Описана возможность технического наблюдения активности земных недр, приведено описание приборных методов контроля предвестников природных катастроф. Показана возможность создания измерительного комплекса для исследования излучений недр Земли, позволяющего избирательно воспринимать сигналы, исходящих из земных недр, что позволит более надежно контролировать предвестники экстремальных геодинамических событий.
Поверхность Земли, на которой обитает человечество, проживает своей мало предсказуемой жизнью. Время от времени в том или ином ее регионе наблюдаются катастрофические геодинамические события – землетрясения. Согласно ряду теорий строения Земли наша планета представляет собой изнутри раскаленный шар-океан расплавленного металла, который по неведомым законам медленно вращается внутри нашей планеты и провоцирует геодинамические события на ее поверхности. По мере удаления от центра Земли температура понижается. Лежащие выше слои представляют собой расплавы, а затем породы, сложенные из силикатов и оксидов, покрытые слоем осадочных отложений.
Выражаясь образным языком, поверхность Земли напоминает омлет, который жарится на раскаленной и трясущейся сковородке. Конечно, это слишком упрощенное сравнение. На самом деле процессы, протекающие в слоях Земли, описываются гораздо более сложными законами. Зачастую поверхность Земли представляют в виде плит, которые время от времени перемещается в том или ином направлении, сталкиваясь и наползая друг на друга. В местах активного взаимодействия таких плит чаще всего и отмечаются катастрофические землетрясения.
Отметим, что горные породы при их перемещении постоянно подвергается как интенсивным тепловым, так и механическим воздействиям. Всем нам с детства знаком опыт, когда при соударении кремней высекаются искры, способные поджечь легковоспламеняемый материал. Такие соударения сопровождаются громким треском. При перемещении земных плит по поверхности друг друга происходят подобные явления, только выраженные в макромасштабе.
Соответственно генерируется мощное электромагнитное и акустическое излучение. Люди, проживающие вблизи энергоактивных зон Земли, зачастую отмечает земной гул, помехи в радиосвязи, а также свечение воздуха в ночное время. Животные, более тонко воспринимающие малоосязаемые для человека предвестники бурных геодинамических событий, стремятся заблаговременно покинуть опасный и малокомфортный регион.
Еще в далеком 1900 г. Джордж Дари [Georges Dary] (1857–?) опубликовал монографию [1], в который, ссылаясь на свою догадку, высказанную в 1885 г., предположил, что в недрах Земли происходит процессы, подобные тем, что протекают во время гроз в атмосфере. Он, пожалуй, впервые назвал процессы, происходящие в земной коре при землетрясениях, земными грозами.
Через несколько десятилетий, а именно в 1967–1970 гг. профессор Александр Акимович Воробьев (1909–1981), специалист в области техники высоких и сверхвысоких напряжений, с научной точки зрения попытался теоретически обосновать зарождение земных гроз. Он также предложил инструментальные методы наблюдения их в динамике, создал первые лаборатории для исследования предвестников землетрясений [2–7].
Во второй половине XX в. во многих странах появились лаборатории и даже целые институты, изучающие предвестники стихийных бедствий и катастроф [8–12]. Гипотезы профессора Александра Воробьева, хотя и не все, подтвердились на практике. Многие из них получили развитие и продолжают развиваться. Ныне экспериментально обоснован и доказан совместный электрический и акустический отклик приповерхностных осадочных пород на деформацию при прохождении сейсмических волн от землетрясений.
Так, например, ученые с Камчатки установили гидрофоны в нескольких озерах полуострова и обнаружили, что в 70% случаев эти приборы за несколько часов до события слышат характерный шум от грядущего землетрясения в радиусе 100…200 км [11].
