Изобретение относится к области геофизики и касается сейсмологии, в частности мониторинга геодинамического состояния Земли и прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения состоит в способе предсказания времени регистрации подземных колебаний наземными сейсмостанциями. Способ предусматривает, что совместно с автономными сейсмостанциями с наземной стандартной сейсмоаппаратурой, расположенными на территориях, охватывающих геонестабильные регионы, в виде самообучающихся локальных систем (SP) мониторинга и прогнозирования землетрясений, дополнительно размещают скважины со звуковыми и вибрационными датчиками, установленными в устье металлического ствола скважины, глубиной не менее 3-5 км. Совместная сеть SP с автотомными сейсмостанциями осуществляет непрерывную регистрацию сигналов в период затишья и активизации зоны. Сеть телеметрически связана с сейсмологическим центром мониторинга и прогнозирования землетрясений (S), куда, на стадии обучения, передают соответствующую информацию для обобщения и обработки. Результатом обработки данных являются информативные множества оценок, формируемых циклически. Способ обеспечивает опережение во времени определения возникновения аномальных сеймопроцессов по сравнению со стандартной сейсмоаппаратурой, дает возможность заблаговременно сигнализировать об аномальных сейсмопроцессах, позвляет своевременно предупредить население о предстоящем землетрясении, чтобы они смогли успеть покинуть свои жилища.

[0001] Способ предсказания времени регистрации подземных колебаний наземными сейсмостанциями, предусматривающий сеть автономных сейсмостанций с наземной стандартной сейсмоаппаратурой, осуществляющих непрерывную регистрацию сигналов в период затишья и активизации зоны и телеметрическую передачу информации в сейсмологический центр (S), обобщение и обработку данных и выдачу прогноза, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют непрерывную регистрацию и обработку сигналов со звуковых и вибрационных датчиков, установленных в устьях металлических стволов скважин, глубиной не менее 5-6 км, которые с наземными сейсмостанциями образуют локальные системы мониторинга (SP); циклически и непрерывно определяют информативные оценки регистрируемых сигналов и создают информативные множества оценок, сравнивают информативные множества оценок с эталонными, в качестве которых используют информативные множества оценок предыдущих циклов, определяют диапазон допустимых отклонений значений текущих оценок от эталонных, определяют время запаздывания между регистрацией сигналов, полученных с сейсмоаппаратуры, и сигналов, полученных с виброакустических датчиков, при отклонении за пределы диапазона допустимых значений отклонений текущих оценок сигнала, полученных со звуковых и вибрационных датчиков, фиксируют время начала аномальных сейсмопроцессов, а время регистрации подземных колебаний наземными сейсмостанциями определяют как суммарную величину времени начала аномальных сейсмопроцессов и времени запаздывания между регистрацией сигналов, полученных с сейсмоаппаратуры и сигналов, полученных с виброакустических датчиков, причем в качестве информативного множества оценок используют оценки помехи реального (зашумленного) сигнала g(i Δt):дисперсию помехи D ε; взаимно корреляционную функцию Rx ε( μ) полезного сигнала и помехи оценки позиционно-бинарного анализа, включающего коэффициенты Kq0, Kq1, …, Kqm-1, определяющие соотношение количества отфильтрованных позиционных помех N εk q εk(i Δt) к общему количеству Nqk позиционно-импульсных сигналов qk(i Δt) за время T; а также традиционные оценки статистического анализа: дисперсию Dg реального (зашумленного) g(i Δt) сигнала; дисперсию Dx полезного сигнала x(i Δt) и математическое ожидание mx полезного сигнала x(i Δt).

Изобретение относится к области геофизики и касается сейсмологии, в частности мониторинга геодинамического состояния Земли и прогнозирования землетрясений.

Известен способ (1), характеризующий геодинамическое состояние исследуемой зоны, включающий непрерывную регистрацию сигналов и анализ информативных признаков в целях прогнозирования землетрясений. В качестве информативных признаков способ использует изменение магнитуды, которую замеряют в нескольких местах активной зоны и по изменению ее параметров определяют предположительное 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.

