Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция сейсмических структур 10
1.1. Геодинамическая обстановка и сейсмичность Прибайкалья 10
1.2. Определения сейсмических структур 15
1.3. Ранги сейсмических структур 17
1.4. Модели сейсмических структур 20
2. Выделение сейсмических структур 23
2.1. Критерии выделения 23
2.2. Методики выделения 27
2.3. Выделенные сейсмические структуры 32
2.4. Соотношение сейсмических и тектонических структур 41
3. Структура информационно-программной среды 44
3.1. Программное обеспечение 44
3.2. Базы данных 49
3.2.1. Базы исходных данных 49
3.2.2. Базы данных промежуточных результатов 55
3.2.3. База данных конечных результатов ..58
3.3. Информационный поток 60
4. Статистический анализ динамики сейсмических структур 62
4.1. Исследование сейсмического режима сейсмических структур 62
4.2. Исследование периодичностей в сейсмическом режиме 64
4.2.1. Методика спектрально-временного анализа (СВАН) 64
4.2.2. Результаты СВАН 66
4.2.3. Выводы 79
4.3. Корреляционный анализ режима сейсмических структур 80
4.3.1. Методики корреляционного анализа 80
4.3.2. Результаты корреляционного анализа 82
4.3.3. Выводы 95
4.4. Анализ трехмерных пространственно-временных диаграмм (ТПВД) 96
4.4.1. Методика построения и анализа ТПВД 97
4.4.2. Медленные миграции землетрясений БРС 101
4.4.3. Выводы 123
Заключение 125
Литература 128
Интернет-ресурсы 138
Приложение 139
- Определения сейсмических структур
- Соотношение сейсмических и тектонических структур
- Базы данных промежуточных результатов
- Исследование периодичностей в сейсмическом режиме
Введение к работе
Актуальность темы
Изучение истории развития сейсмичности за период инструментальных наблюдений является важной составляющей средне- и долгосрочного прогноза землетрясений и относится к статистическим методам поиска их предвестников.
Диссертационная работа посвящена изучению динамики сейсмоактивных объемов литосферы Байкальской рифтовой системы – сейсмических структур. Анализ динамики подразумевает исследование хода развития сейсмичности во времени и пространстве, инициируемой воздействием на литосферу комплекса эндогенных и экзогенных факторов, а также выявление закономерностей взаимовлияния сейсмических структур, множество которых рассматривается как сейсмогеодинамическая система взаимосвязанных структурных единиц Байкальского рифта.
Область литосферы, к которой приурочена основная масса землетрясений, получила различные наименования: «сейсмофокальная зона» [Тараканов, 1952], «фокальный слой» [Токарев, 1970], «сейсмоактивный слой» [Шебалин, 1971], «гипоцентральная зона» [Нерсесов и др. 1974], «очаговая зона» [Онофраш, 1974] «сейсмоактивный объем» [Гусев, Шумилина, 1976], «очаговый слой» [Крылов и др, 1981]. Термин «сейсмическая структура» предложил в 1987 году К.Г. Леви: «геометризованный объем литосферы, включающий в себя очаги сильных землетрясений» [Леви, 1987]. Также, в 1987 году, Н.В. Шебалин назвал такие объемы «собственными структурами сейсмичности» [Шебалин и др., 1987]. В данной работе предложены методы выделения проекций сейсмических структур Байкальской рифтовой системы (БРС) на основе геоинформационного анализа эпицентрального поля.
Закономерности пространственно-временной взаимосвязи сейсмоактивных объемов являются важной информацией о сейсмическом процессе, использование которой позволит реконструировать его в дальнейшем. В работе представлены результаты исследования периодичности, стационарности, синхронизации, межструктурных фазовых смещений временного хода сейсмического процесса и медленных «миграций» землетрясений разной силы в пределах сейсмических структур определенного масштабного уровня. Рассмотрены возможные причины парагенетической и генетической связи сейсмических структур, а также факторы, возможно инициирующие землетрясения.
За период 1964 – 2002 гг. накоплено достаточно макросейсмических данных для проведения качественного статистического анализа, однако, эффективное использование информации о землетрясениях и результатов различных видов пространственно-временного анализа эпицентрального поля, возможно только при использовании геоинформационных технологий. Актуальность данной работы определена использованием системного подхода к изучению сейсмичности, реализованного с помощью современных ГИС, включающих программное обеспечение, геоданные, сервис и аппаратное обеспечение, что позволяет наглядно анализировать большой объем информации в комплексе, применяя математико-статистический аппарат.
