Патент на изобретение №2310894

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность: измеритель содержит измерительный канал из последовательно подключенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, пикового детектора, порогового устройства. Пороговое устройство связано с устройством обработки результирующего сигнала и синхронизации работы элементов измерителя. Генератор оптического излучения подключен к делителю из параллельно включенных датчика радиоактивного фона и переменного сопротивления. Чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого волокна. При этом длительность фотоимпульсов электрооптического модулятора должна быть пропорциональна концентрации легких газов в атмосфере. Технический результат: повышение достоверности предсказания землетрясений. 6 ил.

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение в системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Установлено, что в разломных зонах накануне состоявшихся землетрясений наблюдалась активная эманация в атмосферу различных газов: водорода, гелия, метана, радона… (см., например, “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.27-29).

Эманация легких газов (Н₂, Не), при их быстром подъеме в верхние слои атмосферы, оставляет инверсионный слой в виде протяженных (несколько сотен км) линейных облачных аномалий (ЛОА), наблюдаемых визуально на фоне безоблачного неба (см., например, патенты RU №2244324, №2247412, G01V 9/00, 2005 г.).

Эманация радона (период полураспада 3,81 суток) сопровождается -излучением, ионизацией аэрозолей и локальными электроразрядными процессами, наблюдаемыми иногда визуально накануне землетрясений в виде сполохов над разломными зонами.

Таким образом, если использовать средства одновременного непосредственного измерения нескольких признаков-предвестников, таких как концентрация легких газов и фоновый радиационный уровень -излучения в разломных зонах, то достоверность предсказания землетрясений можно существенно увеличить.

Известно, что газы имеют различную теплоемкость (см., например, Г.А.Зисман, А.М.Тодес. “Курс общей физики”, т.1, М., Наука, 1964 г., Теплоемкости газов, стр.159-165). Это используют в средствах экспресс-анализа газовой среды, выполненных на основе оксидных полупроводниковых пленок, в качестве чувствительного элемента, реагирующего на присутствие газов и паров изменением электропроводности (см., например, “Чувствительный элемент газового датчика”, патент RU №2011985, кл. G01N 27/12, 1994 – аналог). Устройство-аналог содержит на диэлектрической подложке оксидную полупроводниковую пленку с легированием верхнего слоя толщиной 5-35% примесями высоковалентных металлов, с резистивным подогревным слоем на другой стороне подложки. При изменении рабочей температуры подогрева оксидная полупроводниковая пленка проявляет различную адсорбционную активность к детектируемым газам, что проявляется в изменении проводимости полупроводникового слоя примерно на порядок.

Недостатками аналога являются:

– низкая избирательность газовых датчиков к детектируемому газу по отношению к смежным газам, т.е. широкая полоса неоднозначности;

– ограниченный диапазон линейности выходной характеристики, быстрое насыщение датчика при незначительных вариациях концентрации измеряемых газов;

– существенный интервал нечувствительности при малых концентрациях детектируемых газов.

Эманация газов сопровождается также образованием в атмосфере некомпенсированного заряда кулоновского электричества из ионов, перечисленных выше газов, и возникновением электростатического поля Е, порядка нескольких кВ/м в виде купола, диаметром 100-150 км, опирающегося на зону подготавливаемого землетрясения. Существуют измерители типа “Зонд-Заряд”, позволяющие измерять величину электростатического поля в атмосфере.

Ближайшим аналогом по технической сущности является “Измеритель предвестника землетрясений”, патент RU №2205432, G01V 9/00, 2004 г. Устройство ближайшего аналога содержит два параллельных канала, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих последовательно подключенные чувствительные элементы в виде электрооптических датчиков, фотоприемники, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к цепочке из порогового элемента, АЦП, буфера накопителя, устройства обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя в виде компьютера, программы которого закладывают в программируемую схему выборки измерений, электрооптические датчики помещены между обкладками конденсатора, а пороговый элемент, АЦП и буфер-накопитель подключены к программируемой схеме выборки измерений.

Устройство ближайшего аналога предназначено для измерения вертикального электростатического поля и выделения из регистрируемого сигнала модулирующей функции переходного процесса нарастания измеряемого параметра во времени. Время релаксации газовых ионов в турбулентной атмосфере составляет несколько минут. Поэтому при малых концентрациях, поступающих в атмосферу ионов, они успевают рекомбинировать в турбулентной атмосфере, не вызывая изменения величины напряженности Е, а устройство ближайшего аналога имеет большой участок (длительный по времени) нечувствительности. Указанный недостаток снижает интервал времени упреждающего прогнозирования ожидаемого события.

Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в обеспечении высокой достоверности предсказания землетрясения, в повышении чувствительности, расширении интервала линейности рабочей характеристики в широком диапазоне изменения амплитуд признаков – предвестников.

Технический результат достигается тем, что измеритель предвестников землетрясения, содержащий измерительный канал из генератора оптического излучения, чувствительного элемента и фотоприемника, подключенных последовательно, а также порогового устройства, связанного с устройством обработки результирующего сигнала и синхронизации работы элементов измерителя, дополнительно чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого волокна, при этом длительность фотоимпульсов электрооптического модулятора должна быть пропорциональна концентрации легких газов в атмосфере, а генератор оптического излучения подключен к делителю из параллельно включенных датчика радиоактивного фона и переменного сопротивления, при этом между фотоприемником и пороговым устройством включен пиковый детектор.

Предлагается, результат обработки сигнала от компьютера вывести на сайт сети “Интернет”.

Изобретение поясняется чертежами, где показано:

фиг.1 – функциональная схема измерителя;

фиг.2 – функция мощности радонового -излучения, приводящая к электроразрядным сполохам в атмосфере;

фиг.3 – функция мощности светоизлучения от величины тока инжекции;

фиг.4 – изменение атмосферного давления над очагом при эманации H₂,

He в атмосферу;

фиг.5 – изменение параметров (амплитуды, длительности, частоты повторения) потока видеоимпульсов на выходе фотоприемника при динамике переходного процесса;

фиг.6 – расчетная функция огибающей переходного процесса по параметрам регистрируемого сигнала.

Измеритель предвестников землетрясения фиг.1 содержит измерительный канал 1 получения результирующего сигнала от двух предвестников в составе генератора оптического излучения 2 (типа светоизлучающего диода), который подключен к делителю напряжения 3 в составе радиационного датчика 4 и переменного сопротивления, оптическое волокно в канализации излучения генератора 2, чувствительный элемент в виде электрооптического модулятора 7 (на основе брегговской решетки из дырчатого оптического волокна), фотоприемник 8, пиковый детектор 9, пороговое устройство 10, устройство обработки результирующего сигнала и синхронизации работы порогового устройства 11 в виде компьютера, сайт сети “Интернет” 12, на котором размещают расчетную функцию сигнала предвестников.

Динамика взаимодействия элементов измерителя состоит в следующем. Визуальным предвестником землетрясений являются инверсионные следы в виде ЛОА над очаговыми зонами и сполохи электроразрядов в атмосфере, которые могут проявляться или не проявляться. Первопричиной предвестников является дегазация земной коры в разломной зоне, эманация легких газов (Н₂, Не) и радона (Rn) в атмосферу. Следовательно, чтобы повысить достоверность прогноза землетрясения, необходимо измерять первопричинные параметры.

Эманация радона (период полураспада 3,8 суток) сопровождается -излучением с ионизацией молекул водяного пара и аэрозолей в воздухе. Всплески электрического поля, сопровождаемые сполохами электроразрядов, происходят при значениях напряженности Е=10⁵-10⁶ В/м (см., например, Горный В.И. и др. “Уходящее инфракрасное излучение Земли – индикатор сейсмической активности”, Доклады АН СССР, 1988 г., т.301, №1, с.67-69). В соответствии с теоремой Гаусса-Остроградского, поток вектора электрической индукции (Д) через замкнутую поверхность (S) равен алгебраической сумме разрядов (q_i), заключенных в объеме, охватываемом этой поверхностью:

Вычисления показывают, что поглощенная доза радиации, вызывающая ионизацию компонентов воздуха над разломной зоной до значений Е (10⁴-10⁵) В/м, составляет порядка (0,01…0,1) рентген/м³ воздуха. Итак, в разломной зоне, за счет выделения радона и его последующего радиоактивного распада, наблюдается увеличение фонового уровня на один-два порядка (фоновый уровень 20 мкр/ч). Функция изменения мощности радиационного фона накануне и после удара иллюстрируется фиг.2. Существует серия отечественных газоразрядных счетчиков (СТС-5, СТС-6, СИ-1БГ (2, 3, 10, 11, 12)), преобразующих уровень -излучения в электрический ток (см., например, А.Горицкий, “Приборы радиационной и химической разведки”, изд. ДОСААФ СССР, М., 1969 г., стр.108-111, “Характеристики детекторов излучений”). На схеме фиг.1 электрический ток датчика радиоактивности 3 является током инжекции генератора оптического излучения 2. При увеличении мощности -излучения увеличивается ток через датчик 4, что приводит к увеличению мощности излучения генератора 2. Характеристика изменения мощности оптического излучения от величины тока инжекции иллюстрируется фиг.3 (см., например, “Основы оптоэлектроники”, перев. с японского под редакцией К.М.Голанта, Мир, М., 1998 г., стр.46). Рабочую точку на характеристике генератора оптического излучения 2 выбирают изменением величины переменного сопротивления 5 делителя 3 в зависимости от мощности излучения.

