Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Электромагнитное излучение, как индикатор деформационного процесса 17
1.1. ЭМИ и неупругие деформации 17
1.2. Основные этапы развития ЭМИ метода в СССР 19
1.3. Исследования ЭМИ за рубежом 28
1.4. Исследования ЭМИ на Кавминводском полигоне 30
1.5. ЭМИ и приливные вариации 35
ГЛАВА II. Предвестники ЭМИ на северном Кавказе 40
2.1. Суточные и приливные вариации ЭМИ 40
2.2. ЭМИ в период развития неупругих деформаций , 45
2.3. Методические приемы выделения аномального ЭМИ на фоновых вариациях ЭМ поля атмосферы. ЭМИ и расчетная деформация 49
2.4. Приливы и ЭМИ-предвестники 52
2.5. Интенсивность ЭМИ и деформация поверхности , 70
2.6. Продолжительность ЭМИ предвестника и нормированное эпицентральное расстояние 85
2.7. Вариации интенсивности электромагнитных шумов атмосферы в цикле солнечной активности , 98
2.8ЭМИиММП 102
2.9 Различные факторы воздействие на фоновое ЭМИ 106
Выводы по главе II: ПО
ГЛАВА III. Землетрясения и фазы прилива 112
3.1. Деформации волн приливов и процесса подготовки землетрясения 112
3.2. Основные гармоники приливай сейсмичность Земли . 116
3.3. Исходные данные 119
3.3. Моменты землетрясений и приливная гармоника суточного и полусуточного масштаба времени 122
3.4. Полоса частот в суточном и полусуточном диапазонах 124
3.6. Япония, Тайвань, Греция, Сан-Андреас, Чили, Индонезия, Океания 130
3.7. Аляска-Алеуты и материковая Аляска 132
3.8. Фаза прилива и глубина очага 134
3.9. Фаза прилива и магнитуда землетрясения 137
ЗЛО Расчет доверительной вероятности 141
3.11 Неравномерность распределения землетрясений по фазам гармоник прилива 144
Выводы по главе III 149
ГЛАВА IV. Программно-аппаратный комплекс для исследования краткосрочных предвестников землетрясений 151
4.1 Назначение комплекса и принцип построения 152
4.2. Алгоритмы, реализованные в аналого-цифровом контроллере 153
4.3. Задача построения программного обеспечения: специальный пакет ПО 154
4.4. Служба времени 162
4.5 Научный анализ данных, построение моделей, перспективы развития комплекса... 163
4.6 Организация взаимодействия компонентов комплекса 165
Заключение 169
Основные выводы 174
Литература
- Исследования ЭМИ за рубежом
- Методические приемы выделения аномального ЭМИ на фоновых вариациях ЭМ поля атмосферы. ЭМИ и расчетная деформация
- Основные гармоники приливай сейсмичность Земли
- Алгоритмы, реализованные в аналого-цифровом контроллере
Введение к работе
Изучение деформационных процессов горных пород в условиях их естественного залегания представляет большой интерес для фундаментальной науки при исследовании геодинамических процессов, сеисмораионирования, разведки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Трудно оценить, что более важно в этом направлении: его фундаментальное значение или практические приложения. К данной проблеме следует отнести и изучение более быстрых подвижек вблизи поверхности Земли естественного и антропогенного происхождения в связи с прокладкой тоннелей, эксплуатации шахт, строительством трубопроводов, инженерных сооружений, объектов повышенной экологической опасности (АЭС, химических производств и др.). Особое значение данное направление имеет для проблемы поиска надежных методов своевременного предупреждения о сейсмической опасности и других геодинамических событий (обвалы, горные удары, оползни).
Многие десятилетия велась разработка методов и аппаратуры прямых деформационных измерений на геологических объектах. Созданы уникальные приборы, позволяющие проводить измерения относительной деформации и наклонов поверхности. Современные космические технологии (GPS) дают возможность получить данные о скоростях движения тектонических плит и континентов.
Вместе с тем до настоящего времени, деформационные измерения, хорошо зарекомендовавшие себя для отдельных типов движений, как следует из опыта долгосрочных натурных наблюдений, не дают должной результативности при исследовании заключительной стадии
4 прогнозирования землетрясений. Результаты прямых измерений, которые
принимаются за основу при построении физических механизмов подготовки
сейсмического удара, противоречивы, что дает основание для справедливой
критики и сомнений в результативности применяемых методов (Johnston, et
al, 1994; 2002),
До настоящего времени в научной печати ведется оживленная дискуссия, существуют ли подобные быстрые движения в эпицентральной зоне или в зоне подготовки накануне удара, дающие принципиальную возможность поиска предвестников и разработки методов краткосрочного прогноза землетрясений.
