Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Электромагнитные процессы на заключительной стадии подготовки землетрясения. (обзор) 11
1.1. Деформационная природа предвестников землетрясений 11
1.2. Электросопротивление как индикатор деформационного процесса 13
1.3. Электромагнитное излучение в период предшествующий сейсмической активности 18
1.4. Об источниках электрических сигналов в нагруженных горных породах 21
ГЛАВА II. Электрические возмущения атмосферы литосферной природы 28
2.1. Стадия ускоренной ползучести горных пород накануне землетрясения 28
2.2. Сейсмоаномальные возмущения атмосферпо-электрического поля 28
2.3. Статистический ансамбль диполей в модели квазистационарного электрического поля литосферной природы 33
2.4. Электрическое поле от неоднородности в форме простых фигур 38
2.5. Плотность поляризации, физические механизмы, лабораторные эксперименты 41
ГЛАВА III. Вычислительные методы анализа электро магнитных шумов в атмосфере 47
3.1. Поиск полезного сигнала - основная трудность прогностической задачи 47
3.2. Методы цифровой фильтрации при построении системы наблюдений 49
3.3. Применение стандартных методов для цифровой обработки атмосферных шумов 50
3.4. Характерные сигналы шумового фона атмосферы 54
3.5. Техногенная гармоническая помеха на примере сигнала радиостанций «Омега» 63
3.6. Способы борьбы с перманентными техногенными помехами 70
3.7 Определение эффективного частотного диапазона 75
ГЛАВА IV. Цифровые методы идентификации импульсного электромагнитного сигнала 78
4.1. ЭМ излучение при разрушении материалов в лабораторных условиях 78
4.2. Электромагнитный сигнал при взрывах 83
4.3. ЭМ импульсные сигналы перед сейсмической активностью 86
4.4. О природе сейсмоаномалыюго импульсного ЭМ излучения 93
4.5. О природе двух полярного импульса 96
4.6. Численный анализ импульсного сигнала традиционными методами 98
4.7. Алгоритм поиска сигнала литосферой природы 101
4.8. Метод «подобия» для определения образа импульсного сигнала 102
4.9. Распознавание образа сигнала-предвестника в режиме реального времени 112
4.10. Результаты, полученные на полигоне при режимных наблюдениях за ЭМИ 113
4.11. Необходимые элементы для создания системы мониторинга сейсмической опасности в реальном времени 123
Заключение 125
Основные выводы 128
Литература
- Электросопротивление как индикатор деформационного процесса
- Сейсмоаномальные возмущения атмосферпо-электрического поля
- Применение стандартных методов для цифровой обработки атмосферных шумов
- ЭМ импульсные сигналы перед сейсмической активностью
Введение к работе
При известной противоречивости взглядов на проблему прогноза землетрясений с определенностью можно утверждать, что исследованиями последних десятилетий доказано существование предвестников в различных геофизических полях. При этом задача не становится проще, так как нестабильность во времени, мозаичность в пространстве эффектов и неадекватность свойств предвестников параметрам землетрясений ставит под сомнение основную цель - заблаговременное прогнозирование сейсмической катастрофы. Наряду с отдельными успехами, катастрофы последних лет с очевидностью демонстрируют степень сложности проблемы и необходимость поиска надежных критериев оценки сейсмической опасности в текущем времени.
Краткосрочный прогноз позволяет в полном объеме принять самые решительные меры по предотвращению массовых жертв среди населения и провести профилактические мероприятия во избежание экологических катастроф. Тем самым, не умаляя значимости исследований процессов подготовки более длительных интервалов времени, основная смысловая нагрузка ложится на прогноз за сутки-часы до катастрофы.
Исследования краткосрочных предвестников наиболее интенсивно развивались в последние десятилетия. Это определялось двумя основными факторами: выходом технологии проведения измерений на минимально необходимый уровень в соответствии с масштабом быстротекущих явлений и возможностью конкретного практического использования результатов исследований.