Возможности современных открытых программных средств ГИС были использованы для организации быстрого доступа одновременно к разным базам данных о землетрясениях и различных способов визуализации сейсмологической информации. ГИС позволили получить и интегрировать различные данные о динамике сейсмических структур, которые возможно использовать для поиска путей прогноза течения сейсмического процесса.
Цель данной работы – охарактеризовать динамику Байкальской рифтовой системы на основе выявленных пространственно-временных закономерностей функционирования сейсмических структур.
Задачи исследования
-
Организация методического подхода к выделению проекций сейсмических структур на земную поверхность;
-
Сбор, систематизация и интегрирование геоданных различных баз данных;
-
Организация быстрого доступа к атрибутивным данным по сейсмическим структурам и формирование выборок временных рядов для дальнейшего статистического анализа параметров эпицентрального поля: число событий (N) и суммарной выделившейся при землетрясениях энергии для каждой сейсмической структуры (lgEsum);
-
Расчет параметров сейсмического режима: тангенса угла наклона графика повторяемости g и сейсмической активности А10;
-
Выявление периодичности и изучение стационарности сейсмического процесса сейсмоактивных структур на основе результатов спектрально-временного анализа временных рядов N и lgEsum;
-
Определение закономерностей взаимосвязи сейсмических структур с использованием различных методик корреляционного анализа временных рядов N: выявление эпизодов синхронизации сейсмического процесса сейсмоактивных структур и установление закономерностей очередности сейсмической активизации различных структур;
-
Выявление миграции землетрясений и определение их особенностей в пределах сейсмоструктур и между ними на основе результатов анализа трехмерных пространственно-временных диаграмм параметра lgEsum.
Программное обеспечение и фактический материал
Для проведения всех видов анализа, в том числе и для выделения сейсмоактивных структур, была разработана единая информационно-программная среда, включающая: ГИС-пакеты: Quantum GIS, GRASS GIS, ГИС 1С; интерфейсы: OLE Automation, ADO DB; сервер баз данных: PostgreSQL с расширением PostGIS; дополнительные программы: Microsoft office Excel, TIME SERIES PROCESSING, MathGL. Исходные векторные данные: каталог землетрясений по данным БФ ГС СО РАН за период 1960 – 2009 гг.; электронная версия каталога [Петров, Мострюков, 1994]; глобальный CMT – каталог; гидросеть масштаба 1:1000000 по данным National Geospatial Intelligence Agency; карта активных разломов Прибайкалья и Забайкалья по данным [Леви и др., 1996]; карта неотектоники северо-восточного сектора Азии [Леви, 2008]. Исходные растровые данные: цифровая модель высот масштаба 1: 100000 по данным дистанционного зондирования Земли NASA.
Новизна результатов
Детальный анализ эпицентрального поля землетрясений на основе концепции сейсмических структур проведен впервые. В процессе выполнения работы предложены новые методики обработки данных об эпицентральном поле и получены результаты, обладающие научной новизной:
-
Предложен методический подход к выделению сейсмических структур различных рангов и моделей на земную поверхность;
-
Выявлены доминирующие периодические составляющие сейсмического процесса сейсмоактивных структур четвертого ранга, в том числе, квазистационарные, характеризующие цикличность сейсмической активизации;
-
Установлены характерные периоды синхронизации и очередности активизации сейсмического процесса сейсмических структур четвертого ранга, выражающиеся в увеличении скорости сейсмического потока;
-
Предложен метод построения трехмерных пространственно-временных диаграмм параметра lgEsum для выявления миграций сейсмической активности и определения особенностей миграции;
-
В Байкальской рифтовой системе выявлены миграции сейсмической активности и определены их скорости.
Практическая значимость
Дедуктивный подход к рассмотрению эпицентрального поля землетрясений Прибайкалья позволил выявить и количественно оценить закономерности протекания сейсмического процесса отдельных сейсмоактивных областей различного сейсмического режима, расположенных вблизи социально-значимых территорий. Выделенные в различных частях БРС квазистационарные гармонические компоненты временных рядов различных параметров эпицентрального поля, а также периоды синхронизации сейсмического процесса, характеризуют его динамическую устойчивость. Эта информация является дополнением к фундаментальным представлениям о динамике сейсмического процесса, а также может быть использована для более эффективной реконструкции сейсмичности.