Известен способ мониторинга сейсмологического состояния Земли, постоянно проводимого сейсмическими станциями различных стран мира, и составляемые на его основе прогнозы (2). 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 (S), где ее обрабатывают на ЭВМ стандартными методами статистического анализа, и по результатам обработки определяют координаты гипоцентра и магнитуду землетрясения. Однако 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 километров до нескольких сотен) Земли, информацию о которых стандартные сейсмостанции способны зарегистрировать только в момент прихода первой волны, уже на поверхности Земли.

Задача изобретения состоит в разработке способа, позволяющего заблаговременно предсказать время, когда стандартными наземными сейсмографами будет зарегистрирован сигнал о подземных колебаниях.

Сущность изобретения состоит в способе предсказания времени регистрации подземных колебаний наземными сейсмостанциями. Способ предусматривает, что совместно с автономными сейсмостанциями с наземной стандартной сейсмоаппаратурой, расположенными на территориях, охватывающих геонестабильные регионы, в виде самообучающихся локальных систем (SP) мониторинга и прогнозирования землетрясений, дополнительно размещают скважины со звуковыми и вибрационными датчиками, установленными в устье металлического ствола скважины, глубиной не менее 3-5 км. Совместная сеть SP с автономными сейсмостанциями осуществляет непрерывную регистрацию сигналов в период затишья и активизации зоны. Сеть телеметрически связана с сейсмологическим центром мониторинга и прогнозирования землетрясений (S), куда на стадии обучения передают соответствующую информацию для обобщения и обработки. Результатом обработки данных являются информативные множества оценок, формируемых циклически. Множества включают оценки помехи реального (зашумленного) сигнала g(i Δt): дисперсию помехи D ε и взаимно корреляционную функцию R _x ε( μ) полезного сигнала и помехи оценки позиционно-бинарного анализа, включающего коэффициенты K _q0 , K _q1 , …, K _qm-1 , определяющие соотношение количества отфильтрованных позиционных помех N ε _k q ε _k (i Δt) к общему количеству N _qk позиционно-импульсных сигналов q _k (i Δt) за время T; а также традиционные оценки статистического анализа: дисперсию D _g реального (зашумленного) q(i Δt) сигнала; дисперсию D _x полезного сигнала x(i Δt) и математическое ожидание m _x полезного сигнала x(i Δt).

Для обобщения результатов во всех SP, а также в S, сравнивают информативные множества оценок с эталонными. В качестве эталонных оценок используют множества предыдущих циклов и сейсмических данных. Определяют диапазон допустимых отклонений значений текущих признаков от эталонных. В каждом SP и S в период самообучения регистрируют количество текущих сигналов, зарегистрированных звуковыми, вибрационными датчиками и стандартной наземной сейсмоаппаратурой, которые не превышают допустимый диапазон отклонений от эталонных значений. Из них формируют соответствующее информативное множество оценок. Сравнивают сейсмосигналы с набором идентичных оценок оценкам сигналов звукового или вибрационного датчиков. Определяют время запаздывания регистрации сейсмосигналов и создают соответствующее множество. По сигналам, чьи оценки превышают допустимый диапазон отклонения значений, фиксируют время регистрации такого сигнала. Информацию об этом передают в S. В период адаптации, характеризующийся созданием необходимого набора множества оценок, при поступлении сигналов от звукового и вибрационного датчиков с информативным множеством оценок, превышающих допустимый диапазон отклонений, определяют соответствующее этому множеству время запаздывания и прогнозируют время регистрации подземных колебаний наземной стандартной сейсмоаппаратурой.