С 60-х годов прошлого века в России обнаружено явление возникновения электромагнитного излучения (ЭМИ) непосредственно перед землетрясением и с тех пор проводятся всесторонние исследования этого типа геофизического поля, как параметра косвенного мониторинга динамики напряженно-деформируемого состояния земной коры вблизи поверхности. Несмотря на достаточно долгую историю развития данного метода его относят к разряду нетрадиционных.
В практике разработки и эксплуатации горных выработок с успехом используется метод регистрации акустической эмиссии (АЭ). Несомненна логическая связь явления акустической и электромагнитной эмиссии при деформировании горных пород. Эта связь обусловлена различными механизмами дислокационной природы, сопутствующими деформации любого твердого тела и горных пород, в частности. Исследования геоакустической эмиссии имеют более длительную историю и неоднократно предпринимались попытки применения этого параметра для изучения предвестников землетрясений (Грешников 1976, Савич 1979, Виноградов 1989, Bogomolov et al., 2004). В немногочисленных случаях это приводило к
5 обнадеживающим результатам (Анциферов 1969, Моргунов и др. 1991,
Беляков и др, 1996). Однако из сравнительного анализа публикаций по тому
и другому параметру нельзя не признать, что метод ЭМИ зарекомендовал
себя на практике как более результативный метод контроля за
геодинамическими явлениями. Приведем несколько ссылок для иллюстрации
широкого распространения российского метода в мире: Япония, Италия,
Греция и др. (Воробьев 1970а,б; Nagao et al., 2002; Mauro et al., 2002; Meloni
et al., 2004; Eftaxias et al. 2002).
Объяснение этому можно найти в анализе степени зашумленности этих геофизических полей при наземном и подземном расположении датчиков, степени затухания сигнала с расстоянием, методологии проведения измерений. То обстоятельство, что метод акустической эмиссии получил большее распространение при подземном расположении датчиков, а ЭМИ при наземном расположении антенн, свидетельствует о превалирующей роли отношения сигнал/шум в тех и других условиях.
В середине 60-х годов чл.-корр. РАН А,А. Воробьевым (1970) была высказана гипотеза о том, что процессу предшествующему хрупкому разрушению сопутствует этап активного деформирования в зоне очага, при котором имеют место предельные напряжения и деформации, неизменно сопровождающиеся процессами электризации, в результате которых может происходить пробой горных пород. Это побудило А.А. Воробьева использовать термин «подземные грозы». Им же была разработана методика измерений и проведены первые наблюдения импульсного ЭМИ в сейсмоактивных районах. Практика исследований ЭМИ предвестников за последующие десятилетия внесла существенные коррективы в исходные представления о природе сейсмоаномальных ЭМ возмущений. Тем не менее,
метод получил широкое распространение, в том числе и за рубежом, и доказал высокую информативность.
К настоящему времени электромагнитные методы исследования заключительного этапа подготовки землетрясения прочно заняли лидирующие позиции в комплексе с другими методами. Обсуждение результатов изучения электромагнитных явлений, сопутствующих процессу деформации земной коры в совокупности с космическими технологиями включены в тематику традиционных международных симпозиумов и, более того, эти вопросы, предмет специально созданных рабочих групп в IUGG, EGS, MEEMSV, MARELEK, Достаточно упомянуть, что со времени первых и единичных публикаций в отечественной печати, т.е. с середины 60-х годов, на протяжении последних десятилетий их число достигло многих сотен в год, в том числе и в ведущих зарубежных геофизических журналах (JGR, Geoph. Res.Lett, Annali di Geophysica, J. App. Geoph, Tectonophysics, J. Atmosph. Electricity и др.).
В настоящее время издан ряд монографий, обобщающих многолетний опыт исследований ЭМ явлений в нагруженных горных породах в условиях их естественного залегания (Гохберг и др. 1988; Gokhberg et al., 1995; Hayakawa et al., 1994). Вышесказанное позволяет сделать вывод о несомненной перспективности дальнейшего развития данного направления, предложенного в России.
Одним из принципиальных вопросов, обсуждаемых в данной работе, является вопрос о причинно-следственных связях наблюдаемых сейсмоаномальных электромагнитных процессов с природой сопутствующих явлений (геомагнитных возмущений, приливов). В этой связи методически важен вопрос об исследовании фона в электромагнитном поле, на уровне которого производится определение специфического сигнала,
7 принадлежащего исследуемому деформационному процессу. Эти вопросы
являлись предметом специальных исследований в ряде диссертационных
работ (Хусамиддинов 1981, Токтосопиев 1987; Здоров 2002, и др.)- Однако,
до настоящего времени эти исследования не выходили за рамки анализа
периодов записи за ограниченный интервал времени, включая нарушения в
суточном ходе фона, грозовую активность и др.