Метод выявления миграций и измерения их скоростей может применяться не только для территории Прибайкалья, но и других территорий, так как учет направления и скорости смещения сейсмической активности, позволит, в ряде случаев, определить вероятное место и время последующего землетрясения.
Полученный автором цифровой материал может служить базой данных для интерпретаций в геоинформационных исследованиях, картографировании и геомоделировании.
Защищаемые положения
-
Эпицентральное поле землетрясений Прибайкалья представлено сейсмическими структурами, ранжированными на основе разработанной геоинформационной технологии.
-
Геоинформационный подход к статистической обработке параметров эпицентрального поля позволяет установить спектральный состав сейсмического процесса отдельных сейсмических структур Байкальской рифтовой системы, который характеризуется присутствием гармоник: 0,7 – 2, 3,7 – 5,3, 6 и 7,5 лет, а также квазистационарных спектральных компонент: 9,5, 10,9, 12,9 лет (погрешность 0,3 года).
-
Динамике сейсмоактивных структур БРС, как соседних, так и удаленных друг от друга, свойственна квазипериодическая (от 7 до 11 лет) синхронизация сейсмического процесса. Временное смещение до четырех лет характерно активизации соседних сейсмических структур.
-
Реализация методики проецирования сейсмических данных и пространственно-временной развертки сейсмического процесса позволила зафиксировать в Байкальской рифтовой системе медленные миграции сейсмической активности, проходящие вдоль осей сгущения очагов землетрясений ряда сейсмических структур четвертого ранга. Скорости миграций на флангах Байкальского рифта принимают значения в диапазоне от 10 до 20 км/год, а в центральной его части в 2 – 3 раза больше.
Личный вклад автора по подбору и разработке методик, проведению всех видов анализа, интерпретации и интегрированию результатов, является доминирующим.
Разработка критериев выделения сейсмических структур с учетом пространственно-временной структуры распределения сейсмических событий;
Работа с базами данных;
Выделение сейсмических структур;
Выбор методик статистического анализа и проведение всех расчетов, результаты которых представлены в данной работе;
Разработка метода проецирования параметра lgEsum для построения трехмерных пространственно-временных диаграмм;
Интеграция и визуализация результатов;
Интерпретация, обобщение результатов, выводы.
Апробация работы
-
Представленные в диссертации научные и практические результаты докладывались на научных конференциях:: «Строение литосферы и геодинамика», ИЗК СО РАН, г. Иркутск, 2007 г.; «Conference commemorating the 50th anniversary of the 1957 Gobi-Altay earthquake», Институт астрономии и геофизики, Ulaanbaatar, Mongolia, 2007 г.; «Современные проблемы геофизики. Девятая Уральская молодежная школа по геофизике», Екатеринбург: УрО РАН, 2008 г.; «Строение литосферы и геодинамика», ИЗК СО РАН, г. Иркутск, 2009 г.; Всероссийская научно-техническая конференция ИрГТУ, Иркутск, 2009 г.; Всероссийского совещания: «Разломообразование и сейсмичность в литосфере: тектонофизические концепции и следствия», г. Иркутск, 18 – 21 августа 2009 г. ИЗК СО РАН.
-
На научных семинарах и секциях в Институте Земной коры СО РАН, Иркутск, 2009 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано четыре статьи и шесть тезисов. Две из статей – в журналах перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав (от трех до пяти подглав в каждой) и заключения общим объёмом 149 страниц, 68 рисунков, 16 таблиц, 3 приложений.
Благодарности
За постановку темы и руководство исследованиями автор благодарен своему научному руководителю, зам. директора по науке ИЗК СО РАН д.г.-м.н., профессору К.Г. Леви; за ценные идеи и постоянную поддержку – заведующему лабораторией современной геодинамики ИЗК СО РАН, к.г.-м.н. В.А. Санькову; за поддержку, советы и сделанные комментарии – заведующему кафедрой прикладной геофизики и геоинформатики ИрГТУ д.г.-м.н., профессору А.Г. Дмитриеву; заведующему кафедрой информатики ИрГТУ д.г.-м.н., профессору В.В. Ломтадзе; д.ф.-м.н. профессору А.Ю. Давыденко; д.г.-м.н., профессору С.И. Шерману, д.г.-м.н., профессору Р.М. Семенову, к.г.-м.н. Я.Б. Радзиминович; за помощь в работе над созданием информационной системы – программисту К.Л. Петухову.
