например, С.А.Вакин, Л.Н.Шустов. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки, М., Сов. Радио, 1968 г. Критерии риска, стр.20-26]. Исходные визуализированные изображения подстилающей поверхности иллюстрируются фиг.3. Формирование и обработку синтезированной матрицы осуществляют программным расчетом на ПЭВМ. Текст программы представлен в примере реализации. Результат пороговой обработки иллюстрируется фиг.4. Поле модулей разности, превысивших порог отождествляют с областью очага. Чем больше механические напряжения в области очага, тем больше площадь сейсмического возбуждения и тем больше длина результирующего вектора поляризации восходящего излучения:

Скорость изменения отслеживаемого параметра содержит информацию о характеристиках предстоящего удара.

Уравнение, связывающее функцию и скорость ее изменения, является дифференциальным первой степени. Из математики известно [см., Н.С.Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, т.1, 5-е изд., Наука, М., 1964 г, стр.458] что общим решением линейного дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Начальными условиями для экспоненты являются постоянная времени Т и установившееся значение L_i,.

Начальные условия, для их численного расчета, определяют по серии последовательных во времени t₁, t₂, t₃ регистрации сигнала для формирования синтезированных матриц. Из свойств экспоненты следует, что

Динамика отслеживаемого процесса представлена экспонентой фиг.5. Если выбрать интервал времени между последовательными измерениями t₁, t₂, t₃ равным, т.е. t₂-t₁=t₃-t₂=Δt, то из уравнения экспоненты можно рассчитать:

Обычно собственное излучение подстилающей поверхности не поляризовано. Не поляризованные участки излучений, после пороговой обработки изображений, на регистраторе не отображаются. Появление поляризованного излучения свидетельствует о возникшей аномалии, а совокупность модулей разности амплитуд пикселей (больше пороговой величины) образует на изображении поле области очага.

Существуют два принципиально различных подхода по расчету характеристик ожидаемого землетрясения по данным об аномальных полях. Первый подход основан на зависимости Гутенберга-Рихтера, связывающей магнитуду землетрясения с временем существования признака-предвестника. В частности, для различных предвестников (более 1000 реализации) получены эмпирические коэффициенты для формулы Гутенберга-Рихтера [см, например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических, наземно-космических методов", Доклады конференции, ОИ.Ф.З им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г, стр.9, 10, 11, 13]. Поскольку поляризационный признак-предвестник может быть выявлен только при зондировании из космоса, то для него коэффициенты для зависимости Гутенберга-Рихтера не получены. Второй подход устанавливает связь размеров R области сейсмического возбуждения с магнитудой: lgR=0,46M-0,35 (см., там же стр.13).

В примере реализации представлен расчет, учитывающий размер зоны. Время существования признака-предвестника, отсчитываемое от момента его появления, задает ожидаемое время удара. Это интервал установления параметра L₀ отслеживаемого процесса. Из свойств экспоненты: с вероятностью 0,99 время установления t_y≈4,7Т.

Заявляемый способ может быть реализован на базе системы по схеме фиг.6. Функциональная схема системы фиг.6. содержит группировку космических аппаратов 1, на каждом из которых 2 установлен радиометрический комплекс 3 типа "Икар", осуществляющий прием собственного излучения подстилающей поверхности в полосе сканирования 4, путем включения над заданным районом земного шара по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления, БКУ5 посредством радиолинии управления Б из центра управления полетом, ЦУП7.

Последовательность отснятых радиометрическим комплексом 3 изображений подстилающей поверхности, амплитуда которых проквантована в стандартной шкале 0...256 уровней, записывается в бортовое запоминающее устройство 8 типа "Нива" и в сеансах видимости КА передается телеметрической системой 9 типа "БИТС-2" по автономной радиолинии 10 на наземные пункты приема информации 11, где записывается на магнитофон 12 типа "Арктур". По запросам потребителей информация в виде изображений контролируемых природных образований, вместе со служебной информацией (время съемки, регион, виток орбиты, метки бортового времени) перегоняется в Геофизический центр (ГФЦ) 13, где создается долговременный архив 14 из всех отснятых кадров. Группировка космических аппаратов на орбитах строится так, чтобы обеспечивалась возможность съемки наблюдаемых регионов на нисходящих и восходящих витках практически одновременно. Исходные изображения, полученные на а) восходящем и b) нисходящем витках орбит, иллюстрируются рисунком фиг.3.

Формирование синтезированной матрицы, ее анализ и идентификацию объектов подстилающей поверхности осуществляют путем программной обработки на ПЭВМ 15 в стандартном наборе элементов: процессора 16, оперативного запоминающего устройства 17, винчестера 18, дисплея 19, принтера 20, клавиатуры 21. Характеристики идентифицированных очагов землетрясений заносят в базу данных, которую выводят на сайт сети "Интернет" 22. Предварительно, в постоянное ЗУ 17 ПЭВМ 15 записывают программу формирования и обработки синтезированной матрицы.

Результат пороговой обработки синтезированной матрицы иллюстрируется фиг.4. Пороговый уровень модуля разности задавался равным 5% от средней яркости изображений.

Динамика изменения параметра L показана на фиг.5. По своему физическому смыслу длина вектора поляризации L пропорциональна размерам R зоны подготовки землетрясения. Вся площадь аномальной зоны S¹ равна сумме площадей пикселей синтезированной матрицы, модули разности которой выше пороговой величины; т.е. , где l_i - пространственное разрешение пиксела. Если разрешение пикселов одинаково, (l₀) то S=nl₀ ² размер зоны ;

Следовательно, величина пропорциональна размерам зоны. Значения параметра L в моменты t₁, t₂, t₃ (фиг.5) составили: L₁=120, L₂=174, L₃=215. Откуда L₀=320, постоянная времени процесса Т=4,8 час.

Ожидаемое время удара t_у≅4,7Т=22,6 час, ожидаемая магнитуда lgL₀=lg320=0,46М-0,35. М=6,2.

Эффективность способа, благодаря приему глубинного электромагнитного излучения земной коры в диапазоне СВЧ существенно выше известных аналогов.

Способ прогнозирования землетрясений, включающий получение изображений подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала собственного излучения А (х, у) от пространственных координат по каналам приема с антенной линейной поляризации, формирование синтезированной матрицы из ортогональных по поляризации изображений, обработку синтезированной матрицы и расчет характеристик землетрясений, отличающийся тем, что зондирование осуществляют в СВЧ диапазоне многолучевой антенной, синтезированную матрицу формируют из модулей попиксельных разностей изображений идентичных участков, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит космических аппаратов, в обработку включают те пикселы, где текущий модуль разности выше порогового, рассчитывают направляющий косинус текущего модуля разности и суммарную длину вектора поляризации как отслеживают изменение длины L по серии формируемых синтезированных матриц и вычисляют постоянную времени Т отслеживаемого процесса из соотношения времени прогнозируют время удара и магнитуду lgL₀=0,46M-0,35.

где n - количество пикселей синтезированной матрицы, поступающих в обработку;

l₀ - пространственное разрешение пикселя, км;

Δt=t₂-t₁ - интервал времени между двумя формированиями синтезированных матриц;

А_1i, A_2i - амплитуды идентичных пикселей изображений, полученных на нисходящем и восходящем витках орбит;

L₁, L₂ - длина вектора поляризации в моменты t₁, t₂,

L₀ - длина вектора поляризации в установившемся значении.