Первые устройства для регистрации излучений земных пород, Рисунок 1, представляли собой обычный радиоприемник амплитудно-модулированных колебаний. С выхода приемника сигнал поступал на электронный самопишущий потенциометр. Аналогичным образом были устроены первые приборы для регистрации магнитных составляющих излучения земных пород, Рисунок 1. Для регистрации микроколебаний почвы использовались сейсмодатчики с горизонтальной или вертикальной поляризацией, а также высокочувствительные широкополосные микрофоны. Сигналы с выходов этих устройств также подавались на записывающие приборы.
 |
|
| Рисунок 1. | Простейшие и ныне устаревшие приборы для измерения: а) электрической; б) магнитной и в) акустической составляющих излучений недр Земли. |
Разумеется, наиболее значимые, экстремальные сигналы отмечались в случае буйной деятельности земных недр. Однако, как выяснилось в дальнейших экспериментах, такая аппаратура, к сожалению, не могла достоверно прогнозировать землетрясения, а лишь констатировала текущие проявления активности земных недр.
На Рисунке 2 показаны традиционные датчики для измерения электрической, магнитной и акустической составляющих излучения недр Земли.
 |
|
| Рисунок 2. | Датчики для измерения: а) электрической; б) магнитной и в) акустической составляющих излучений недр Земли. |
В приборах более совершенного построения выходной сигнал с оконечных усилителей тракта приема подавался на амплитудно-частотный анализатор. Такие приборы чаще всего использовали в исследовательских лабораториях для определения характеристик излучений, генерируемых Землей, а также в попытках найти закономерности протекания геофизических процессов в районах локализации предполагаемых землетрясений.
Строение современного измерительного автоматизированного комплекса «МГР-01» для мониторинга геодинамических процессов в земной коре показано в виде блок-схемы на Рисунке 3 [12]. Прибор содержит несколько входов для регистрации электрической и магнитной горизонтальной и вертикальной составляющих излучений, усилители сигналов, фильтры, компараторы с дискретно переключаемыми порогами переключения, преобразующими аналоговый сигнал в цифровой, а также приборы регистрации и накопления информации, выполненные с использованием микроконтроллеров.
 |
|
| Рисунок 3. | Современный измерительный комплекс для исследования излучений недр Земли. |
По данным авторов этого комплекса [12] при наличии даже одной станции наблюдения возможно обнаружение процессов подготовки опасного сейсмического события в радиусе до 1000 км с вероятностью 0.8.
Несмотря на многочисленные достоинства рассмотренных выше приборов и комплексов, большинство из них не могло различить электрические и акустические сигналы, генерируемые в воздушной среде (верхняя полусфера) и в земной коре (нижняя полусфера). Более удачное решение этой задачи, по мнению автора, приведено на Рисунке 4, где показан перспективный измерительный комплекс, см. также [13–15]. Этот комплекс включает ранее известные и ранее используемые компоненты: усилители, фильтры и компараторы, но, во-первых, отличается тем, что в нем использованы два идентичных канала регистрации, имеющих одинаковые датчики.
 |
|
| Рисунок 4. | Перспективный измерительный комплекс для исследования излучений недр Земли. |
Во-вторых, выходные сигналы с того и другого каналов регистрации поступают на устройство, именуемое инверсным импликатором. В электронике инверсный импликатор или логический элемент «Запрет» [16], Рисунок 5, – это логический элемент, имеющий два входа, один из которых (X1) имеет приоритет над другим (X2). На выходе Y логического элемента «Запрет» устанавливается уровень «лог. 1» только в том случае, если логический уровень на приоритетном входе (X1) превышает логический уровень на втором входе (X2).
 |
|
| Рисунок 5. | Пример логического элемента «Запрет» (схемы антисовпадений) и его таблица истинности. |
В ядерной технике подобное устройство называется схемой антисовпадений и предназначено для избирательной регистрации сигналов с одного из нескольких датчиков при условии, что сигналы с этого датчика не совпадают по времени с сигналами, снимаемыми с других датчиков.
К выходу логического элемента «Запрет» подключена обычная схема накопления и обработки информации; регистрации текущей и/или долговременной активности очагов излучения.