Определения сейсмических структур
В данной работе Байкальских рифт рассматривается как система -множество взаимодействующих сейсмических структур, которые отчетливо выделяются в эпицентр альном поле как локализованные концентрации эпицентров, относительно стабильные в пространстве на протяжении инструментального периода 1964 - 2002 гг. Под «сейсмическими структурами» [Леви, Задонина, 2003] или «собственными структурами сейсмоактивной среды» [Шебалин и др., 1987] понимаются геометризованные объемы тектоносферы, включающие в себя очаги известных, в результате инструментальных наблюдений, сильных землетрясений. В работе В.А. Санькова с соавторами [Саньков и др., 1991] сейсмические структуры определяются как «объемные, развивающиеся во времени геологические тела, в которых происходят образования разрывов и быстрые смещения по ним, фиксируемые в виде землетрясений. Сейсмические структуры отражают напряженно-деформированное состояние и современные процессы разломообразования в земной коре». В работе [Саньков и др., 1991] представлена трехмерная модель сейсмической структуры Муйско-Чарского геодинамического полигона, построенная с использованием данных о глубине гипоцентров сейсмических событий (рис. 1.2). К сожалению, сеть сейсмических станций, используемая для регистрации землетрясений на территории БРС с 1958 года по сегодняшний день, не позволяет получить точных данных о глубине очага. Поэтому для большинства сейсмических структур построить точную трехмерную модель, с использованием данных о глубине гипоцентров, за указанный инструментальный период, невозможно. Для получения облика деформируемого объема давно используются данные сейсмической томографии [Уломов, 1974]. Родственными по отношению к концепции сейсмических структур являются понятия «сейсмоактивных зон», на территории БРС детально изученные СИ. Шерманом [2005а] как результат функционирования ансамбля равноранговых сейсмоактивных разломов, в областях динамического влияния которых происходят конкретные сейсмические события. Область динамического влияния разломов - часть окружающего разлом(ы) во всех трех измерениях пространства, на котором проявляются следы остаточных и упругих деформаций, вызванных формированием разлома и подвижками по нему [Шерман, 20056]. Эта деформируемая область и является сейсмической структурой. Магнитуда землетрясения М, зависит от объема этой деформируемой области [Леви, и др., 2003]. Для представления данных о землетрясениях в геоинформационной системе, геоданные были формализованы на основе классификации сейсмических структур. В соответствии с классификацией, предложенной К.Г. Леви [1991], сейсмические структуры ранжируются по своим размерам и конфигурации на шесть рангов.
Первый ранг. Сейсмической структурой первого ранга является глобально распределенный сейсмоактивный слой, представляющий собой часть повсеместно распространенной сейсмоактивной оболочки Земли, независимо от типа литосферы хрупко разрушающуюся часть упругого (сейсмогенериующего) слоя литосферы. Толщина сейсмоактивной части сейсмогенерирующего слоя меняется в различных его частях, но обычно не превышает толщины упругого слоя литосферы. Последняя величина более или менее лимитирована и в среднем составляет 0,4-0,5 толщины термальной литосферы. Второй ранг. Ввиду неравномерности распределения очагов сильных землетрясений в сейсмоактивном слое, внутри него можно выделить сейсмоактивные структуры второго ранга. К ним относятся сейсмические пояса, где сейсмичность носит сосредоточенный характер, сейсмически пассивные кратоны и новейшие платформы, для которых характерны области рассеянной (рассредоточенной сейсмичности). Границы этих структур в слое принимаются субвертикальными, но ігх конкретное пространственное положение должно и может быть уточнено на основе анализа конкретной тектонической структуры, изученной современными геолого-геофизическими методами. Сейсмические пояса — это объемные структурные элементы сейсмоактивного слоя. Их ширина несколько больше толщины сейсмоактивного слоя (не более, чем в 3 раза), а протяженность оценивается десятками тысяч километров. Толщина сейсмоактивного слоя в сейсмоактивных поясах максимальна и иногда приближается к толщине упругого слоя литосферы. В кайнозойской тектонической структуре литосферы сейсмические пояса тяготеют к наиболее подвижным тектоническим поясам Земли - рифтовым зонам, зонам субдукции и торошения литосфсрных плит. Рассматриваемая в данной работе Байкальская рифтовая система (БРС) как основная сейсмоактивная часть Монголо-Байкальского подвижного пояса является частью сейсмической структуры второго ранга. Области платформенной рассеянной сейсмичности в работе не рассматриваются. Третий ранг. В структуру сейсмического пояса вложены сейсмические структуры третьего ранга как органически связанные более мелкие элементы его внутреннего строения. Протяженность этих структурных элементов от 300 до 400 километров. Четвертый ранг. Сейсмическими структурами четвертого ранга являются узкие (первые десятки километров) и протяженные (первые сотни километров) структурные элементы системы, маркирующиеся в плане полосами сгущения эпицентров, в работе именуемые «сейсмические зоны». Именно в этих зонах наблюдается, хотя и временно, но резкое утолщение сейсмоактивного слоя, здесь чаще, чем где-либо, формируются очаги наиболее сильных землетрясений, поэтому изучешпо именно этих сейсмичесіагх структур уделено большее внимание в данной работе. Сейсмические зоны не являются характерным структурным элементом областей рассеянной (рассредоточенной) сейсмичности во внутриплитных пространствах. В данной работе, применительно к сейсмическим структурам четвертого ранга, наименование «зоны» не используется, т. к. задействовано в других определениях.
