Способ определения предвестника землетрясения

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для определения предвестника землетрясения. Сущность: измеряют показатели преломления оптической индикатрисы поляризационного датчика. Прослеживают динамику упругих напряжений. При выявлении упругих напряжений, равных (0,0024-0,0035)Е, кг/см², где Е - модуль упругости, делают вывод о готовящемся землетрясении. Технический результат: повышение точности определения готовящегося землетрясения. 2 пр., 2 табл.

 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в прогнозировании времени землетрясения.

Известен способ, при котором деформационно-геодезическим методом наземной и космической геодезии, путем геодезических высокоточных инструментальных наблюдений в зонах возможных очагов землетрясений (ВОЗ) за пространственными смещениями координат опорных точек (пункты GPS) земной поверхности, реализуется прогноз места и силы будущего землетрясения путем решения прямых задач. [Певнев А.К. «О реальном пути к осуществлению прогноза землетрясений». // Геология и геофизика Юга России. - №1, 2016. - С. 119-125].

Недостатком этого способа является невозможность прогнозирования времени проявления землетрясения. Деформационно-геодезический метод регистрирует процесс смещения активного блока по сейсмогенным разломам (по вертикали или в плане) за счет эндогенных процессов до его упора о механически прочный консолидированный блок, где формируются спайка.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поляризационный датчик предвестника землетрясений, установленный на космическом носителе, определяющий показатели преломления солнечных лучей, отражающихся от земной поверхности [патент RU №2343507, опубл. 10.01.2009, МПК: G01V 9/00].

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- малое время наблюдений, ~30 сек, при большой скважности измерений из-за смещения орбиты космического аппарата, что приводит к неточности прогноза;

- неопределенность времени землетрясения относительно выявленных предвестников;

- большая стоимость используемого космического аппарата.

Технический результат - повышение точности прогноза, времени проявления землетрясения, снижение затрат.

Техническое решение заявленного объекта достигается тем, что выполняемые поляриметром измерения показателей преломления датчика в зависимости от приложенного напряжения возникающего очага землетрясения определяют скорость изменения интерференционной картины в непрерывном или периодическом режиме, прослеживая динамику упругого напряжения формирующегося землетрясения, при соответствии которого пределу прочности горных пород [(0,0024-0,0035)Е кГ/см², где Е - модуль упругости] происходит их разрушение, что знаменует собой землетрясение.

Способ осуществляется следующим образом: прогнозирование времени проявления землетрясения осуществляется на пунктах геодинамического полигона, где параллельно ведутся наблюдения за перемещениями дневной поверхности Земли по спутниковой системе глобального позиционирования (GPS), что в совокупности дает возможность определить не только время возникновения, но также место и силу события. Параметром-предвестником землетрясения в поляризационно-оптическом методе исследований напряжений являются показатели преломления оптической индикатрисы оптических датчиков - главные оси оптической симметрии, характеризующиеся величинами обратно пропорциональными скорости распространения света и прямо пропорциональные величинам главных напряжений вдоль этих осей.

В качестве пунктов наблюдений используются зацементированные обсадные трубы скважин, пробуренных ниже почвенно-растительного слоя, выходы коренных пород, подземные блоки фундаментов капитальных зданий и др., к которым прикрепляются датчики, изготовленные из оптически активного прозрачного материала

Датчики, изготовленные на основе эпоксидной смолы ЭД6-М, прикрепляются (приклеиваются) к коренным породам клеем того же состава.

Как известно, поляризационно-оптический метод исследования напряжений основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов под действием напряжений (деформаций) приобретать оптическую анизотропию, т.е. двойное лучепреломление, величина которого может быть измерена инструментально в поляризованном свете оптическими методами. Анизотропия среды выражается эллипсоидом показателей преломления - оптической индикатрисой, полуоси которой соответствуют главным показателям преломления - n₁, n₂, n₃ (главными осями оптической симметрии) и являются величинами обратно пропорциональными скорости распространения света в этих направлениях и линейно связаны с величинами главных напряжений σ₁, σ₂, σ₃. Оси эллипсоида показателей преломления напряженной среды совпадают с осями эллипсоида напряжений, и при просвечивании нагруженного объекта поляризованным светом оптические явления будут аналогичны тем, которые имеют место в кристаллах с естественной оптической анизотропией.