При отсутствии реальных результатов и значительных затратах на научный поиск в течение предыдущих десятилетий выражалось сомнение в принципиальной возможности прогнозирования землетрясения (Geller, 1997). Геофизическая среда, с этой точки зрения, рассматривается как система, находящаяся в состоянии самоорганизованной критичности (self-organized criticality, СОК), следствием которого является неконтролируемость процесса подготовки разрушения. Согласно этим представлениям, из-за нелинейности такой системы любое слабое событие может перерасти в сильное землетрясение, т.е. землетрясение происходит без подготовительной фазы. Это противоречит не только результатам, но и логике.
Ведь если нет процесса подготовки, то не должно быть и фазы релаксации. В действительности, фаза релаксации (афтершоки, деформации и др.) длятся месяцами и годами. Здесь уместно упомянуть и о форшоках. СОК, как абстракция существует лишь в математических моделях. Реальные физические и геологические системы конечны. Т.е. размер системы конечен и это ставит предел неограниченной неоднородности (Челидзе и др., 2004).
Отметим, что доказательства невозможности прогноза не могут быть даны в принципе. Но для опровержения этого утверждения достаточно одного, двух примеров полномасштабного прогноза, которые уже существуют. Более того, лабораторное моделирование говорит прямо об обратном. При нагружении и в период предшествующий разрушению образцов горных пород наблюдаются предвестники в ряде параметров, аналогичные наблюдениям в натурных условиях.
Следовательно, принципиальную невозможность прогноза следует отвергнуть, и задача состоит в изучении особенностей действительно сложного процесса подготовки тектонического землетрясения. Наблюдаемые предвестники демонстрируют столь широкий спектр возмущений и нестабильность во времени и пространстве, что выделение характерных особенностей представляет непростую задачу.
Неустойчивость экспериментальных данных приводит к многообразию предлагаемых объяснений наблюдаемых эффектов, построению порою противоречивых моделей описания процесса подготовки землетрясения. По свидетельству ведущих ученых, проблема прогноза еще далека от решения, несмотря на ее возрастающую значимость. Для ее разрешения потребуется применение всех знаний и многолетнего опыта исследований предвестников, внедрение в систему наблюдений современных наукоемких технологий, средств связи для оперативной передачи информации и мощного программного обеспечения для ее обработки. Необходимо отметить, что в настоящее время такие научно-технические условия созданы, что дает возможность решать проблему краткосрочного прогноза, которая, несмотря на ее возрастающую значимость, по свидетельству ряда ученых, практически еще не решена.
Действительно, изучение процесса разрушения фрагментарной среды оказалось более трудной задачей, чем это представлялось при первых успехах лабораторного
моделирования на кристаллах (Иоффе 1929, Stepanov 1933). В реальных геофизических условиях изучение процесса разрушения усугубляется неопределенностью начальных данных, неопределенностью условий нагружения разрушаемого объема, реологических свойств материала и неоднородностью деформируемых объемов горных пород.
В настоящее время по аномальным возмущениям в период, предшествующий сейсмическому событию, собран обширный экспериментальный материал. То обстоятельство, что предвестники регистрируются в различных геофизических параметрах, в отдельных случаях одновременно на разных станциях, свидетельствует о том, что в процессе подготовки участвуют обширные пространства в районе эпицентра готовящегося землетрясения. Обобщение наблюдаемых экспериментальных свидетельств формулируется в феноменологических и физических моделях генерации возмущений. В отличие от долгосрочных предвестников, проявляющихся на стадии накопления упругой энергии, краткосрочные предвестники проявляются на стадии реализации накопленной энергии в виде пластических деформаций. Это дает основание положить в основу этих моделей развивающийся процесс неупругого деформирования накануне удара.
Использование быстро развивающегося электромагнитного комплекса существенно увеличивает возможности изучения протекающих в Земле электромеханических процессов. Помимо традиционных измерений теллурического и магнитного полей, к таким методам следует отнести, прежде всего, метод регистрации электромагнитного импульсного излучения (ЭМИ), более адекватно отражающий динамические изменения в среде на заключительной стадии подготовки и получивший потому к настоящему времени приоритетное развитие.