С развитием технологии проведения геофизического эксперимента и, в особой степени, с использованием современной вычислительной техники, радикально изменились методы и принципы построения аппаратуры, что позволило перейти к более глубокому анализу структуры самого электромагнитного сигнала. Это в свою очередь открыло новые возможности выделения полезного сигнала по алгоритмам амплитудного и спектрально-временного анализа, а непрерывные режимные наблюдения позволили изучить долгопериодные вариации фона ЭМИ за многолетний период. Однако до настоящего времени вопросы изучения пространственно-временных характеристик наблюдаемых эффектов остаются малоизученными, главным образом из-за ограниченности сети наблюдательных станций.
Существование предвестников, в том числе и ЭМИ предвестников, в настоящее время не вызывает сомнений. Это обстоятельство само по себе свидетельствует о связи ЭМИ с деформационными процессами в Земле. Однако это не решает основного противоречия об отсутствии надежных экспериментальных данных по корреляции регистрируемых аномалий в АЭ и ЭМИ, возникающих перед землетрясениями, с прямыми наблюдениями за деформациями в зоне подготовки землетрясения (Эйби 1982).
Отсутствие четких соответствий между косвенными свидетельствами деформирования зоны подготовки и прямыми измерениями деформаций
8 находит качественное объяснение с позиций мозаичности строения земной
коры и распределения напряженного состояния среды, но не уменьшает
степени важности исследования механизма таких связей. Частично эти
вопросы решаются методами лабораторного моделирования. Но в этом
случае возникают не менее сложные вопросы о критериях подобия процесса
разрушения, протекающих в существенно отличных пространственных
масштабах.
В этой связи обращает на себя внимание явление прилива, в котором объемные силы, постоянно действующие на земную кору, вызывают адекватные сторонней силе деформации. С учетом широкого диапазона периодов вариаций в циклическом воздействии гравитационных сил на среду, в последней могут иметь место процессы неупругого деформирования, в той или иной степени присущие любому типу нагружения горных пород.
В данной работе предпринимается еще одна попытка выделения неупругой составляющей деформационного поля лунно-солнечного прилива по данным сейсмичности и непрерывных измерений электромагнитного фона. Полученные в работе результаты находят согласие с моделью описания заключительной стадии подготовки землетрясения, непосредственно предшествующей удару с единых позиций на основе явления ползучести (крипа) нагруженных горных пород (Моргунов 2001).
В данной работе проводится дальнейший анализ ЭМИ предвестников землетрясений зарегистрированных на КМВ полигоне к.ф.-м. наук А.Г. Здоровым. Эти предвестниковые аномалии выделены на основе имеющихся в настоящее время аппаратурных средств и с использованием накопленных знаний о фоне ЭМ излучения в данной местности. Проведено изучение суточного фона сигнала, его сезонного хода, а также техногенного шума. На основе изучения морфологии электромагнитного шума атмосферы
9 производится выделение полезного сигнала. Нужно отметить, что полезный
сигнал существенно отличен от всех помех природного и техногенного
происхождения. Его отличительные особенности еще с трудом поддаются
формализации на современном этапе. Но при непрерывном контроле за
состоянием фона его нетрудно выделить из шума. Это дало основание
подавать успешные научные прогнозы локальных землетрясений на
территорию прилегающую к КМВ полигону. В силу того, что эта часть
работы подробно описана в его диссертационной работе (Здоров 2002) мы не
будем останавливаться на ней подробно и приведем основные выводы. В
частности, им установлено, что предвестниковые вариации ЭМИ возникают
от нескольких десятков часов до нескольких суток перед моментом
сейсмического события и проявляются в виде резкого (в течение десятков
минут) увеличения скорости счета импульсов ЭМИ, превышающей в десять
и более раз уровень фона. Аномальные вариации редко имеют
квазиустойчивый вид, чаще они проявляются в виде серии отдельных
всплесков, чередующихся с замираниями. Фаза сброса характеризуется
таким же контрастным спадом, что и фаза нарастания. Продолжительность
аномалий варьирует от 7 до 50 часов, в среднем составляя, с учетом
доверительного интервала, 23±15 часа. В силу наличия резкой фазы сброса
аномального ЭМИ, в качестве прогностического параметра времени
сейсмического события, выбран интервал времени от момента
окончательного сброса аномалии к уровню фона до момента землетрясения.
По набранным данным, длительность этого интервала может изменяться от 0
до 112 часов, но предельные случаи крайне редки. Средняя
продолжительность временного интервала между окончанием аномалии и
моментом землетрясения составляет 37±16 часов, т.е. именно с такой
10 точностью возможно прогнозировать момент времени землетрясений.
(Здоров А.Г. 2002).
