Способ выделения очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для детального сейсмического районирования территорий. Выделение очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре осуществляют путем математической обработки данных 3D-сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область. Технический результат - обеспечение возможности определения расположения потенциальных очаговых зон землетрясений в земной коре. 10 ил.

 

Изобретение относится к области геофизики, а именно к сейсмологии, и может быть использовано для детального сейсмического районирования территорий.

Известен (RU, патент 1831692, опубл. 30.07.1990) способ выделения очаговых зон возможных сильных землетрясений, основанный на анализе характеристик короткопериодной коды записей взрывов или землетрясений на расстояниях до 30 км от источника. При этом выявляют специфические огибающие коды, соответствующие большому контрасту поглощения поперечных волн в верхах мантии на расстоянии не более 10-15 км.

Главным недостатком этого способа, является подмена понятий: в действительности речь идет о прогнозе эпицентров сильных землетрясений на поверхности, а не о локализации очаговых зон землетрясений в земной коре.

Наиболее близким аналогом разработанного способа можно признать статью «Выделение потенциальных очагов землетрясений по геофизическим данным» (Спичак В.В. Физика Земли, 2016, №1, с. 47-58). В данной работе по наземным сейсмическим, гравитационным и магнитотеллурическим данным, измеренным на сейсмоактивном участке Алтае-Саянского региона были построены трехмерные модели скоростей сейсмических волн, плотности и удельного электрического сопротивления. На основе их анализа были построены функции плотности вероятности физико-механических свойств пород в узлах пространственной сетки, покрывающей рассматриваемый объем среды, а также в гипоцентрах прошедших землетрясений. Их сравнение показало, что ослабленные зоны кристаллического фундамента земной коры, в которых могут происходить землетрясения, характеризуются пониженными значениями скоростей сейсмических волн, а также модулей упругости пород.

В то же время, вопрос о научно обоснованном алгоритме выделения очаговых зон в земной коре остался открытым.

Техническая проблема, на решение которой направлен разработанный способ, состоит в пространственном оконтуривании очаговых зон возможных землетрясений в земной коре.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа состоит в обеспечении возможности определения расположения потенциальных очаговых зон землетрясений в земной коре.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ определения расположения потенциальных очаговых зон землетрясений в земной коре. Согласно разработанному способу по данным 3D сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строят 3D модели скоростей сейсмических волн Vp и Vs и плотности D; проводят пространственную интерполяцию значений V_p, V_s и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений; по значениям скоростей сейсмических волн и плотности в узлах пространственной сетки, а также гипоцентрах прошедших землетрясений, вычисляют модули сдвига G и продольной упругости (Юнга) Е по формулам:

где V_p и V_s - скорости продольных и поперечных сейсмических волн, соответственно, D - плотность пород;

вычисляют математические ожидания (A_F) и среднеквадратичные отклонения (σ_F) 4-х выделенных индикаторов F={V_p, V_s, G, Е} на множестве всех гипоцентров прошедших землетрясений, зарегистрированных в рассматриваемой области:

где F принимает значения V_p, V_s, G, Е; n - номер гипоцентра (n [1, …, N]), N - общее число зарегистрированных гипоцентров; р_n - соответствующие "плотности вероятности", на множестве узлов регулярной сетки {x_i,y_j,z_k: i=1, …, I; j=1, …, J; k=1, …, K}; определяют для каждого из параметров F характеристические функции χ_F (x_i,y_j,z_k):

Функция, являющаяся их произведением,

"метит" в пространстве координат области, характеризующиеся таким же набором физико-механических индикаторов, что и гипоцентры прошедших землетрясений, и в этом смысле представляющие собой очаговые зоны потенциальных землетрясений в земной коре.

В основе разработанного способа лежит определение физико-механических индикаторов, с использованием которых выделяют ослабленные зоны земной коры, в которых могут происходить землетрясения. Они характеризуются разным поведением в очагах потенциальных землетрясений и в спокойных областях земной коры, где они маловероятны. Наиболее выпукло это проявляется при сравнении поведения соответствующих гистограмм, или "функций плотности вероятности" рассматриваемых параметров.

На фиг. 1 - фиг. 9 приведены функции плотности вероятности (PDF) значений физико-механических параметров в спокойных областях сейсмоактивной области (сплошные линии) и в гипоцентрах прошедших землетрясений (пунктирные линии). R - удельное сопротивление, Vp, Vs - скорости продольных и поперечных сейсмических волн, D - плотность, Р - коэффициент Пуассона, G - модуль сдвига, K - модуль всестороннего сжатия, Е - модуль Юнга. Их сравнительный анализ позволил выявить 4 индикатора (Vp, Vs, G, Е), гистограммы которых для гипоцентров прошедших землетрясений и спокойных областей земной коры существенно отличаются (см. фиг. 1 - фиг. 2 и фиг. 8 - фиг. 9). На фиг. 10 показана модель потенциальных очагов землетрясений, построенная с использованием предложенного алгоритма для участка в сейсмоактивной зоны Алтае-Саянского региона.