Сравнительный анализ заявляемого изобретения и прототипа показал, что заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что в заявляемом способе совместно самообучающиеся локальные системы, состоящие из звуковых и вибрационных датчиков, которые устанавливают в устье металлических скважин на глубине 3-5 км, используют с автономными сейсмостанциями. При обработке данных применяют робастный метод анализа, метод анализа помех и анализ сигнала методами позиционно-бинарного разложения в дополнение к классическому методу статистического анализа. Результатом обработки сигналов является создание нескольких видов информативных множеств оценок, включающих информативные множества оценок текущих сигналов, зарегистрированных звуковыми, вибрационными датчиками и стандартной наземной сейсмоаппаратурой; информативные множества оценок зарегистрированных сигналов, превышающих допустимый диапазон значений; временные множества, включающие время запаздывания сигналов, зарегистрированных стандартной наземной сейсмоаппаратурой от сигналов с оценками идентичными, зарегистрированным звуковыми и вибрационными датчиками. Наличие новых существенных признаков в заявляемом изобретении отвечает требованиям критерия «новизна », а совокупность всех существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и, следовательно, выполняется критерий «изобретательский уровень », а заявляемое решение может быть признано изобретением.

На чертеже представлена функциональная схема для реализации способа. Она содержит блок 1, включающий сейсмоакустическую скважину с глубиной не менее 3-5 км, в устье которой установлены датчики звука и вибрации; блок 2 - сбор, обработка и анализ полученных звуковых и вибрационных сигналов; блок 3 - стандартная наземная сейсмоаппаратура и блок 4 - блок мониторинга анализа и выдачи результата.

Заявляемый способ предсказания времени регистрации подземных колебаний наземными сейсмостанциями, мониторинга и прогнозирования землетрясений представляет собой самообучающуюся систему, которая функционирует следующим образом. В каждой локальной системе SP для получения информации о глубинных сейсмопроцессах (не менее 3-6 км) в качестве канала связи используются консервированные нефтяные скважины, которые остаются неиспользованными после истощения нефтяных пластов. Там, где нет таких скважин, необходимо их бурение.

Способ осуществляется в два этапа и циклически. Каждый цикл имеет определенное время T. На первом этапе обучения в процессе мониторинга происходит накопление информации в виде оценок различных аналитических методов: робастного, анализа помех, позиционно-бинарного и статистического. Для формирования информативных признаков о начале аномальных сейсмопроцессов в глубинных пластах Земли по полученным звуковым и вибросигналам определяют ориентировочную величину отсчетов ε ^* _j (i Δt) помехи звуковых и вибрационных сигналов g _j (i Δt) по выражению

где

Затем, располагая отсчетами ε ^* _j (i Δt), определяют ориентировочные величины отсчетов полезного сигнала X _j (i Δt)

Соответствующие оценки дисперсии помехи D ε, взаимно корреляционных функций между помехой и полезным сигналом R _x ε, робастных корреляционных функций R ^R _gg , коэффициента корреляции между g _j (i Δt) и g η(i Δt), коэффициента корреляции между помехой и полезным сигналом R ^* _xj ε _j и коэффициентов Фурье a ^R _ngj , b ^R _ngj определяют по следующим выражениям:

где

При решении задачи мониторинга оценки коэффициентов a ^* _gj , b ^* _gj определяют для одного наиболее информативного спектра ω ^*

Для идентификации звуковых сигналов в блоке 4 применяют позиционно-бинарный метод анализа, согласно которому в процессе преобразования аналог-код в каждом шаге дискретизации Δt из значения соответствующих разрядов q _k двоичных кодов отсчетов сигнала g(i Δt) итерационно формируются позиционные сигналы q _k (i Δt) в виде кода 1 или 0. Последовательность этих сигналов q _k (i Δt) представляет собой позиционно-бинарные сигналы (ПБС), сумма которых будет равна исходному сигналу, т.е.

Как средние величины частоты единичных и нулевых периодов этих сигналов, так и коэффициенты соотношений, их количество за время T, т.е.

являются неслучайными величинами.