При индивидуальности каждого из сейсмических событий, регистрируемых на различных удалениях, глубинах и магнитудах, расчеты, проведенные в нормированных эпицентральных расстояниях в рамках модели релаксирующего крипа, дают возможность оценить характерное время развития процесса ползучести, предшествующего удару, тем самым получить важный критерий контроля за процессом подготовки в реальном времени. Использование современных методов анализа данных предполагает соответствующий уровень развития методов измерений.
В Главе IV приведены основные принципы построения программно-аппаратного комплекса «Аларм-Сейсмо», реализованного практически, построения системы наблюдения и разработки алгоритмов оперативного анализа данных. Комплекс прошел экспериментальное опробование и внедрен в опытную эксплуатацию на геофизических полигонах МПР.
В работе используются данные мирового каталога землетрясений, программа ETERNA для расчета приливных вариаций, данные по ЭМИ фону и предвестникам на Кавминводском полигоне Северного Кавказа.
Актуальность работы заключается в изучении характерных особенностей предвестника на заключительной стадии подготовки тектонического землетрясения, определению критериев построения алгоритмов оперативного анализа данных и построения соответствующих устройств, а также триггерного воздействия приливных сил на процесс подготовки землетрясения и необходимости разработки надежных способов контроля за неупругими деформациями верхних слоев земной коры для мониторинга
11 опасности вследствие таких геодинамических событий, как тектонические
подвижки, оползни, горные удары, землетрясения.
Цели и задачи исследований.
Целью настоящей работы является изучение пространственно-временной структуры электромагнитных предвестников землетрясений уровня фоновой сейсмичности, разработка методики выделения полезного сигнала на уровне естественных вариаций иной природы и разработка алгоритмов анализа данных в режиме реального времени.
При этом решались следующие задачи.
Поиск характерных особенностей в пространственно-временном распределении ЭМИ предвестников слабых землетрясений (М ~ 3-4) в нормированных координатах. По совокупности данных за 12 летний период наблюдений за ЭМИ предвестниками определение характерного времени развития деформационного процесса непосредственно вблизи очага. Определения роли спектральных составляющих лунно-солнечного прилива (0.5-27 суток) в процессах неупругого деформирования Земной коры и их связи с сейсмичностью различных сейсмоактивных районов. Изучение уровня и спектральных составляющих естественных электромагнитных шумов атмосферы в диапазоне периодов приливных вариаций. Расчет распределения времени возникновения ЭМИ предвестника в фазе прилива для различных гармоник. Разработка принципов построения программно-аппаратного комплекса для регистрации краткосрочных предвестников землетрясений.
12 Основные защищаемые положения.
Низкочастотные приливные гармоники (MM, MF с периодами 27.55, 13,66 сут. соответственно) оказывают влияние на процесс подготовки землетрясений, что подтверждается связью момента возникновения предвестников с фазой этих гармоник.
Установлена независимость продолжительности предвестника, приведенной к эпицентральной зоне, от энергии землетрясения в диапазоне магнитуд М - 3-5.
Установлено статистически значимое влияние низкочастотных приливных гармоник ММ и MF на процесс подготовки землетрясений. В то же время более сильные полусуточные и суточные гармоники не обнаруживают устойчивых связей с сейсмичностью. Эти результаты подтверждены расчетами критерия достоверности эмпирического распределения X*.
Разработанные алгоритмы и созданное на их основе программное обеспечение для анализа данных ЭМИ в режиме, приближенном к реальному времени, включены в программно-аппаратный сейсмопрогностический комплекс «Аларм-Сейсмо».
Научная новизна. По исследованиям интенсивности ЭМИ предвестников обнаружено относительное постоянство суммарного числа импульсов в аномалии. Показано, что продолжительность аномалии является наиболее информативным параметром по сравнению с другими фазами сигнала. Впервые обнаружено статистически значимое превышение числа сейсмических событий от среднего (до 12%) на фазе снятия нагрузки на гармониках ММ (27.55 сут.) и MF (13.66 сут.) по сравнению с более сильными суточными и полусуточными гармониками. Это свидетельствует о
13 важной роли процессов неупругого деформирования земной коры, в том
числе и в силовом поле приливных вариаций. Обнаружение неупругой
составляющей в деформационном поле длиннопериодных приливных
вариаций, тем самым, подтверждает правомерность криповой модели в
описании процесса подготовки землетрясения на его заключительной стадии.
Впервые получена эмпирическая оценка характерного времени развития
неупругих деформаций в очаге, предшествующей разрыву для землетрясений
уровня фоновой сейсмичности (Rice et al., 1979, Savage, 1971, Wu et al., 1975).