Соотношение сейсмических и тектонических структур
Пространственное соотношение сейсмических структур с геолого-морфологическими особенностями территории Прибайкалья приведено в приложении 1. В основном, сейсмоактивные структуры приурочены ко впадинам Байкалького рифта, но нередко концентрации эпицентров перекрывают горные поднятия, полностью или частично. Одна зона сейсмической структуры четвертого ранга может затрагивать как область впадин, так и горных поднятий. Сейсмические структуры данного ранга тяготеют в тектонической структуре литосферы к наиболее крупным глубинным разломам или системам подобных разломов, нередко являющихся составными частями межплитных границ [Леви, 1991]. Размеры сейсмических узлов, или сейсмическиех структур пятого ранга не превышают ста километров, что говорит об их приуроченности к внутренним разломам. Жизнь этих разломов отражает характер тектонических процессов, протекающих внутри рифтовой зоны и захватьшающих лишь верхнюю часть коры данного региона [Лобацкая, 1987]. При сопоставлении линий активных разломов с контурами сейсмических структур на карте можно убедиться в неоднозначности их взаимосвязи и взаимообусловленности на поверхности (рис. 2.12, рис. 2.13), что может быть связано с различными наклонами плоскостей некоторых разломов с глубиной. По мнению Санькова [1991] проявляется эффект отставания в развитии поверхностной разломно-блоковой структуры от сейсмической. Причиной такого несовпадения, полного или частичного, авторы указанной работы считают прерывисто-непрерывное развитие зон разломов во времени. Дискретность является основным свойством динамики разломообразования. Этот вывод, сделанный СИ. Шерманом [1986] на основе экспериментальных данных, находит подтверждение в природной обстановке. Развитие отдельных разрывов в зоне неравномерно во времени. Активные в течении кайнозоя, и даже в четвертичное время, они могут не находить отражения в сейсмичности. Сейсмический процесс за время инструментальных наблюдений не является стационарным, и сейсмоактивные объемы в коре меняют свое положение во времени, как это показано В.Ю. Буддо [Шерман и др., 1985; Буддо, Бабичев, 1978]. На рисунке 3.1 представлена инфраструктура информационно-программной среды, обусловленная разнообразием задач, решаемых при анализе эпицентрального поля Байкальской рифтовой системы. Первоочередной из таких задач является выделение контуров сейсмических структур. Затем следует формирование выборок временных рядов, проведение, по сформированным выборкам, комплексного статистического анализа. Далее результаты интерпретируются и визуализируются.
При этом вполне оправдано создание единой информационно-программной среды, включающей в себя ГИС-системы с различными функциональными характеристиками и средства их «стыковки», предназначенные для организации взаимодоступности данных. Это связано с тем, что при решении широкого круга задач обработки, представления и интеграции массовых данных о землетрясениях, необходимо использовать множество программных средств, каждое из которых отвечает требованиям для решения конкретных задач.
В истории геоинформатики существует множество примеров попыток интегрировать все известные возможности работы с геоданными в одном закрытом программном продукте, что приводит к его удорожанию, снижению популярности, соответственно качества [Ломтадзе, 1993]. Такие программные продукты имеют место быть, но зачастую не оправдывают затраченных средств. Подход, используемый в данной работе, с точки зрения автора, гораздо более целесообразен.