Количественная связь между оптической разностью хода лучей (двойным лучепреломлением) и разностью главных напряжений рассчитывается по известному уравнению Вертгейма, выражающему основной закон фотоупругости:

Г=Cd (σ₁ - σ₂),

где С - коэффициент оптической чувствительности материала датчика, зависящий от физических свойств используемого материала для датчиков, выражается в единицах -10^-7 см²/кГ;

σ_1-2 - главные напряжения оптической индикатрисы - кГ/см²;

d - толщина датчика, в см;

Г - разность хода лучей, в nm (нанометры).

В случае большой разницы главных напряжений целесообразно исследования проводить в монохроматическом свете, где оптический коэффициент напряжения С выражается как цена полосы - σ₀^(1,0) кГ/см, которая также является показателем оптической чувствительности материала датчика (при известной его толщине), и определяется на тарировочном образце, изготовленном из материала датчика.

В монохроматическом свете источником служит ртутная лампа с длиной волны λ=546×10³nm. Интерференционная картина представляется системой темных и светлых полос, расстояние между полосами одного цвета соответствует одной длине волны.

Разность хода Г (двойное лучепреломление) равна целому числу длин волн (n), т.е.

Г = nλ = Cd (σ₁ - σ₂),

Цена полосы σ₀^(1,0) кГ/см рассчитывается по количеству полос (n) до центра диска нагружаемого тарировочного образца, сжимаемого диаметрально приложенной силой Р, когда одно из главных нормальных напряжений тарировочного образца равно нулю, другое же главное напряжение рассчитывается как отношение приложенного усилия Р, растягивающего или сжимающего образец, к площади его поперечного сечения S: Главное напряжение в этом случае σ=Р/ S, коэффициент оптической чувствительности материала датчика.

C=Г/σd, где Г - разность хода лучей, замеряемая в поляризованном свете компенсатором;

d - толщина тарировочного образца.

Цена полосы σ₀^(1,0)=8P/πdn_c, где n_с - номер полосы в центре диска, начиная от края диска.

Для исследования напряженного состояния пород и измерения разности хода лучей (двупреломления) используются полярископы - поляриметры различных конструкций для проходящего и отраженного поляризованного света при прямом и косом просвечивании фотоупругого датчика. Использование прямого и косого просвечивания одним прибором дает возможность получить в отдельности величины главных нормальных напряжений σ₁ и σ₂, а также определить их направления относительно выбранной системы координат. Весь цикл измерений производятся в стационарном (рабочем) положении фотоупругого датчика.

Фотоупругие датчики изготавливаются из оптически активных материалов, как правило, на основе эпоксидных смол типа ЭД6-М, которые относятся к высокомодульным материалам, и кроме хорошей прозрачности и изотропии обладают высокой оптической чувствительностью. Цена полосы материала из эпоксидных смол в монохроматическом свете соответствует σ₀^1.0=11 кГ/см при модуле упругости Е=(0,5-4,5)10⁴кГ/см²]; из стекла- σ₀^1.=160-500кГ/см при модуле упругости Е=(0,5-1,2)10⁶кГ/см²; органическое стекло имеет σ₀^1.=200 кГ/см при модуле упругости Е=(2,5-3,5)10⁴. Предел прочности этих материалов составляют сотые и тысячные доли значений модулей упругости.

Так, к примеру, усредненный модуль упругости гранито-метаморфических пород

Е=(7,0-8,0)×10⁴ кГ/см². Предел прочности при этом не превышает 0,0028-0,0030 этой величины.

Способ позволяет визуально наблюдать напряженное состояние объекта по изменению интерференционной картины в датчике; по замеряемой разности хода лучей в поляризованном свете количественно оценивать значения напряжений и при систематических наблюдениях определять скорость ее изменения в упругой области напряжений, что дает возможность прогнозировать время проявления землетрясения.