В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с активизацией механоэлектрических преобразователей (МЭП) в процессе развития неупругого деформирования накануне землетрясения или иного типа геодинамического процесса. На основании литературных источников и оригинальных данных натурных наблюдений обсуждаются возможные механизмы МЭП и
феноменологическая модель генерации электромагнитного излучения и атмосферно-электрического поля.
Актуальность работы заключается в разработке новых методов изучения вариаций физических полей, сопровождающих протекающие в земной коре деформационные процессы накануне землетрясения или иные геодинамические события, разработке алгоритмов оперативного анализа массива поступающих в реальном времени данных и в разработке надежной системы предупреждения о сейсмической опасности.
Цели и задачи исследований.
Целью настоящей работы является изучение электромагнитных явлений, протекающих непосредственно перед землетрясением, анализ природы сейсмоаномальных возмущений, регистрируемых на земной поверхности, разработка аналитических методов идентификации прогностических сигналов, создание алгоритмов и программного обеспечения для целей краткосрочного прогноза землетрясений.
При этом ставились и решались следующие задачи.
Поиск образа сигнала-предвестника землетрясения по реальному сигналу в электромагнитном поле.
Расчет интегрального электромагнитного поля от ансамбля электрических диполей. Проведение численных оценок допустимых физических величин механо-электрических преобразователей для объяснения наблюдаемых аномальных ЭМИ литосферы.
Изучение свойств основных типов электромагнитных шумов в атмосфере и способов их подавления.
Создание методов, алгоритмов и расчетных программ выделения образа импульсного сигнала-предвестника в шумовом поле атмосферы в текущем времени.
Разработка рекомендаций по внедрению методов оперативного контроля за сейсмической опасностью в программно-аппаратный наблюдательный комплекс.
Основные защищаемые положения.
Показано, что в пределах зоны генерации интенсивность ЭМИ слабо зависит от эпицентрального расстояния. Это соответствует данным натурных наблюдений за ЭМ предвестниками и создает условия проникновения в ионосферу возмущений совокупного электромагнитного поля от статистического ансамбля электрических диполей в периоды когерентности.
Разработан новый аналитический метод поиска и выделения импульсного сигнала на шумовом электромагнитном фоне атмосферы. Исследованы статистические свойства сигнала. Определены дополнительные критерии поиска полезного сигнала для оценки сейсмической опасности в оперативном режиме.
Выделен характерный образ импульсного сигнала-предвестника в электромагнитном поле по данным измерений в различных сейсмоактивных районах и исследованы его характерные свойства.
Научная новизна. Предложена модель генерации электрического и электромагнитного полей от ансамбля когерентных излучателей, позволяющая с единых позиций объяснить совокупность экспериментальных данных. На основе корреляционного и факторного анализа разработан новый метод поиска и выделения импульсных сигналов. По данным натурных измерений выделен образ сигнала-предвестника землетрясений. Показана высокая эффективность применяемых методов, что позволяет рекомендовать разработанные методы, алгоритмы и структуру программного обеспечения для прогностических работ.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется разработкой численных методов выделения сигналов-предвестников в оперативном режиме, возможностью их внедрения в практику прогностических исследований и создании сейсмопрогностического комплекса по мониторингу
сейсмической опасности и краткосрочному прогнозу землетрясений и других геодинамических событий.
Фактические материалы. Использованы данные наблюдений за краткосрочными предвестниками, данные по регистрации электрических полей и электромагнитного излучения в различных сейсмоактивных районах страны и каталог землетрясений Геофизической службы РАН.
Представление результатов исследований на конференциях и в печати. Основные положения работы были представлены на Всероссийской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003), на Международных конференциях: «Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и прогноза землетрясений». 7-8 октября 2004 г. Ташкент, Symposium of Seismic Hazard Evaluation and Risk Reduction. 5-th Asian Seismological Commission General Assembly 2004. October 18-21, Yerevan и на семинарах ИЗМИРАН, ИФЗ РАН.
