Землетрясение – одно из самых ужасных природных явлений, когда высвобождается и преобразуется в разрушение огромное количество энергии. Перестраиваются литосферные плиты, изменяются береговые очертания – излюбленные места поселения людей. К настоящему времени известно, что земной «геоид» это не твёрдая сфера, а скорей пластичная капля переменной прочности с твёрдой корой, которая подвержена деформации и внутренним смещениям. Нарастая, деформации приводят к разрушениям границ и сдвигам поверхностных слоёв земли, а морские землетрясения толкают огромные объёмы воды, генерируя цунами, способные достигать отдалённых берегов.
Понимая, что с этим ничего не поделать, остается попытаться научиться, насколько это возможно, предсказывать время и место будущего несчастья, изучая предвестники – явления, связанные с формированием будущего землетрясения, такие как выход в атмосферу газов: радона, метана, сероводорода из напряженных горных пород и их возгорание. Выделяются также гелий, фтор, кремнистая кислота и другие грунтовые пары и газы. Особо эффективно свечение выделяющегося радона под действием собственной радиоактивности, который флюоресцирует голубым светом и вызывает флюоресценцию других атмосферных газов, сернистые соединения могут вызывать хемилюминесценцию.
Явление «отката» воды – понижения уровня моря, при наблюдении уреза береговой линии, характеризует приближение волны цунами при отдалённом подводном землетрясении. Отслеживание и измерение уровня моря позволяло с какой-то вероятностью спасаться бегством. К настоящему времени разработан ряд поколений устройств уровнемеров механических, пьезоэлектрических, автономных, тросовых донных датчиков и др., которые прямо или опосредовано позволяют отслеживать уровень моря, писать сейсмические волны и строить прогноз.
Есть другие предвестники: аномальное поведение животных, серия слабых землетрясений – форшоков. это слабые землетрясения, предшествующие основному. Они могут длиться несколько дней и закончиться основным ударом. Это вызвано, видимо, постепенным разрушением напряжённого опорного массива, возникновением «трещин» в месте будущего разлома. Для жителей прибрежных районов, особенно сейсмоопасных территорий, задача отслеживания и контроля предвестников жизненно важна. Данная статья рассматривает аппаратурный комплекс погружных устройств, позволяющих фиксировать изменения предвестников, как то: изменение газовыделения и регистрация изменений уровня моря, квалифицируя их степень опасности.
Следует заметить, что уровень моря – это комплексная характеристика и регистрацию изменений целесообразно вести также комплексно на фоне сейсмограммы района, так как уровень моря меняется и не только от сейсмических причин, но и от гидрологических и синоптических. Кроме постоянных приливно-отливных колебаний уровня бывают анемо-барические колебания [1] (т.е. вызванные изменениями атмосферного давления), ветровые нагоны, сейши, тягуны, т.е. все виды длинных волн, которые не имеют сейсмической природы, но с учётом ветра влияют на колебания уровня моря.
Очень важным предвестником является выделение газа над поверхностью земли, хотя его трудно заметить, если он не окрашивается на воздухе и не флюоресцирует. Кроме того, попадая в свободную воздушную среду, он становится её частью и уносится ветром, турбулизируясь, рассеивается. В результате получить достоверные концентрации не представляется возможным. Даже если получить газосодержащую порцию, то её сразу надо отделить от воздуха и анализировать. Поэтому надо было найти такой способ, который бы удерживал газ в месте выхода для забора пробы, при этом не размывал бы его, как ветер. Подходящим свойством обладает вода. Выходящий из донной поверхности газ растворяется под давлением в морской воде и таким образом не рассеивается, если нет стремительного и бурного течения. Чтобы определить, какой газ растворён и его концентрацию, т.е. количественный выход, надо непрерывно батометром брать герметичные пробы. Процесс малоэффективный, учитывая, что наблюдения надо вести непрерывно месяцами и годами.
Предлагаемое здесь аппаратурное решение может быть в комплексном конструкторском исполнении позволит организовать непрерывный дистанционный мониторинг «in sito» очень важного предвестника: исходящие газы, из которых многие исследователи считают радиоактивный газ Rn. В работе [2] сделана попытка определить оптически свойства водных растворов, не выделяя газовую фазу.
Однако решение состоит в том, что забор проб необходимо вести постоянно и под водой, в зоне заранее разведанного выхода газов (эксгаляции), и там же осуществлять масс-спектральный анализ смеси выделенных из водного раствора газов при одинаковых термодинамических условиях (давлении, температуре) и анализ состава растворённых газов.