Горные породы при использовании способа рассматриваются как сплошные изотропные упругие тела. Модуль упругости Е и коэффициент Пуассона μ горной породы исследуемой зоны возникновения очагов землетрясения (ВОЗ) определяются лабораторно по величине упругой деформации образца (керна) при сжатии.

Изменение упругих напряжений в зоне ВОЗ приводит к изменению интерференционной картины датчика. При величинах напряжений (σ₁ - σ₂) упругого воздействия на породы, когда деформации достигают предела прочности пород (например, для гранитно-метаморфических пород с модулем упругости Е=(7,0-8,0)×10⁴ кГ/см² предел прочности составит порядка 180-220 МПа или 1800-2200 кГ/см²) происходит их разрушение, что знаменует собой землетрясение.

Время этого события определяется по скорости изменения интерференционной картиной датчика, соответствующей приложенному усилию и изменяющейся пропорционально уровню напряженно-деформированному состоянию горного массива.

Пример 1. Опробование предложенного способа в лабораторных условиях выполнено на образце-кубе мергелистого известняка размером 150×150×150 мм³ на прессе ИП-1А-500 АБ. Дискретизация усилия - 5МПа. Датчики на основе эпоксидной смолы ЭД6-М, толщиной 2,2 мм были приклеены этим же клеем на все четыре боковые грани куба, испытывающие усилия сжатия в вертикальном направлении. Цена полосы датчика при монохроматическом свете равна: σ₀^(1,0)=10,4кГ/см. Оптическая чувствительность вычислена по формуле σ₀^(1,0)=λ/С, где λ - длина волны используемой ртутной лампы 546×10³ nm, и равна 525⋅10^-7 см²/кГ. Разрушающая нагрузка по показаниям отчетного устройства пресса составил 42,6 МПа (42600000 Н/м²; Н/м²=1,019×10^-5) Напряжения, вычисленные по показаниям четырех фотоупругих датчиков в момент разрушения образца, - 97870; 98022;97634; 97670кГ/см² (среднее значение 97800 кГ/см²). Данные эксперимента приведены в таблице 1. Толщина материала датчика - d=2,2 мм = 22⋅10⁷ nm. Оптическая чувствительность - С=525⋅10^-7 см²/кГ.

Пример 2. Наибольшую сейсмическую опасность на территории РСО-Алания представляют Владикавказская, Моздокская, Сунженская и Терская зоны ВОЗ.

Способ прогноза времени проявления землетрясения апробирован в экспериментальном порядке в зоне ВОЗ на пересечении Владикавказского (субширотного) и Ардонского (субмеридионального) региональных глубинных разломов, где прогнозируется высокая сейсмическая активность (М=7,0), получившая подтверждение сейсмическими событиями магнитудой 3,3 единиц вблизи города Алагира 12.04.2018 г. и 26.04.2018 г. Опытные наблюдения предложенным способом велись с 28 февраля 2018 г. в течение 3 месяцев двумя датчиками, приклеенными к гладкой поверхности коренных пород - песчаников. Дискретность наблюдений - 7 суток. Результаты наблюдений приведены в таблице 2.

Комплексное использование деформационно-геодезического и поляризационно-оптического методов исследования напряжений позволяет определить не только время землетрясения, но место и силу события в проблемных зонах сейсмогенных разломов (зонах ВОЗ) путем решения прямых задач.

Способ определения предвестника землетрясения, включающий измерения поляризационным датчиком, отличающийся тем, что выполняемые поляриметром измерения показателей преломления датчика в зависимости от приложенного напряжения возникающего очага землетрясения определяют скорость изменения интерференционной картины в непрерывном или периодическом режиме, прослеживая динамику упругого напряжения формирующегося землетрясения, при соответствии которого пределу прочности пород, равному (0,0024-0,0035)Е, кг/см², где Е - модуль упругости происходит их разрушение, что знаменует собой землетрясение.