Алгоритмы формирования выборок данных по землетрясениям, а также различных видов статистического анализа временных рядов, реализованы в среде 1С Предприятие 8.1, - системе, позволяющей создавать сложные запросы к базам данных и работу аналитических алгоритмов со сложной математической основой (рис.3.2). Данная среда включает векторную ГИС, поддерживающую формат ESRI Shapefile. Но функционал работы с картографической информацией ГИС 1С ограничен: нет инструментов редактирования векторной информации и отображения растровой информации. Поэтому, для интегрирования различных видов картографической информации с результатами статистического анализа, а также для создания и редактирования векторных слоев, была использована бесплатная ГИС с открытым исходным кодом -«GANYMED» Quantum GIS [http://www.qgis.org/], используемая в комплексе с другой бесплатной ГИС GRASS GIS [http://grass.itc.it] «GANYMED» Quantum GIS, - разработка сообщества разработчиков «The QGIS development team», и GRASS GIS (рис.3.3), разработанная «GRASS development team», являются независимыми инструментальными ГИС, но GRASS GIS также может использоваться в Quantum GIS как расширение, предоставляющее набор разнообразных инструментов по работе с растровыми и векторными данными. Quantum GIS, при этом, - удобное средство отображения картографической информации. Обе ГИС способны работать под операционными системами Windows, Linux, Mac OS X, FreeBSD. Данный проект реализован в ОС Windows.
Взаимообмен данными между ГИС 1С Quantum GIS был реализован с помощью внешних интерфейсов через OLE Automation, поддерживаемый системой 1С: Предприятие. Используя OLE Automation и интерфейс ADO DB возможно организовать взаимодействие с внешними СУБД, такими как PostgreSQL [http://www.postgresql.org] и его расширением PostGIS bttp://www.postgis.org/]), являющимися системами с открытым исходным кодом. Эта возможность была использована для выгрузки данных из системы 1С: Предприятие на сервер PostGIS для последующего использования в Quantum GIS, т. к. Quantum GIS может отображать данные базы непосредственно из PostGIS. Такая связка программ (см. рис. 3.1) была использована для выделения контуров сейсмических структур по методике, рассмотренной далее. Выборки данных представляют собой временные последовательности параметров: «количество землетрясений» (N) и «логарифм суммы выделившейся энергии» (lgEsum).
В ГИС 1С (см. рис. 3.2) также была организована выгрузка временных рядов для дальнейшего анализа периодичности в программе TIME SERIES PROCESSING (см. рис. 3.1), являющейся разработкой ИФЗ РАН. Используемый программный комплекс позволяет формировать временные ряды указанных параметров эпицентрального поля за любой период, с любым временным разрешением и энергетическим диапазоном
Корреляционный анализ временных рядов реализован в программе !С с последующей выгрузкой результатов статистического анализа временных рядов напрямую в Microsoft office Excel для дальнейшей неавтоматизированной интерпретации (см. рис. 3.1).
Проецирование сейсмических данных для построения трехмерных пространственно-временных диаграмм с целью выявления миграций, также организовано в ГИС 1С с последующей выгрузкой этих данных в программу построения графиков MathJL (см. рис. 3.1).
Базы данных промежуточных результатов
Для выделения сейсмических структур первой модели необходимо учитывать площадь очага землетрясений, а также размер афтершоковой области с обязательной визуализацией полигонов таких областей на карте. Для этого рассчитывается их геометрия и записывается в поле «geom» таблицы earthquakes_circle (таб. 3.4), представляющее собой бинарный массив координат точек вершин полигона (круга или овала). В поле «тип круга» указывается код тип полигона: 1 - полигон эпицентра, 2 - круг радиусом d/2, 3 — круг радиусом d, 4 - круг с площадью афтершоковой области. Вычисление геометрии этих полигонов подробно рассмотрено в предыдущей главе.
К данным промежуточных результатов также относятся данные о ячейках (сотах), служащих также для выделения сейсмических структур с дальнейшим формированием выборок для анализа. Таблица «cells», в которой хранятся данные о сотах, существует только в PostGIS. В 1С Предприятие 8.1 существует только виртуальная версия этой таблице (данные в ней не хранятся). Геометрия и атрибуты шестиугольных ячеек сведены в таблицу 3.5. Для выделения сейсмических структур был рассчитан градиент логарифма параметра эпицентрального поля - N. Описание полей таблицы градиента «gradient» приведено в таблице 3.6.