Практическая ценность работы заключается в определении наиболее информативных параметров ЭМИ аномалий на фоновой сейсмичности, что дает возможность усовершенствовать алгоритмы выделения полезного сигнала на фоне вариаций иной шумовой природы. Проведенные оценки характерного времени развития наиболее активной стадии ползучести в зоне очага позволяют усовершенствовать алгоритмы выделения полезного сигнала в режиме времени приближенном к реальному. Определена более высокая вероятность землетрясений в фазе снятия нагрузки в поле гравитационного прилива на гармониках ММ и MF. Построение аналого-цифрового комплекса сбора, хранения, предварительной обработки и анализа данных по возникновению ЭМИ вследствие неупругих деформаций в режиме on line дает возможность проводить работы по своевременному предупреждению сейсмической опасности в районе проведения измерений. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для непрерывного контроля за геодинамической обстановкой в районе наблюдения.
Фактические материалы. Фактический материал представляет собой данные режимных наблюдений с 1991 по 2003 гт. на КМВ полигоне при участии
14 автора. В работе использованы данные мирового каталога землетрясений
«Advanced National Seismic System (ANSS)» и архив данных ИЗМИР АН по
солнечной активности, межпланетному магнитному полю, Кр индексу, и
геомагнитному полю.
Представления результатов исследования на конференциях: Основные положения были доложены на Всероссийской конференции по атмосферному электричеству 2003 г., международном симпозиуме MEESU 2002, Москва; представлены на международном симпозиуме «Seismic Hazard Evaluation and Risk Reduction, 5-th Asian Seismological Commission General Assembly 2004. October 18-21, 2004, Yerevan» и на конференции «Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и прогноза землетрясений». 7-8 октября 2004 г., Ташкент.
Публикации.
Основные результаты исследований представлены в публикациях:
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.
Здоров А.Г., Моргунов В.А., Степанов М.В. 2004. Электромагнитные предвестники землетрясений (М 3-4) на Кавминводеком полигоне. Физика Земли, № 12 с. 48-57.
Моргунов В.А., Боярский Э.А., Степанов М.В. 2005. Приливы и землетрясения. Физика Земли, № I.e. 74-88.
Тезисы докладов.
Morgounov V. A., Zdorov A.G., Stepanov M.V. 2002. Further experience of short-term scientific EQ prediction at North Caucasus and hardware-software system "Aiarm-Seismo 002". Ill International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology (MEEMSV). Russian Academy of Sciences. Moscow, p. 234.
Моргунов B.A., Степанов M.B. 2003. Вариации интенсивности электромагнитных шумов атмосферы в цикле солнечной активности. Сб. трудов. Пятая Российская конференция по атмосферному электричеству. Владимир 21-26 сент. 2003 г. с. 58-61.
Stepanov M.V., Zdorov A.G., and V. A. Morgounov. 2004. Further experience of short term scientific earthquake prediction at North Caucasus and hardware-software system "ALARM-SEISMO 002". Symposium of Seismic Hazard Evaluation and Risk Reduction. 5-th Asian Seismological Commission General Assembly 2004. October 18-21, 2004. Yerevan.
Stepanov M.V., Zdorov A.G., and V.A. Morgounov. 2004. Hardware-software system "ALARM-SEISMO 002" and short term scientific earthquake prediction at North Caucasus. Тезисы докладов Международной конференции: «Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и прогноза землетрясений». 7-8 октября 2004 г. Ташкент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов. Общий объем диссертации составляет 190 страниц, включая 48 иллюстраций и 7 таблиц. Список литературы содержит 141 наименование.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. В.А. Моргунову за неизменное внимание и неоценимую помощь в работе над диссертацией. Автор выражает глубокую признательность чл.-корр. РАН Ю.Н. Авсюку за обсуждение результатов исследования роли приливных вариаций в процессе подготовки землетрясений и ценные замечания. Исследования выполнялись с использованием данных натурных наблюдений, проводимых на Кавминводском полигоне к.ф.-м.н. А.Г. Здоровым, постоянные консультации с которым способствовали повышению точности анализа данных, за что автор приносит ему искреннюю благодарность. Автор выражает признательность к.т.н. Э.А. Боярскому, чья помощь помогла в достаточно короткое время овладеть методологией и программным обеспечением расчета лунно-солнечных приливов. Автор благодарен проф. Л.А. Латыниной и д.ф.-м.н. СМ. Молоденскому за полезную критику и ценные замечания по III главе.