При зарождении аномальных сейсмических процессов эти коэффициенты меняются. При этом также появляются помехи ε(i Δt) и формируются кратковременные импульсы q ε _k (i Δt), у которых длительность многократно меньше длительности позиционных сигналов q _k (i Δt).

По выражению

можно формировать и выделять позиционные помехи q ε _k (i Δt).

Их сумма будет представлять собой приближенную величину отсчетов помехи, т.е.

В период отсутствия аномальных сейсмопроцессов соотношение количества этих ПБС q ε _k (i Δt) к общему количеству N _qk позиционных сигналов q _k (i Δt), т.е. оценки коэффициентов

оказываются близкими к нулю. Они меняются только в момент зарождения аномальных сейсмопроцессов.

Таким образом, до появления аномальных сейсмопроцессов коэффициенты K _q0 , K _q1 , …, K _qm-1 ; K _q0q1 , K _q1q2 , …, K _qn-1qn ; K' _q0 , K' _q1 , …, K' _qm остаются стабильными величинами. В начале зарождения аномальных сейсмопроцессов происходят соответствующие изменения комбинаций этих коэффициентов.

Способ осуществляется следующим образом.

В блоке 1 регистрируют сигналы, полученные от звуковых и вибрационных датчиков. В блоке 2 эти сигналы анализируют и по выражениям (1)-(20) вырабатывают соответствующие информативные оценки. Они запоминаются как эталонные величины и для них устанавливают диапазоны возможных отклонений. Например, для оценки помехи D ε устанавливают диапазон ΔD ε _min - ΔD ε _max .

Для других оценок такие диапазоны устанавливают аналогично. В блоке 3 сигналы, регистрируемые наземной стандартной сейсмоаппаратурой, обрабатывают и анализируют аналогично блоку 2. В блоке 4 по оценкам, полученным из блоков 2 и 3, формируют соответствующие эталонные информативные множества оценок. В блоке 4 каждой локальной системы SP для интеллектуализации идентификации аномальных сейсмопроцессов на начальном этапе выполняется режим обучения. По полученным информативным оценкам в течение длительного времени, когда обычно отсутствуют аномальные сейсмические процессы, в блоке 4 формируют и запоминают соответствующие эталонные информативные множества оценок. В дальнейшем при работе локальной системы по результатам анализа полученные текущие оценки сравниваются с эталонными множествами. Если их разность не превосходит установленных диапазонов, то считают, что они не отличаются от эталонных и их количество фиксируют. Этот процесс продолжается до момента, когда текущие оценки сигналов, полученные от соответствующих датчиков, отличаются от величин оценок эталонных множеств на величины, большие, чем установленные диапазоны. При этом фиксируют время. Если последующие оценки также отличаются от оценок эталонных множеств на величину, большую заданного диапазона, то в блоке 4 это отмечается как начало аномальных сейсмопроцессов, и соответствующая информация передается серверу S центра мониторинга и прогнозирования землетрясений. Таким образом, при реакции датчиков звука и вибрации (блок 1), установленных в устье стального ствола скважины, пролегающей на глубине не менее 3-6 км, в системе формируется информация о начале аномальных сейсмопроцессов. В то же время реакция наземной стандартной аппаратуры (блок 3) на появление аномальных сейсмопроцессов значительно запаздывает, так как механическое распространение сейсмоколебаний из глубины не менее чем 3-6 км до поверхности Земли требует сравнительно большего времени. Поэтому, спустя определенный промежуток времени аппаратура блока 3 определяет силу сейсмоколебания в баллах Рихтера и передает эту информацию в блок 4. В блоке 4 определяют разность между временем регистрации сигнала о начале аномальных сейсмопроцессов, полученного в блоках 1 и 3. В процессе длительной эксплуатации в периоды затишья и активизации исследуемых зон в блоке 4 формируется информативная база для самообучения и адаптации, способная осуществлять интеллектуальную идентификацию, в виде табличных или линейных соотношений, информативных признаков, поступающих из блоков 2 и 3, по которым можно осуществить приближенное прогнозирование землетрясений.