На основании выявленного в работе, принятой в качестве ближайшего аналога, различия в поведении гистограмм скоростей сейсмических волн, а также модулей сдвига и продольной упругости, в спокойных областях и гипоцентрах прошедших землетрясений (см. фиг. 1 - фиг. 2 и фиг. 8 - фиг. 9) предложен следующий алгоритм выделения очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре. Разработанный алгоритм содержит следующие стадии:

1. По данным 3D сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строят 3D модели скоростей сейсмических волн Vp и Vs [Урупов А.К., Основы трехмерной сейсморазведки. Изд. Нефть и газ, 2004] и плотности D [Алексидзе М.А. Приближенные методы решения прямых и обратных задач гравиметрии. М., Наука, 1987. - 336 с.].

2. Осуществляют пространственную интерполяцию значений V_p, V_s и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений.

3. По значениям скоростей сейсмических волн и плотности в узлах пространственной сетки, а также гипоцентрах прошедших землетрясений, вычисляют модули сдвига G и продольной упругости Е по формулам [Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М., Теория упругости, том 4 изд., М., 1987]:

где V_p и V_s - скорости продольных и поперечных сейсмических скоростей, соответственно, D - плотность пород.

4. Вычисляют математические ожидания (A_F) и среднеквадратичные отклонения (σ_F) 4-х рассматриваемых индикаторов F={V_p, V_s, G, Е} на множестве всех гипоцентров прошедших землетрясений, зарегистрированных в рассматриваемой области:

где F принимает значения V_p, V_s, G, Е в гипоцентрах; n - номер гипоцентра (n [1, …, N]), N - общее число зарегистрированных гипоцентров; р_n - соответствующие плотности вероятности (PDF в обозначениях фиг. 1 - фиг. 9).

5. На множестве узлов регулярной сетки {x_i,y_j,z_k: i=1, …, I; j=1, …, J; k=1, …, K} определяют для каждого из параметров F характеристические функции χ_F (x_i,y_j,z_k):

6. Определяют произведение:

Тогда функция (6) "метит" в пространстве координат области, характеризующиеся таким же набором физико-механических индикаторов, что и гипоцентры прошедших землетрясений.

На фиг. 10 показана построенная таким образом пространственная модель потенциальных очагов землетрясений для участка сейсмоактивной зоны Алтае-Саянского региона. Следует отметить, что она покрывает расположение всех гипоцентров землетрясений, зарегистрированных здесь ранее.

Применение предложенного алгоритма позволило определить пространственную локализацию нескольких эшелонов потенциальных очаговых зон землетрясений, расположенных на разных глубинах земной коры. Горизонтальная локализация двух из них (в западной и юго-восточной частях) была предположена ранее по данным наземных регистраций сейсмичности, тогда как другие зоны выделены впервые.

Способ выделения очаговых зон потенциальных землетрясений в земной коре, отличающийся тем, что по данным 3D-сейсмотомографии и гравиразведки в одних и тех же узлах пространственной сетки, покрывающей исследуемую область, строят 3D-модели скоростей сейсмических волн Vp и Vs и плотности D, проводят пространственную интерполяцию значений V_p, V_s и D из узлов регулярной сетки в гипоцентры прошедших землетрясений, по значениям скоростей сейсмических волн и плотности в узлах пространственной сетки, а также гипоцентрах прошедших землетрясений вычисляют модули сдвига G и продольной упругости Е по формулам:

G=D⋅V_s²,

Е=D⋅V_s²(3V_p²-4V_s²)/[2(V_p²-V_s²)],

где V_p и V_s - скорости продольных и поперечных сейсмических волн соответственно, D - плотность пород,

вычисляют математические ожидания (A_F) и среднеквадратичные отклонения (σ_F) четырех рассматриваемых индикаторов F={V_p, V_s, G, Е} на множестве всех гипоцентров прошедших землетрясений, зарегистрированных в рассматриваемой области:

,

где F принимает значения V_p, V_s, G, Е; n - номер гипоцентра (n [1, …, N]), N - общее число зарегистрированных гипоцентров; p_n - соответствующие плотности вероятности, на множестве узлов регулярной сетки {x_i, y_i, z_k: i=1, …, I; j=1, …, J; k=1, …, K} определяют для каждого из параметров F характеристические функции χ_F (x_i, y_i, z_k):

определяют величину функции:

которая оконтуривает в пространстве координат области, характеризующиеся таким же набором физико-механических индикаторов, что и гипоцентры прошедших землетрясений, и в этом смысле представляющие собой очаговые зоны потенциальных землетрясений в земной коре.