Исследования ЭМИ за рубежом
Основной интерес к исследованиям радиоволнового поля как предвестника землетрясений возник за рубежом после проведения работ по первому Советско-Японскому проекту в 1980 г. (Gokhberg et al., 1982). Однако некоторые упоминания о необычных «помехах» при радиоприеме отмечались и ранее. В частности, в Китае были отмечены необычные радиопомехи на значительных расстояниях от эпицентров перед катастрофическим Тангшанским землетрясением 28.07.76 г. (М=7,8) и разрушительным землетрясением в Лонглине 29.05.76г. (М=7,6). С 1982 г. ведутся непрерывные наблюдения ЭМИ на частоте 400кГц в северном Китае. За период 1983-1985 г.г. зарегистрированы эффекты при семи землетрясениях (М = 4.2-6.2, R = 90-1000 км). Аномалии носили импульсный характер и предваряли землетрясения за несколько часов-суток (Noritori, 1978, Lin Mei, Li Kaifu, 1985, Mao Pusen 1986, Raleigh et al. 1977, Wang, 1978).
В США сообщается о наличии аномалии радиоизлучения на частоте 18 МГц, зарегистрированной за несколько суток до катастрофического Чилийского землетрясения 20.05.60 г. (М = 8.5) на сети станций по регистрации космического шума, удаленных на расстояние до 10 000 км. Подобные аномалии не встречались за весь многолетний период режимных наблюдений обсерваторий по регистрации радиокосмического шума (Warwick, et al., 1982).
На французской станции Кергелен, расположенной в Индийском океане проанализированы вариации ОНЧ-излучения перед 3-мя местными землетрясениями с М = 4.0 в диапазоне частот 0-10 кГц. В двух случаях отмечено возрастание уровня поля на частотах 860-3бООкГц (Parrot, et al., 1985).
В Болгарии на обе. Витоша (вблизи Софии) при консультативной помощи ОИФЗ РАН в 1984 г. организованы наблюдения ЭМИ на частотах 5.0 и 9.6 кГц. Отмечены аномалии уровня поля за несколько часов перед местными землетрясениями (М = 3.3, Н = 10 км, R = 10 км), (Ралчовски, 1985).
В последние годы, развитые в России методы исследования ЭМИ нашли благодатную почву и интенсивно развиваются в районе Средиземноморья (Греция, Италия) (Eftaxias et al., Mauro et al., 2002),
Обнадеживающие результаты по наземным наблюдениям инициировали интерес к постановке аналогичных наблюдений на спутниках. Не имея возможности подробно останавливаться на этом, сошлемся на монографии (Гохберг, и др. 1988, Hayakawa 1994).
Природу аномального ЭМИ связывают с механоэлектрическими процессами в горных породах, с пробойными процессами при возникновении в процессе деформации сильных квазистатических электрических полей, с выносом радиоактивных эманации, приводящих к возникновению неоднородностей поля и проводимости в атмосфере и ионосфере, и, наконец, с изменениями условий распространения радиоизлучения в волноводе Земля-ионосфера. Единого мнения о механизме явления до сих пор нет. Следует отметить, что результаты ранних этапов исследования получены на частотах наилучшего распространения атмосфериков 10-14 кГц и выше, т.е. постановка экспериментальных исследований изначально противоречила основной идеи А.А. Воробьева о генерации ЭМИ подземными грозами и некоторое время базировалась на концепции изменения условий распространения сигнала в волноводе Земля-ионосфера.
Методические приемы выделения аномального ЭМИ на фоновых вариациях ЭМ поля атмосферы. ЭМИ и расчетная деформация
Отмечая, что в сложном колебательном процессе вблизи очага присутствуют частоты и на порядок выше указанных, можно сделать вывод о том, что скорости деформирования сильно различаются е[ »є п. Однако, как уже говорилось, всплеска ЭМИ в сейсмической волне ни в одной из публикаций отмечено не было.
Можно предположить, что при интегральной регистрации огибающей сигнала, кратковременный всплеск в момент прохождения волны не заметен. В поисках таких эффектов ранее проводились специальные исследования с регистрацией сигнала в «живом» виде на магнитную ленту с чувствительностью, значительно превышающую уровень чувствительности при регистрации предвестниковых эффектов. В этих экспериментах, проведенных в эпицентральной зоне сильного (Спитакского) землетрясения в период высокой афтершоковой активности не представляло труда произвести запись в моменты достаточно сильных и близких землетрясений и набрать необходимую статистику с чувствительностью измерений по магнитному полю не хуже 1.2 нТс (Моргунов, и др., 1990).
Этот результат может служить доказательством неупругой природы генерации ЭМИ в период предшествующий землетрясению и обратно «быстрые» деформации горных пород при прохождении сейсмической волны при скоростях деформирования на порядки превышающие скорости возможных деформаций в период подготовки землетрясения являются линейно упругими, в полном соответствии с определением очага по Б.В. Кострову (1975). При этом реакция среды на продолжительное нагружение горных пород во всей зоне подготовки, включая и поверхностные слои земной коры при начавшемся процессе пластического разрушения (крипа) в очаге готовящегося землетрясения в определенной степени испытывает вязкое течение, что в соответствии с эффектом А.В. Степанова и другими типами МЭП порождает электрические, электромагнитные эффекты,
Сказанное не противоречит открытым более 50 лет назад А.Г. Ивановым сейсмоэлектрическим эффектам 1-го и 2-го рода. Суть этих явлений заключается в том, что при прохождении сейсмической волны, во-первых, изменяется проводимость геологической среды, а, во-вторых, эта среда генерирует ЭМ поле. В любом случае Земля выступает как некий тензочувствительныи датчик, который в сейсмическом поле или изменяет свои параметры (сопротивление) или возбуждает различные типы МЭП. (Светов, 2001, Озерков и др. 1998).