Основные результаты исследований представлены в следующих публикациях:
Моргунов В.А., Мальцев С.А. 2003. Модель квазистационарного электрического
поля литосферной природы. Пятая Российская конференция по атмосферному
электричеству, г. Владимир, 21-26 сентября 2003 г. с. 58-61.
Моргунов В.А., Здоров А.Г. Степанов М.В., Мальцев С.А., Данилов В.И. 2004.
Электромагнитные предвестники и краткосрочный прогноз землетрясений.
Исследования в области геофизики. К 75-летию Объединенного института физики
Земли им. О.Ю.Шмидта. Москва, ОИФЗ РАН. с. 109-118.
Моргунов В.А., Мальцев С.А. 2004. Модель квазистатического электрического
поля в атмосфере литосферной природы // Проектирование и технология
электронных средств. Специальный выпуск, с. 33-37.
Мальцев С.А., Моргунов В.А. 2005. К физической модели возмущений электростатического поля литосферной природы в атмосфере и ЭМИ. Физика Земли. №9, с. 35-41.
Тезисы докладов. Моргунов В.А., Мальцев С.А. Модель квазистационарного электрического поля
литосферной природы. Тезисы докладов Пятой Российской конференции по
атмосферному электричеству. Владимир 21-26 сентября 2003 г. с. 7.
Malzev S.A. and V.A. Morgounov. 2004. Electromagnetic, atmospheric electric
precursors and earthquake prediction. Тезисы докладов Международной
конференции: «Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и
прогноза землетрясений». 7-8 октября 2004 г. Ташкент.
Malzev S.A. and V.A. Morgounov. 2004. Teriary creep, atmospheric electric,
electromagnetic precursors and earthquake prediction. Symposium of Seismic Hazard
Evaluation and Risk Reduction. 5-th Asian Seismological Commission General
Assembly 2004. October 18-21, Yerevan.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 68 иллюстраций. Список литературы содержит 150 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.ф.-м.н. В.А.Моргунову за постановку задачи и неизменное внимание к работе, глубокую признательность к.ф.-м.н. А.Г.Здорову за предоставленные для анализа данные натурных наблюдений по ЭМИ, к.ф.-м.н. М.В.Степанову за обсуждения принципов построения программного обеспечения. Автор приносит искреннюю благодарность к.ф.-м.н. Ю.Г.Хабазину за обсуждение материалов II главы и всем сотрудникам лаборатории «Тектоно-акустических и электрических процессов» ИФЗ РАН за помощь в подготовке материалов.
Электросопротивление как индикатор деформационного процесса
Обоснованный выбор наиболее эффективных прогностических параметров возможен только при сравнительном анализе совокупности данных. Десятилетия поисков надежных предвестников в различных геофизических полях дают возможность провести ретроспективных анализ их результативности. Рассмотрим наиболее значимые из них.
Современные гипотезы формирования очага землетрясения основаны на предположении о росте числа и размеров микротрещин в горном массиве перед разрушением. Согласно одной из гипотез (дилатантно-диффузная), трещинообразование сопровождается увеличением объема породы и заполнением образовавшихся трещин поровой жидкостью. Уменьшение электрического сопротивления объясняется увеличением пористости и влагонасыщенности породы. Согласно другой гипотезе ЛНТ (лавинно-неустойчивого трещинообразования), разрушению предшествует увеличение числа и размеров трещин сдвига без увеличения пористости и без приноса поровой жидкости извне (Mjachkin 1975).
В ряде работ (Барсуков, 1968) ориентация была на поиск изменений электрического сопротивления горных пород непосредственно в очаговой области землетрясений. Поэтому для измерений использовались дипольные установки с большими разносами (до нескольких километров), что обеспечивало повышение глубины проникновения.
Зондирования выполнялись с помощью электроразведочного генератора. За период наблюдений были обнаружены значительные изменения кажущегося сопротивления. Поскольку с увеличением разноса между питающими и приемными диполями возрастает глубина исследований, был сделан вывод о том, что наблюденные вариации кажущегося сопротивления обусловлены глубинными процессами. Анализ результатов зондирований показал, что всем наиболее сильным землетрясениям предшествовало уменьшение кажущегося сопротивления, при наличии сезонной периодичности в его изменениях.