Эманация легких газов (Н₂, Не) в атмосферу изменяет процентное соотношение между компонентами воздуха. Нормальное соотношение: ˜78% азота, ˜21% кислорода, ˜1% – благородные газы, создает нормальное атмосферное давление ˜748 мм рт.ст. или ˜26 мм рт.ст. на средний г/моль воздуха. Присутствие в воздухе легких газов при концентрации в 1% должно понижать расчетное атмосферное давление на ˜5%. На фиг.4 иллюстрируется изменение атмосферного давления, зарегистрированное на полигоне МЧС Кавказские Минеральные воды, имевшее место в районе ст.Лысогорская 21.12.1995 г., избыточная концентрация Н₂, Не существенно изменяет молярный вес (инерционность) и теплоемкость воздушной среды. В качестве чувствительного элемента, реагирующего на эти изменения, применен электрооптический модулятор 7, выполненный на отрезке дырчатого волокна, функционирующего, как брегговская решетка. Показатель преломления оптического волокна выбран равным удвоенной длине волны оптического генератора 2, при этом излучение в волокне испытывает полное внутреннее отражение (см., например, условие Вульф – Брегга, “Советский энциклопедический словарь”, под редакцией А.М.Прохорова, 4-е изд., М., Советская энциклопедия, 1987 г., стр.172). При этом часть энергии излучения тратится на нагрев металлической пленки, осажденной на продольный срез волокна. В результате линейного расширения пленки, отрезок волокна изгибается, изменяется период брегговской решетки и она становится прозрачной для данной длины волны. Далее металлическая пленка охлаждается воздушной средой, и отрезок волокна, за счет внутренней жесткости, принимает исходную форму. Но так как теплоемкость среды, за счет легких газов, изменилась, изменяется и длительность световых импульсов на выходе электрооптического модулятора.

Варьируя мощностью тока инжекции оптического генератора, частоту колебаний отрезка волокна можно приблизить к его резонансной частоте и ввести в резонанс. В системе оптический генератор – чувствительный элемент возникают устойчивые колебания на частоте колебаний отрезка волокна. О возможности генерации таких процессов см., например, Желтиков А.М. “Дырчатые волноводы”, журнал “Успехи физических наук”, том 170, №11, 2001 г.

Изменение амплитуды, длительности и скважности световых импульсов на выходе модулятора 7, в функции изменения предвестников при переходном процессе, иллюстрируется фиг.5. Поскольку изменение модулирующей частоты составляет единицы Гц, при несущей 0,7…0,8 мкм, то практический диапазон линейности рабочей характеристики составляет от десятых долей до единиц процентов концентрации легких газов в атмосфере. Световые импульсы преобразуют фотоприемником 8 в поток видеоимпульсов, которые детектируются пиковым детектором 9. Пиковый детектор выполнен по схеме (см., например, “Справочник по радиоэлектронике”, том 2 под редакцией А.А.Куликовского, изд. “Энергия”, М., 1968 г., стр.136-137, рис.13-81, Пиковый детектор). Постоянная времени цепочки RC пикового детектора выбрана такой, чтобы сигнал на выходе был пропорционален средней мощности потока видеоимпульсов. В свою очередь, поскольку, функционально, датчик радиоактивности 4 и датчик концентрации легких газов (модулятор 7) включены последовательно, то средняя мощность сигнала на выходе пикового детектора 9 содержит скрытую информацию о параметрах переходного процесса в контролируемой зоне. Какой бы энергией ни обладал источник, между начальным состоянием и установившимся значением (перед ударом) существует переходной процесс. Переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями первого и второго порядка. Общим решением дифференциальных уравнений для огибающей переходного процесса служит экспонента.

Формула изобретения

Измеритель предвестников землетрясения, содержащий измерительный канал из генератора оптического излучения, чувствительного элемента и фотоприемника, подключенных последовательно, а также порогового устройства, связанного с устройством обработки результирующего сигнала и синхронизации работы элементов измерителя, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого волокна, при этом длительность фотоимпульсов электрооптического модулятора должна быть пропорциональна концентрации легких газов в атмосфере, а генератор оптического излучения подключен к делителю из параллельно включенных датчика радиоактивного фона и переменного сопротивления, при этом между фотоприемником и пороговым устройством включен пиковый детектор.

РИСУНКИ