Видимое противоречие вышесказанного объясняется достаточно просто. Все дело в уровне излучения. Сравнение интенсивности ЭМИ предвестника с отсутствием ЭМИ в момент прохождения сейсмической волны проводилось на уровне напряженности ЭМ полей, регистрируемых перед землетрясением. Это величины порядка десятков млВ/м по электрическому полю, измеренному в воздухе и единиц нТл по магнитной составляющей.
Напряженность же полей сейсмоэлектрических эффектов составляет намного порядков ниже. (Светов 2001). Более сложны оценки деформационного поля от таких естественных «помех», как осадки и атмосферное давление. В сейсмоактивных областях, подверженных значительным осадкам, например, снежный покров на Аляске или Памире, реакция на которые может быть сравнима или превышать приливные деформации. Рассмотрим, например, что дает снежный покров толщиной в 1 м. Для плотности снега, это эквивалентно, по крайней мере, 10 см воды. Сила тяжести от слоя воды будет: см сек сек см С другой стороны, напряжения ст, например, для волны М2, будут: cr = jus, где ц получим из формулы Vs= [—, полагая удельный вес ЧР _ _ Z тг , КМ , л-8 горных пород р «2.5—г- и скорость поперечных волн V «о , "«10 , см сек получим: сек см см сек Для низкочастотных гармоник эти значения на порядок ниже. Тем не менее, эти значения сопоставимы. Это не противоречит выводам, сделанным ранее, так как сезонный ход землетрясений известен. Однако, метеорологический фактор (осадки и атмосферное давление) труднее поддается анализу.
Основные гармоники приливай сейсмичность Земли
Изучение процесса подготовки тектонического землетрясения базируется на положении о развивающемся неупругом деформационном процессе в фокальной зоне и, как следствие, в зоне подготовки. Наиболее динамичная стадия этого процесса наступает в период, непосредственно предшествующий сейсмическому событию. Основным препятствием в решении этих задач является недостаточная изученность механических свойств самой среды в процессе неупругого деформирования.
В идеализированной сферической упругой модели вертикальное смещение точки на поверхности Земли под действием приливных сил может достигать 0.5 м в размахе. В реальной крайне неоднородной и иерархично расчлененной земной коре (Садовский и др., 1987) смещения горных масс способны вызывать значительные деформации. Тем самым, приливные силы способны оказать заметное влияние на процесс подготовки землетрясения, что и позволяет рассматривать вопрос о триггерном эффекте, или спусковом механизме разрушения.
Проблема воздействия приливных сил на земную кору предмет монографии Ю.Н. Авсюка (1996), которая свидетельствует: «Подвижку блоков с приливной периодичностью можно считать установленным фактом. Точным нивелированием, в частности, установлено наличие колебаний блоков земной коры порядка 10"6 с периодом равным половине лунного месяца. Важным вопросом, по которому до настоящего времени нет общего мнения, является вопрос о фазовом запаздывании приливных деформаций по отношению к вызывающей силе. Если сила меняется во времени, то и величина деформации тела будет изменяться во времени с периодичностью изменения силы. Но изменения деформации будут несинхронны с изменением силы. Деформирование несколько запаздывает по отношению к силе, а величина запаздывания зависит от добротности материала. По гравиметрическим и наклономерным наблюдениям создается впечатление, что фазовое запаздывание деформации Земли от внешнего воздействия незначительно. Частота землетрясений повышается к сизигиям, их частота увеличивается, если в это же время Луна близка к перигею, землетрясения происходят гораздо чаще в моменты прохождения Луной местного меридиана, чем на ее восходе и на заходе» (Авсюк, 1996).
Поиск возможной зависимости сейсмичности от приливных сил проведем на примере вертикального компонента смещения и деформации, как наиболее часто рассматриваемого элемента приливного воздействия на сейсмоактивный слой. Теоретически, в рамках упругой модели Вара (Wahr, 1981), вертикальное смещение пропорционально вертикальной деформации.