Другой подход к поиску предвестников методом электрического зондирования земной коры предложен в работах (Yamazaki, 1966-1973), который базируется на предположении, что в процессе подготовки землетрясений изменения свойств горных пород, в том числе их электрического сопротивления, могут происходить и далеко за пределами очаговой зоны (Добровольский, 1984) и вблизи земной поверхности. Для реализации такого подхода необходимо обеспечить очень высокую точность измерений, поэтому наблюдения осуществлялись с помощью вариометров сопротивления, позволяющих следить лишь за изменениями сопротивления, не измеряя его абсолютных значений. Для этой цели использовались установки Венера, установленные в штольне с разносами между внешними электродами около 5м.
Анализ результатов наблюдений и сравнение с записями деформографов, установленных в той же штольне показали, что вариометр фактически регистрирует-деформации пород. Зарегистрировано несколько десятков случаев ступенчатых изменений (ступенек) сопротивления за часы - десятки минут до момента сильных землетрясений на значительных расстояниях (более 1000 км). Цифровая фильтрация записей на ЭВМ позволила устранить влияние приливной волны и обнаружить, что 60% землетрясений, сопровождающихся скачками сопротивления, предварялись аномальными изменениями сопротивления, начинавшимися за 1-7 часов до сейсмического события.
Тем самым в ряде случаев наблюдались краткосрочные вариации электрического сопротивления горных пород за часы перед землетрясениями. Более результативными оказались методы вариационной электрометрии, регистрирующие, фактически, малые деформации непосредственно вблизи места установки датчиков. Для дальнейшего важно отметить, что при разносе электродов около 5 метров вариометром электросопротивления фиксировались изменения сопротивления непосредственно в приповерхностном слое земной коры. Так как вариометр адекватно соответствует изменению деформаций, следует сделать вывод, что поверхностные деформации наблюдались Ямазаки на расстояниях более 1000 км от эпицентра готовящегося землетрясения. Этот вывод важен для модели генерации ЭМИ-предвестника и мы вернемся к анализу пространственного масштаба ЭМИ в Главе II.
Так же как кажущееся сопротивление, ЭМИ, по сути, является индикатором деформационного процесса в месте установки датчиков. Напомним, что вариометр Ямазаки регистрировал полезный сигнал на расстояниях более тысяч км от эпицентра. Как справедливо полагают авторы работ (Yamazaki, 1977; Rikitake, et al. 1985), вариометр опосредованно фиксирует вариации деформации непосредственно в точке наблюдения. Следовательно, эти деформации наблюдаются на телесейсмических расстояниях от будущего эпицентра.
Сейсмоаномальные возмущения атмосферпо-электрического поля
В период подготовки землетрясений регистрируется аномальные возмущения в теллурическом поле, электромагнитном излучении, электрическом воле над земной поверхностью. Из совокупности геофизических полей, используемых для изучения процесса подготовки землетрясения, атмосферно-электрическое поле (Ez) является наименее изученным. Это объясняется, прежде всего, высоким уровнем шумов, в отдельные периоды, многократно превосходящие уровень полезного сигнала, главным образом за счет метеорологического фактора. Действительно, при надежно зарегистрированных возмущениях сейсмо-литосферной природы в первые сотни В/м (редко более 10 В/м), напряженность поля вследствие нарушений погоды составляет десятки тысячи В/м, а в условиях грозовой активности до пробойных значений Е 106 В/м.
По этим причинам этот геофизический параметр не может рассматриваться в качестве надежного предвестника землетрясений. Это, однако, не означает его неинформативности. Во-первых, в ряде районов условия ясной погоды позволяют вести такие наблюдения длительное время, во-вторых, без знания совокупности электрических параметров невозможно построить модель адекватную протекающим процессам. По этой же причине не получили широкого распространения измерения ионного состава и проводимости атмосферы вблизи поверхности Земли. В третьих, в серии работ [Мазур и др. 1988, Рыбников и др., 1993; Моргунов и др., 1989] показано, что масштабные квазистатические поля могут рассматриваться в качестве возможного фактора сейсмо-ионосферных связей. Эти обстоятельства определяют повышенный интерес к данному геофизическому полю во взаимосвязи комплекса электромагнитных явлений, протекающих вблизи земной поверхности непосредственно перед сейсмическим ударом. Остановимся на основных твердо установленных экспериментальных данных по исследованию Ez в воздухе.