Третьим отличительным свойством рассматриваемого комплекса является использование экрана – электрического, магнитного, акустического, разделяющего оба канала регистрации. Это позволит избирательно воспринимать сигналы, поступающие на датчики как с верхней, так и с нижней полусфер. Таким образом становится возможным уверенно различать сигналы, например, от грозовых разрядов в атмосфере от сигналов, генерируемых недрами Земли.
Для расширения возможностей измерительного комплекса и обеспечения раздельной и/или совместной регистрации сигналов обоих каналов вместо логического элемента «Запрет» может быть использован «Классификатор уровней логических сигналов» (узел сортировки логических сигналов) [16], Рисунок 6. Узел имеет три выхода (X1>X2, X1=X2≠0, X1 При использовании разнесенных в пространстве двух или более аналогичных измерительных комплексов возможна пеленгация источника излучения как в 2D-, так и в 3D-пространствах. Отметим, что аналоговые сигналы, снимаемые с выходов конечных усилителей амплитудных сигналов, могут быть поданы на амплитудно-частотные анализаторы для углубленного анализа характеристик излучений.
 |
|
| Рисунок 6. | Классификатор уровней логических сигналов и его таблица истинности. |
Литература
- Dary G. A travers l'électricité. Paris. Vuibert&Nony Editeurs, 1900, 438 pp.
- Воробьев А.А. О возможности электрических разрядов в недрах Земли. Геология и геофизика, 1970, № 12, С. 3–13.
- Воробьев А.А. К вопросу об инициировании землетрясений подземными грозовыми явлениями. Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция. Сб. докл. Междунар. научно-техн. конф. по вопросам создания и методам испытания высоковольтной электрофизической аппаратуры. г. Томск, 1967, М.: Энергия, 1970. 668 с.
- Воробьев А.А. Электрические разряды и грозы в недрах Земли. Известия Томского политехнического института, 1974, Т. 195, С. 30–34.
- Воробьев А.А. Физические условия явления залегания глубинного вещества и сейсмические явления. Томск: Изд-во ТГУ, 1974, 270 с.
- Воробьев А.А., Сальников В.Н., Коровкин М.В. Наблюдения радиоимпульсов при нагревании кристаллов и минералов в вакууме. Известия вузов. Физика. 1975, Т. 18, № 7, С. 59–64.
- Арефьев К.П., Заверткин С.Д., Сальников В.Н. Термостимулированные электромагнитные явления в кристаллах и гетерогенных материалах. Томск: STT, 2001, 400 с.
- Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л., Добровольский И.П. Источники электромагнитных предвестников землетрясений. Доклады АН СССР, 1980, Т. 250, № 2, С. 323–326.
- Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993, 313 с.
- Соболев Г.А. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003, 270 с.
- Комаров С.М. Дрожь Земли. Химия и жизнь, 2011, № 7, С. 2–7.
- Патент РФ № 2238575. G01V 9/00, 1/00. Способ прогноза землетрясений. Выдан 20.10.2004, Бюл. № 29. Малышков Ю.П., Джумабаев К.Б., Малышков С.Ю., Гордеев В.Ф., Шталин С.Г., Масальский О.К.
- Шустов М.А. Аппаратурные методы идентификации подземных аномалий. Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде. Тез. докл. Всес. междисципл. научно-техн. школы-семинара. 18-24.04.1988. Томск, ТПУ, 1988, Часть III, С. 175–177.
- Лунев В.И., Сивцов В.П., Царапкин Г.С., Шашкин А.Б., Шустов М.А. Дистанционный мониторинг геодинамических событий по вариациям фоновых физических полей. Корреляция биологических и физико-химических процессов с солнечной активностью и другими факторами: Тез. докл. Междунар. симп. 27.9-01.10.1993. Пущино: ИТЭБ, 1993, С. 111.
- Шустов М.А., Лунев В.И. Установка для комплексной регистрации физических параметров окружающей среды. Информ. листок Томского межотрасл. территор. центра научно-техн. информации и пропаганды. Томск, 2002, № 72-045-02, 4 с.
- Шустов М.А. Логические элементы «Запрет» и «Импликатор» и их применение. РадиоЛоцман. 2025. № 5–6. С. 26–29.