Поиски статистических связей землетрясений с приливными эффектами начались примерно с 30-х годов, когда стали доступны более надежные сейсмометрические данные по отдельным регионам. С самого начала этим исследованиям сопутствовала неопределенность в результатах и выводах. Ряд авторов находили такие связи статистически значимыми (Allen, 1936; Tamrazyan, 1968; Heaton, 1975 и др.). Но многие авторы (Knopoff, 1964, Willis, et. all, 1974) приходили к прямо противоположным заключениям об отсутствии связи землетрясений с приливными эффектами. Значительная доля неопределенности сохраняется и до настоящего времени (Vidal et al., 1998), что свидетельствует о сложности проблемы и многофакторности явления. По той же причине нерезультативны попытки связать сейсмическую активность с изменениями земно-приливных параметров, как показано (Латынина, Боярский, 1999), они подвержены сезонным изменениям и по иным причинам. При известной противоречивости результатов сейсмо-приливных исследований на Земле обращают на себя внимание работы по изучению сейсмичности Луны. Отсутствие атмосферы и гидросферы на Луне создает условия, наиболее благоприятные для анализа приливных воздействий в отсутствие шумового фона. Детальный анализ сейсмичности Луны по данным эксперимента Аполлон проведен Ю.Н. Авсюком (1983, 1996), который сообщает, что чередующаяся активность очаговых зон лунных полушарий управляется приливной силой, создающей то области локальных растяжений, то области локальных сжатий. Когда приливные силы вызывают растяжение, область сейсмически активна, а при сжатии пассивна.
Алгоритмы, реализованные в аналого-цифровом контроллере
Каждый раз при постановке задачи по формированию комплекта программного обеспечения, разработчик стоит перед выбором: использовать стандартное программное обеспечение (ПО), или разрабатывать специальное.
В настоящее время существует большое количество стандартных программ, способных выполнять функции связи с аппаратурой, получение данных, организации хранилища данных, графического отображения, архивации, вычисление статистических параметров и т.д. Но при всех их достоинствах, готовые решения не всегда могут удовлетворить исследователя, прежде всего из-за того, что стандартные программы являются дорогостоящими продуктами, предназначенными для коммерческого использования. Немаловажен вопрос о лицензировании. Существующие системы защиты от копирования достаточно дороги и, тем не менее, не позволяют в полной мере защитить программный продукт от незаконного воспроизведения, поскольку имеют стандартные механизмы проверки подлинности носителя. Конечно, не имеет смысла писать заново операционную систему компьютера, но имеет смысл разработать отдельные программы, которые будут выполнять основные функции по настройке, приему и отображению данных, позволять передать полученные данные в математические пакеты для обработки, и не будут позволять пользователю производить нелегальную установку на другие компьютеры без согласия разработчика. При этом в отличие от универсальных пакетов, которые написаны «на все случаи жизни», собственное ПО будет обладать компактностью, простотой использования, легкостью настройки, скоростью работы. Выбор базы дааных (БД) для комплекса.
Основой любой системы сбора данных является хранилище данных, позволяющее сохранять принятые данные, организовывать выборку, запрошенных пользователем данных для графического отображения или вывода на внешний носитель.
Как известно, одним из основных параметров при выборе БД является время, необходимое для разработки пользовательского ПО.
Технология, используемая ранее в виде специальных надстроек над операционной системой, называемых файловыми системами, устарела. Разработка файловой системы, реализующей интерфейс для записи, чтения, поиска необходимых данных в файлах занимает значительное время. Стоимость такой разработки, соответственно, тоже высокая. В результате изменения структуры данных, например, для введения регистрации нового геофизического параметра, систему необходимо разрабатывать заново. Поэтому целесообразно использовать для хранения данных систему управления базами данных (СУБД) - современную стандартизированную технологию организации хранилища данных. СУБД обладает огромным количеством преимуществ. Такая система обладает специализированным языком запросов SQL (structured query language), который стандартизирован и незначительно отличается у различных фирм-производителей, в зависимости от конкретной реализации. Код, ответственный за хранение и поиск данных оптимизирован, поэтому, при правильной организации структуры базы данных и запросов к ней не должно возникать ситуаций, приводящих к нехватке вычислительных ресурсов. Любая СУБД имеет так называемый комплект разработчика, включающий все библиотеки и модули для организации взаимодействия программы пользователя с базой данных. При помощи команд языка SQL можно производить добавление, модификацию, удаление данных, регулярное обслуживание СУБД, изменение структуры БД, не останавливая работу системы. Одним из преимуществ является то, что связь клиентской и серверной частей СУБД, как правило, реализовано через протокол ТСРЯР, что при наличии доступа в Интернет на пункте геофизических наблюдений, позволяет передавать данные в режиме реального времени в центр обработки для анализа, а также позволяет организовать круглосуточный мониторинг системы сбора данных из центра без участия оператора на станции. Таким образом, современная СУБД является наиболее удобным и оптимальным решением для организации хранения данных.