Несмотря на то, что интерес к проблеме возник еще в конце XVIII века (Milne, 1890), до настоящего времени нет общепризнанного объяснения природы сейсмо-аномальных возмущений АЭП. Публикуемые работы по этой проблеме, как правило, представляют собой описание единичных измерений при широком разнообразии объяснений. Современные данные по этой проблеме представлены в немногочисленных обзорах (Руленко, 2000; Моргунов, 2000).
В России прямые измерения Ez были впервые выполнены в 1924 г. Чернявским (1924) и продолжены Бончковским (1954). С 1968 года регулярные измерения в сейсмоактивном районе проводились Kondo (1968) в Японии. Не останавливаясь подробно на хронологии развития этих исследований, рассмотрим основные особенности этих возмущений.
Большинство аномалий в электрических параметрах атмосферы регистрировались за первые десятки часов - первые часы перед землетрясением. Минимальные магнитуды, при которых отмечались аномальные возмущения в Ez, составляли около М=3.5. Долговременными наблюдениями, выполненными в Китае установлено, что аномалии, которые могли возникать неоднократно за 3-30 суток до сейсмического события в ряде случаев заканчивались перед или в момент землетрясения, но отмечались случаи их продолжения и после события. При синхронной регистрации на трех станциях в Калифорнии обнаружен не тождественный характер вариаций, при наличии локальных особенностей (Bufe et al., 1976). Эти результаты соответствуют измерениям на сети из 4-х станций в Китае (Jianguo, 1989).
В целом зависимость возникновения предвестников в Ez от эпицентрального расстояния соответствует общим закономерностям проявления краткосрочных предвестников (Мячкин, 1993) в ареале зоны подготовки землетрясения, о чем мы подробнее остановимся в главе IV.
Совокупность известных признаков Ez аномалий позволяет предположить, что эти электрические явления имеют деформационную природу, а локальные особенности отражают мозаичность и динамику полей напряженно-деформируемого состояния в зоне тензочувствительности расчлененной блоковой геофизической среды. Подтверждением этого заключения могут служить наблюдения за Ez аномалиями в условиях хорошей погоды на острове Шикотан, окруженным высокопроводящей морской водой в период афтершоковой активности землетрясения 04.10.1994 г. (Моргунов, 1998).
В работе (Руленко, 2000) наблюдаемые типы аномалий подразделяются на два основных типа. К первому типу относят случаи уменьшения поля с последующим восстановлением до прежних значений. При этом минимальные значения могут быть отрицательными. Характерные времена этих возмущений первые десятки минут - первые часы. В отдельных случаях продолжительность увеличивается до 10 и более часов. Данный тип аномалии имеет выраженную бухтообразную форму с возможными более слабыми флуктуациями. Причем для более сильных землетрясений аномалия более отчетлива.
Применение стандартных методов для цифровой обработки атмосферных шумов
Реальный радиоволновой сигнал, регистрируемый в атмосфере Земли, представляет собой совокупность возмущений самых различных источников. Эти возмущения по характеру проявления разделяются на две основные составляющие: флуктационную и импульсную (Александров и др. 1972, Ремизов, 1985). Каждая из этих составляющих в свою очередь разделяется на множество типов колебаний по источнику возмущений: естественных и техногенных.
Аномальные возмущения сейсмогенной природы имеют, по мнению исследователей, ярко выраженный характер, тем самым флуктационная составляющая должна рассматриваться как помеха. Согласно исследованиям эта составляющая фона в электромагнитном поле атмосферы присутствует непрерывно и создается далекими источниками различной природы, главным образом, грозовыми очагами, шумановскими резонансами, плазменными неустойчивостями в ионосфере и магнитосфере.