Геометрия выделенных сейсмических структур, а также некоторые результаты статистического анализа, которые можно представить как атрибуты сейсмических структур сведены в таблицу «regions». Таким образом, полигон сейсмической структуры можно отобразить на карте цветом в зависимости от значения того или иного атрибута. Например, в зависимости от значения спектральной плотности (см. таб. 3.7) какого-либо параметра.
Таблица «regions», так же как и таблица «cells», существует только в PostGIS. В 1С существует только виртуальная версия этой таблицы. Для связи таблицы «regions» реализации PostGIS с виртуальным аналогом БД 1С, в таблицу добавлено поле: «code» в качестве ключеого для виртуального варианта.
В PostGIS существует формат поля «geom», который может хранить информацию о геометрии объекта: точечного, линейного или полигонального. В СУБД БД 1С такой формат не предусмотрен, но есть возможность задавать список координат многоточечных объектов подтаблицей (см. таб. 3.7). За построением статистических карт следует визуальный анализ изображения с определением координат краевых точек контуров сейсмических структур.
Алгоритм построения ячеистых карт реализован в системе ГИС 1С. Но контуры сейсмических структур быстрее задавать вручную, сопоставляя их с рельефом, а ГИС 1С не позволяет ни того, ни другого. Для того, чтобы оконтурить сейсмические структуры, сначала карта ячеек через интерфейсы OLE Automation и ADO DB с помощью SQL-запросов выгружаются в POST GIS, где хранятся и откуда выводятся в систему Quantum GIS. В Quantum GIS легко создать и отредактировать контуры полигонов сейсмических структур, обрисовав концентрации сот, характеризующихся повышенными значениями суммарного N и примыкающие или близкорасположенные к ним соты с меньшими значениями используемого параметра, принадлежность которых к той или иной концентрации определяется по направлению векторов градиента, рассчитанных в узлах сот.
После создания и редактирования контуров выделенных участков сейсмических структур, с помощью той же связки программ, векторный слой в виде таблицы, содержащей информацию о геометрии созданных контуров, снова загружается в ГИС 1С, где, путем объединения данных сот, которые визуально были отнесены к одной сейсмической структуре, реализуется формирование выборок по выделенным участкам и дальнейший анализ этих выборок (основная аналитическая часть). Выборки данных используемых параметров формируются с учетом методики каждого вида проводимого статистического анализа.
Аналитическая часть системы полностью отвечает за расчет параметров сейсмического режима: Аю и у, корреляционный анализ, формирование выборок и предварительную подготовку временных рядов для спектрального анализа, а также за построение областей проецирования сейсмических данных для построение трехмерных пространственно-временных диаграмм (см. главу 3.1).
Новые данные о сейсмических структурах постоянно пополняют матрицу признаков, представленную в виде таблицы в таблице POST GIS «regions». Таким образом на карте в Quantum GIS сейсмические структуры отображаются с любой комбинацией их характеристик. Сильные сейсмические события проявляются закономерно, и их возникновению способствуют вполне конкретные причины, при этом, может, и не всегда одни и те же [Леви, 1991]. Причинно-следственную связь возможно установить, используя различные виды статистического анализа. Закономерности течения сейсмического процесса можно выявить, анализируя известные параметры эпицентрального поля землетрясений: N и lgEsum
Под сейсмическим режимом какой-либо области подразумевается совокупность землетрясений, обычно рассматриваемая в пяти измерениях: координаты x,y,z, время t и энергия Е [Ризниченко, 1958; Ризниченко, 1964; Голенецкий и др., 1973; Уломов, 1974; Голенецкий др., 1985, Гзовский и др. 1974; Виноградов, Пономарев, 1999].
Задача изучения сейсмического режима сводится к изучению характера распределения землетрясений в пространстве и во времени. Это можно сделать либо путем непосредственного рассмотрения самих дискретных точек (х, у, z, t, Е) в пятимерном пространстве или в его частях, прилегающих к некоторым сечениям, либо через посредство известных вспомогательных функций этих аргументов. Последнее позволяет получить общее представление о сейсмическом режиме. Эти функции Ю.В. Ризниченко [1958] называет характеристиками сейсмического режима в целом или же отдельных его сторон. Самой общей из них является плотность распределения эпицентров. С ней связано понятие повторяемости землетрясений - зависимости частоты возникновения землетрясений от их энергии (магнитуды). Наклон графика выражает соотношением между числом сильных и слабых сейсмических событий, или (уже в физической интерпретации) соотношение между числом больших и малых разрывов геологической среды.