При оценке предвестников, разумеется, нельзя основываться на каком-то одном, даже очень ярком предвестнике, хотя однажды был отмечен и противный случай.
Для надёжности рекомендуется фиксировать и анализировать всю доступную информацию о грядущем событии из других предвестников, даже если она кажется противоречивой. Анализ предвестников должен предсказать: время, место и главное интенсивность – магнитуду землетрясения. Именно она определяет величину преобразования энергии деформации в «разрушения».
На рис. 1 представлен схемный вариант проекта возможной конструкции донной газоаналитической станции на основе массспектрометра, размещённого в закольцованной внутренней полости бароустойчивого бокса. Масс-спектрометр снабжён микропроцессором, памятью и световодом из зеркал призм и др. оптических элементов. Для подготовки газовой пробы установлена гидравлическая и термическая арматура (испаритель, гомогенизатор и др.). Всё это оборудование требует энергопитания и поэтому бокс имеет информационно-силовой электроразъем.
В боксе установлены устройства для создания и поддержания термодинамических параметров измеряемой атмосферы близкими к расчётным. Внутреннюю измеряемую атмосферу формируют путём дозированного натекания морской забортной воды через клапан-дозатор с фильтром и испарением на пористом дегазаторе. В результате внутренний объём заполняется газовой смесью из паров воды и растворённых в воде атмосферных газов и газов эксгаляции. Задача анализа – выделить из этой смеси искомые газы-предвестники и их концентрации. Поэтому в бокс заведён кабель питания и связи для микропроцессора и оптики, что позволит вести постоянный дистанционный мониторинг.
Силовая часть его напряжения используется для питания устройств забора пробы клапан-дозатором, морской воды, нагревателя парогаза с вентилятором-гомогенизатором и испарителем-дегазатором. Отработанную (дегазированную) воду необходимо затем снова удалять за борт для приведения внутренней атмосферы в исходное состояние, которую контролирует процессор с помощью датчиков давления и температуры. С этим должны справляться гидроагрегаты: насос конденсата, компрессор парогаза, клапан-водозаборник и клапан сброса. Бокс, использованный в данной схеме, имеет внутренний закольцованный канал, для организации световода с помощью зеркал и призм, обеспечивая максимальные возможности для оптических измерений. Может использоваться не только масс-спектрометр, но и спектр-анализатор и другая оптика, где длина оптического пути важна.
В этой работе главное – выделить газовые компоненты из морской воды для определения динамики их изменений, сравнивая их с характером сейсмограммы и динамикой изменений уровня моря, которые могут выявить начинающиеся форшоки. Многие авторы, анализируя результаты наблюдений прошедших землетрясений, отмечают среди предвестников повышение концентрации таких газов, как Rn, He, H2S, F, CH4, и считают их гидрохимическими предвестниками, особенно радон ввиду его радиоактивности. Однако набор газовых предвестников определяется анализом конкретного места постановки станции. То есть насколько близко станция будет к эпицентру. Потому что именно величина магнитуды и скорость её нарастания определяют интенсивность нарастания внутреннего напряжения, т.е. рост внутреннего давления, «выдавливающего» газ и приводящего к внутреннему разрушению породы. Время развития удара может быть разным и не единственным.
Рис. 1. Разрез схемы донной станции. Здесь: 1 – бароустойчивый бокс; 2, 7 – масс-спектрометр (спектр-анализатор) с микропроцессором; 8–16 – гидро термо арматура; 17 – плавучесть; 18,19 – гидроакустический размыкатель и якорь; 20, 21 – антенны радио и акустической связи. Схема рис. 1 взята из патента [3]. Кабель и кабельный разъём не показаны
Так как здесь рассматриваются прибрежные сейсмоактивные территории, то контроль-измерение уровня моря, безусловно, необходим не только для промышленных и хозяйственных нужд, но и для обнаружения слабых начальных сейсмических колебаний, подтверждённых изменением уровня моря – форшоки.
Известно много типов измерителей: от поплавковых – механических, электромеханических, пневмо-гидравлических, до вторичных, снабжённых преобразователем с цифровым выходом, что позволяет путём дифференцирования амплитудной записи определить характер изменения уровня моря, исключая высокочастотные флуктуации. То есть рассматривать только длинноволновые колебания уровня моря, вызванные нагонами, сейшами, тягунами, приливами и цунами.