Техногенные источники могут внести свой существенный вклад в зависимости от местоположения станции наблюдения. В частности, при использовании достаточно чувствительной аппаратуры практически в любой точке земного шара в исследуемом диапазоне фиксируется сигнал от радионавигационных станций «Омега». Вблизи ЛЭП и других объектов мощного излучения на входные каскады наводятся технические частоты, которые могут создавать известные проблемы при приеме полезного сигнала.
При значительной интенсивности шумовой сигнал способен выводить входной каскад приемной аппаратуры в нелинейный режим, что приводит к эффекту детектирования сигналов за пределами измеряемого частотного диапазона, например, радиостанций. Применяются различные способы отстройки от помех, наиболее эффективным из которых является фильтрация любого гармонического сигнала на входе измерительного тракта, по возможности и флуктуационной составляющей.
С развитием вычислительных методов и компактных ЭВМ, цифровые фильтры в ряде случаев оказываются предпочтительнее, в частности, когда по условию задачи необходима перестройка частотного диапазона при проведении длительных режимных наблюдений. Использование такого метода упрощает процедуру настройки по месту установки комплекса.
Методология построения этого элемента проста. Поскольку заранее неизвестен уровень и составляющие перманентной помехи для данного места, цифровой фильтр должен иметь достаточно простое управление и широкий диапазон. При проведении настроечных операций определяется спектральный состав квазигармонической помехи.
Для исследования и анализа волновых пакетов в настоящее время широко применяется модификация спектрального анализа - вейвлет анализ. В данном разделе на примере типичных атмосферных и радиотехнических помех исследуем возможности применения традиционных методов спектрального анализа, включая вейвлет анализ.
Спектральный анализ.
В основе метода лежит преобразование Фурье (ПФ). При анализе цифрового сигнала используется т.н. дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Так же как и для обычного непрерывного ПФ, для дискретного существует прямое и обратное преобразование. Преобразование Фурье и обратное преобразование Фурье дискретного временного ряда x(j): X(k)= S x(j)0)JNK (3.3.1) y = 0 N-l x(j) = - TX(k)coNJ ft (3.3.2) і iv -1 _i.fr k = 0 Где 2n . N coN=e Спектральная мощность определяется выражением: F(k) = X{k)-X\k) (3.3.3) Спектрально-временной анализ (СВАН)
Это метод является производным от спектрального анализа. В отличие от обычного ДПФ, СВАН позволяет понять, как изменялся спектр сигнала во времени. Суть метода заключается в том, что анализируется весь сигнал сразу, а некоторый участок. На каждом участке вычисляется ДПФ исходного сигнала, к которому применена так называемая оконная функция.
В выборе оконной функции существуют различные возможности. В данном исследовании была использована Гауссова оконная функция: _l k-NI 2 2 w(k) = e 2 X N/2 , (3.3.4) где 0 k N и а 2 Все спектрограммы, полученные в нашей работе были вычислены с помощью БПФ длиной 512 точек дискретизации (при частоте 48 кГц это соответствует примерно 1/ЮОс.) Окно использовалось со значениями N = 256точек и а = 2.
ЭМ импульсные сигналы перед сейсмической активностью
В добавлении к обзорному разделу 1.3 по результатам предшествующих исследований ЭМИ интергальными методами отметим, что в первом совместном Российско-Японском эксперименте, выполненным на территории Японии, во время глубокофокусного (h=350 км) землетрясения 31.03.80, М=7, на обсерватории Сугадайра, в период проведения эксперимента штатной аппаратурой проводилась регистрация ОНЧ-эмиссий в автоматическом режиме. Регистрация проводилась в течение 80 сек на магнитную ленту в полосе частот 0-8 КГц каждые 30 мин. Один из периодов этой записи совпал с временем появления аномалии на частоте 81 кГц. Данные с магнитных лент были проанализированы на анализаторе спектра.