Со временем, в процессе обучения, система все с большей степенью достоверности по величине разности между эталонными и текущими оценками, а также по разности времени реакции в блоках 1 и 3 может определить величину силы и времени возможного землетрясения. При этом разность во времени между идентификацией сигналов о начале сейсмоколебаний, зарегистрированных наземной стандартной аппаратурой блока 3, и этих же сигналов в блоке 2 представляет собой время краткосрочного прогнозирования.

Все локальные системы через модемы, антенны и другие средства радиоканала функционируют как узлы телеметрической системы с центром мониторинга. Основу этого центра составляет мощный сервер S с ресурсами, достаточными для запоминания и обработки всевозможной информации, получаемой от всех локальных систем. При получении звуковой информации от каждой локальной системы о начале аномальной сейсмопроцессов оценка этой информации принимается и запоминается как эталонная величина в сервере S центра мониторинга. Спустя некоторое время из локальных систем в центр мониторинга также поступают показания стандартной сейсмоаппаратуры. Из них также формируются эталонные множества. В процессе эксплуатации системы при возникновении аномальных процессов по звуковым сигналам различных локальных систем и показаниям соответствующей стандартной сейсмоаппаратуры происходит обучение системы по аналогии с локальными системами. Благодаря этому появляется возможность по оценкам звукового сигнала от локальной системы, которая раньше других реагирует или обнаруживает начало возникновения аномальных процессов, осуществить на сервере S идентификацию сигнала об активизации зоны, определить силу, время и территорию возможного землетрясения. После периода обучения в центре мониторинга и прогнозирования землетрясений (S) создаются условия, позволяющие серверу S по оценкам получаемых от всех локальных систем (SP) звуковых, вибрационных сигналов, и сигналов наземной стандартной сейсмоаппаратуры, путем интеллектуальной идентификации определить время начала возникновения аномальных сейсмопроцессов на соответствующих. Этим самым на сервере S центра мониторинга формируется информация, позволяющая осуществить краткосрочное прогнозирование времени и силы землетрясения на территориях локальных систем всего сейсмоактивного региона.

Таким образом, в заявляемом способе с использованием локальной системы SP для получения сейсмоинформации из глубинных пластов земли стволы консервированных скважин, истощенных нефтяных месторождений используются в качестве «фонендоскопа ». Благодаря интеллектуализации в локальной системе SP при эксплуатации со временем достигается необходимая степень адекватности результатов прогнозирования о силе и времени опасных сейсмоколебаний. Это дает возможность заблаговременно сигнализировать об аномальных сейсмопроцессах. Способ обеспечивает опережение во времени определения возникновения аномальных сеймопроцессов по сравнению со стандартной сейсмоаппаратурой. Время опережения обусловлено двумя факторами. Во-первых, при зарождении аномальных сейсмопроцессов их влияние передается стальной трубой скважины с глубины не менее 5-6 км со скоростью звука, и сначала в блоке 1 улавливается при помощи датчика звука, а спустя некоторое время - датчиком вибрации. В то же самое время механические колебания сейсмопроцессов достигают поверхности Земли со сравнительно меньшей скоростью, поэтому они регистрируются сейсмоприемниками стандартной наземной аппаратуры сравнительно позже. Кроме того, применяемые методы анализа сигналов позволяют фиксировать аномальные сейсмопроцессы в начале их зарождения, которые обычно на значительное время предшествуют явно выраженным сильным сейсмоколебаниям. Использование заявляемого способа позволит своевременно предупредить население о предстоящем землетрясении, чтобы они смогли успеть покинуть свои жилища.

Литература.

1. "Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений", патент Аз. Респ. № i20040016, RB, № 3, 2004 г.

2. БЭС, Из-во «Советская энциклопедия », M. 1976 г., № 9, с. 471; № 23, с. 175-178 (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.