Сегодня приборостроение на основе микроэлектроники позволяет делать датчики давления не только высокой точности, но с температурной компенсацией, снабжённые электроникой, аналоговым преобразователем и прочным корпусом, что позволяет ставить его прямо на донный грунт или в основание портового сооружения. Зная глубину места h и z – координата глубиныустановки датчика, то давление по глубине определится известной формулой
Ph = g ∫h ρ(z) dz, (1)
где g – ускорение свободного падения; ρ(z) – распределение плотности воды по вертикали. Размещать уровнемеры на больших глубинах нет особой нужды, на десятках метров несжимаемая вода не меняется, то давление на глубине h будет вычисляться по формуле
Ph = ρ g h, (2)
а глубина моря будет
h = Ph /(ρg). (3)
Однако волнение моря любой природы может оказывать влияние на давление измеряемое датчиком и вносить погрешность. С той точки зрения целесообразно заглублять датчик, так как с ростом глубины происходит затухание высокочастотной составляющей давления, поэтому амплитуды ветровых волн затухают с глубиной. В работе [4] получена зависимость передаточной функции такого вида для диссипации по глубине:
δPz / δPb = [ch(2πZ/L)]-1 , (4)
где L – длина волны, δPb – флуктуация давления у поверхности; δPz – её значение на горизонте – датчика – Z. Отсюда видно, чем больше глубина – Z и короче волны, тем больше затухание. Максимальное затухание на предельной глубине, однако надо помнить о том, что систематическая погрешность датчика зависит от величины его шкалы измерений. Необходимо, чтобы собственная погрешность датчика не была больше погрешности от волновых колебаний.
В Институте океанологии РАН разработан вариант прямого измерения уровня моря, позволяющего избавиться от высокочастотных волновых флуктуаций и с высокой точностью регистрировать небольшие изменения уровня вызванные форшоками, тогда как все предыдущие варианты уровнемеров основывались на измерении какой-либо физической величины (давления, водоизмещения и т.п.) с последующим пересчётом во вторичном преобразователе в величину уровня моря, что и создавало погрешности. На рис. 1 схема такого уровнемера. Сущность разработки в том, что отсутствуют механизмы и их погрешности вторичных преобразователей, кроме того, отгорожено влияние моря – нет волновых искажений в зоне измерения, так как измерения производят в отдельном вертикальном сосуде-демпфере, герметично установленном на морском дне в бетонное основание «О».
Рис. 2. Автономный уровнемер прямого измерения
Демпфер D образует с поверхностью моря через дроссель (канал малого сечения – d) на глубине h) сообщающиеся сосуды. При этом d << D, это значит, что дросселирование уменьшает высокочастотные искажения уровня с коэффициентом дросселирования, который равен отношению площадей, а заглубление дросселя уменьшает передаточную функцию волнового давления, как показано в (4). В результате в демпфере образуется «зеркало» спокойной воды на уровне моря. Измерения выполняют радиолокационным или лазерным датчиком, установленным на верхнем опорном фланце демпфера, который является измерительной базой и координируется геодезической службой относительно земного геоида в системе ПЗ-90.02. Приёмно-передающая антенна датчика устанавливается на фланце – на базе и излучает вдоль оси и перпендикулярно «зеркалу», которое также вдоль оси отражает излучение на апертуру антенны. В результате датчик измеряет величину l-уровня моря от базы. Конструктивные параметры уровнемера, учитывая формулы (1)–(4), легко определяются из соотношения натекания из дросселя и колебаний уровня задачей уровнемера, гидрологическими параметрами, синоптическими свойства акватории. Конструктивные параметры: D – диаметр сечения демпфера, d – диаметр сечения дросселя и его заглубление h связаны с гидрофизическими параметрами формулой скорости изменения уровня в демпфере δλ/δτ под влиянием градиента волнового давления, которая должна быть меньше скорости δs/δτ изменения уровня моря под влиянием приливно-отливных явлений, явлений цунами, сейшей и нагонов известных гидрологических величин для данной акватории [5]:
(5)
где µ – коэффициент гидравлического сопротивления выбранного дросселя (справочная величина) и ρ – плотность воды. Важно, чтобы уровнемер не принимал волновые наводки за форшоки и был достаточно чувствительным, чтобы не пропускать слабые толчки.
Анализ сейсмограмм концентрации газов донной станции и записей уровнемера позволяют надеяться на предупредительный результат.