На сонограмма трех 80 секундных периодов записи за 43, 13 мин до землетрясения и 17 мин после можно видеть, что период наблюдений 07 ч 20 мин 00 с 07 ч 21 мин 20 с UT существенно отличен от других периодов записи. (Gokhberg et al., 1982; Гохбергидр. 1988).
Из рис. 4.3.1. и 4.3.2 следует, что аномальное возмущение проявилось преимущественно на частотах около 1.5 кГц в виде коротких всплесков излучения. Зарегистрированные необычные волновые пакеты импульсного характера на сонограмме имеют вид множества пятен в диапазоне частот около 1.5 кГц. Подобного рода импульсного шума в ОНЧ-диапазоне на записях обе. Сугадайра ранее не отмечались Сравнение спектральных характеристик сигнала показывает, что пиковое значение в момент аномального возмущения, имевшего место за 13 мин до землетрясения на 39 дБ выше невозмущенного уровня фона.
По существу эти данные были первыми сведениями о спектральном составе ЭМИ предвестника, полученными в натурном эксперименте. Позднее доступность этого диапазона частот для измерений, при регистрации на магнитную ленту позволила более полно исследовать шумовой фон на этих частотах.
Позднее за длительный период исследований ЭМИ предвестников в ИФЗ РАН, наряду с записями интегральных значений по числу импульсов или огибающей сигнала, проводились сеансы наблюдений за реальным электромагнитным сигналом в различных сейсмоактивных районах в периоды афтершоковой активности разрушительных землетрясений (Джава-Рачинское 1991, Шикотанское 1994). Отдельными сеансами проводилась регистрация электромагнитного поля на магнитную ленту. Для этой цели использовались магнитофоны, позволяющие вести измерения в полосе частот от 100 Гц до 17 кГц. Эти данные сопоставлялись с результатами наблюдений фоновых атмосферных шумов, которые проводились вне сейсмоактивных районов по методике приведенной в предыдущих разделах.
В периоды возникновения аномалий на интегральных записях были обнаружены многочисленные участки с аномальной электромагнитной активностью. Длительность таких участков составляла от нескольких десятых секунды до нескольких минут. Характерные сигналы представлены на рисунках 4.3.3 и 4.3.4. Поскольку запись восстанавливалась с магнитного носителя, точность определения интенсивности была невелика, и по этой причине здесь используются относительные величины.
При ближайшем рассмотрении подобных аномалий обнаружилось, что большая часть из них состоит из серий импульсов повторяющейся формы. Характер следования импульсов был периодичным; по крайней мере, на малых масштабах времени ( 1 мин) период обладал высокой степенью устойчивости.
Характерные формы импульсного сигнала представлены на рисунках 4.3.5 и 4.3.6. Отметим, что практически во всех случаях наблюдается одна и та же форма импульсов. Каждый импульс состоит из двух частей разной полярности. Обращает на себя внимание то, что форма сигналов рис. 4.3.5 состоит из одинаковых импульсов, но с переменной полярности через один импульс.
Подводя итог сравнительному анализу данных по регистрации реального импульсного электромагнитного излучения, зарегистрированных в лабораторном эксперименте, при релаксационных процессах после взрывных работ и в период подготовки землетрясения следует сделать вывод, что излучение имеет одинаковый характер возбуждения в виде серий импульсов квазипостоянных по амплитуде и интервалам следования. Обобщая данные лабораторных и натурных экспериментов можно выделить характерные особенности этих сигналов:
Во всех случаях, как в естественных, так и в лабораторных и искусственных условиях, наблюдаются сигналы импульсного характера.
Эти импульсы зачастую образуют последовательности с хорошо выраженной периодичностью. Одиночные импульсы тоже встречаются.
Внутри последовательности форма импульсов обладает хорошей повторяемостью, т.е. многочисленные импульсы соответствуют типичному образу сигнала.
Форма импульсов в разных экспериментах может сильно варьироваться. Даже в одном и том же месте практически в одно время (с разницей несколько часов) могут наблюдаться последовательности с разной формой импульсов. Однако некоторые похожие импульсы обнаруживаются даже в различающихся экспериментах.