Исследование периодичностей в сейсмическом режиме
Другим аспектом изучения сейсмического процесса является выявление пространственно-временных связей между различными сейсмическими структурами. Такая связь может быть определена по кривым взаимной корреляции (ВК) временных рядов. Она может быть прямой, отражающей геодинамическое взаимодействие сейсмических структур, а может быть косвенной или парагенетической. В первом случае может наблюдаться смещение максимумов корреляции во времени, во втором случае, если корреляция наблюдается без временного смещения, сейсмические события близки по времени и могут быть вызваны влиянием какого-либо внешнего или внутреннего триггерного фактора, либо суперпозицией таких факторов. Вероятностное распределения параметра N во времени является степенным [Нерсесов, 1974], так называемым, распределением с тяжелым хвостом. Это требует использования непараметрических статистик, которыми являются коэффициенты ранговой корреляции Спирмена и Кэндела. В данном корреляционном анализе была рассчитана корреляция Спирмена: Для коэффициентов корреляции была рассчитана значимость. Значимым коэффициентом корреляции является тот, для которого тестовая статистика отличия от нуля больше табличного значения критической точки коэффициента Стьюдента t (при доверительном уровне значимости а = 0,05) [Гмурман, 1975]. Применение коэффициента Стьюдента для ненормальных распределений является правомерным в случае расчета непараметрической тестовой статистики по формуле [Гмурман, 1975]: где г —текущий коэффициент ранговой корреляции, п —количество значений в выборке, tK-p(a, к) - критическая точка двусторонней критической области, которую находят по таблице критических точек распределения Стьюдента по уровню значимости а и числу степеней свободы t = п — 2 [Гмурман, 1975]. Из формулы видно, что чем больше измерений п, тем выше значение тестовой статистики \ и вероятнее, что коэффициент значимо отличается от нуля [Электронный учебник StatSoft. Основные статистики и таблицы]. Результаты ВК также зависят от длины интервала времени анализируемого ряда и порогового значения энергетического класса, ниже которого данные не включаются в выборку для анализа.
Пороговое значение определяется нижним уровнем представительности землетрясений за период 1964-2002 гг.-К =8. Временные ряды бьши прокоррелированы двумя способами. Для получения общей картины статистической связи структур,, отражающей очередность сейсмической их активизации, за основу взят алгоритм, используемый Марплом [1990], в котором окно корреляции на первом шаге корреляции равно длине коррелируемых массивов и укорачивается при каждом последующем шаге на единицу. Корреляция производилась со смещением (шагом) один год. Предварительно параметр N суммировался за промежуток времени один год. По этой же методике бьши рассчитаны функции автокорреляции, по которым можно судить о коррелируемости и периодичности сейсмического процесса. Для выделения эпизодов синхронизации сейсмического процесса структур была использована методика корреляции без смещения. Такая методика была использована А.В Ключевским [2007] для корреляционного анализа временных рядов годовых чисел сейсмических событий различных сегментов БРС. Выборки временных рядов бьши получены путем суммирования параметра N за полугодовые периоды. Размер окна корреляции 10 является оптимальным, т. к. обеспечивает значимость значений функции взаимной корреляции и не является слишком большим для искусственного смещения статистических характеристик временных рядов в пределах окна. Эпизоды синхронизации сейсмического процесса были выделены по продолжительности непрерывных последовательностей значимых высоких коэффициентов кривых взаимной корреляции. Для каждой комбинации пар временных рядов параметра N сейсмических структур третьего и четвертого рангов установлены значимые уровни ВК временных рядов параметра N. Используемая методика корреляции со смешением позволила установить корреляционную зависимость со смещением во времени, и выделить те сейсмические структуры, которым свойственна поочередная активизация сейсмического процесса с различными интервалами [Новопашина, 2009в; Новопашина, 2009г]. Результаты анализа показывают значимую статистическую связь между большим количеством сейсмических структур. Преобладающее количество значимых коэффициентов корреляции, максимальных для корреляционных кривых, находится в диапазоне 0,4 — 0,5 (таблица 4.1, рис. 4.12).
