Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих направлений для решения проблемы сейсмической безопасности региона
1.1. Проблема сейсмической безопасности региона 11
1.2. Система сейсмического мониторинга в регионе 16
1.3. Обзор теоретических и экспериментальных исследований 26
1.4. Схема анализа данньгх активного сейсмического мониторинга 36
2. Алгоритмы анализа данных сейсмического мониторинга
2.1. Вейвлет-преобразование сигнала 44
2.2. Быстрое вейвлет-преобразование сейсмических сигналов 49
2.3. Быстрое вейвлет-преобразование пространственных данных 59
2.4. Способы визуализации данных 65
2.5. Визуализация данных на основе метода «упругих карт» 71
3. Уточнение сейсмической опасности 87
3.1; Метод оценки сейсмической опасности 87
3.2. Методика уточнения сейсмической опасности 93
3.3. Анализ инструментальных сейсмологических данных 100
3.4. Уточнение сейсмической опасности для Красноярской промышленной - ло агломерации
3.5. Сейсмический мониторинг на основе локальной сейсмической группы 112
4. Оперативная оценка сейсмической опасности 124
4.1. Признаки подготовки землетрясений и особенности афтершокового процесса 124
4.2. Оперативные оценки очагов юга центральной Сибири 131
5. Алгоритмическое и программное обеспечение сейсмического мониторинга
5.1. Расчет сейсмической опасности 140
5.2. Расчет вейвлет-спектров одномерных сигналов 149
5.3: Расчет вейвлет-спектров пространственных сигналов 156
5.4. Расчет характеристик сейсмических сигналов для ЛСГ 156
5.5. Расчет параметров сейсмических сигналов для распознавания «взрыв-со землетрясение»
Основные результаты и выводы 162
Литература 163
Приложения 178
- Система сейсмического мониторинга в регионе
- Быстрое вейвлет-преобразование сейсмических сигналов
- Методика уточнения сейсмической опасности
- Оперативные оценки очагов юга центральной Сибири
Введение к работе
Актуальность темы. Наблюдение за опасными природными ^ процессами с целью оценки рисков для населения и промышленных объектов и обеспечения безопасности стало отправной точкой для создания соответствующих систем мониторинга [2-3,41,121,132]. Развитие современной аппаратурной базы повлекло необходимость разработки методов обработки непрерывного потока информации в режиме реального времени [61-62, 126]. Система обеспечения сейсмической безопасности является частью этого научно-технического направления [9,47, 127]. .д В настоящее время достаточно подробно проработаны выбросы оценки сейсмической опасности в долгосрочном плане [13, 26, 45, 50, 58, 60, 66, 78, 81, 88, 92, 128, 131, 133]. Официальным документом, отображающим сейсмический «климат» территории Российской Федерации, является комплект карт общего сейсмического районирования ОСР-97 под редакцией академика РАН В.Н.Страхова и профессора В.И. У ломова (ОИФЗ РАН) [90-91, 118-120]. Что касается проблем оперативной оценки сейсмической опасности, то работы в этом направлении пока не принесли широко признанных результатов [5, 50, 54, 58, 61-63, 66, 78, 88,92, 109-111, 121, 134].
Для создания службы контроля и оперативной оценки сейсмической г «погоды» необходима система получения данных о сейсмической активности контролируемого региона с высокой степенью автоматизации и оперативности. Кроме того, «чувствительность» системы мониторинга не должна определяться человеческим фактором. Таким образом, регистрация низкоэнергетических сейсмических событий становится базовой проблемой при решении задач, связанных с активным мониторингом очаговых зон сильных землетрясений в исследуемом регионе [5, 58-59, 61-62, 66, 78, 92, 109-110, 134].
Разработка эффективных методов анализа и визуализации данных Л геомониторинга природных процессов, возможность работы с сильно зашумленными сигналами открывает новые перспективы в различных областях науки о Земле [7,21-23,27,39,42, 44, 53-54, 56, 73,113].
В связи с этим проблемы обработки нечетких данных, активное f^ внедрение разрабатываемых методов анализа стали на протяжении последнего десятилетия предметом обсуждений и исследований на ряде международных и всероссийских научных конференций, посвященных прогнозу сейсмической обстановки [58-59, 61-62, 66, 78, 92, 115-116].
Как показал обзор исследований в приведенных выше публикациях, математический аппарат автоматизированной обработки таких данных проработан недостаточно, а существующие методы и алгоритмы не позволяют использовать всю имеющуюся в данных информацию для анализа при решении ^ прогностических задач.
Исследование посвящено разработке и адаптации эффективных алгоритмов быстрого вейвлет-преобразования сильно зашумленных пространственно-временных данных геомониторинга природных процессов, а также разработке способов визуализации для получения новых знаний о неоднородной структуре изучаемых данных.
В данной работе представлены методы, требующие значительного объема вычислений и, следовательно, применение приемов распараллеливания алгоритмов. Актуальность исследований подтверждается также широким спектром различных применений разработанных алгоритмов анализа данных наблюдений, описанных ниже.
Таким образом, новое решение задачи контроля сейсмического режима защищаемой территории и комплексного анализа данных активного сейсмомониторинга позволяет перейти к решению содержательных задач в проблеме сейсмобезопасности региона: прогнозу в изучаемой сейсмоактивной области «сейсмической погоды», долгосрочной и оперативной оценке сейсмической опасности.
В диссертации разработаны алгоритмы, вычислительные методики и М комплекс программ, позволяющие существенно повысить качество решения указанных прогностических задач.
Цель работы состоит в разработке эффективных средств обработки и анализа неоднородных пространственно-временных данных, позволяющих ^ наиболее полно учесть их особенности и информацию, заключенную в них, при решении основных задач в проблеме сейсмобезопаснсти изучаемого региона.
Основные задачи. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих статистических и спектральных подходов для исследования зашумленных данных сейсмомониторинга и оценить их достоинства и недостатки.
2. Разработать эффективные алгоритмы на основе применения вейвлет- 'Р преобразования для работы с информацией активного мониторинга, обладающей различными типами недостатков, определить границы их применимости.
Разработать эффективные способы визуализации данных геомониторинга природных процессов для получения новых знаний о неоднородной структуре изучаемых данных.
Разработать вычислительные технологии и программное обеспечение для решения основных задач в проблеме сейсмобезопасности для изучаемой территории.
Научная новизна.
Разработан эффективный алгоритм быстрого вейвлет-преобразования сильнозашумленных пространственно-временных данных геомониторинга природных процессов.
Разработан эффективный способ визуализации данных активного мониторинга для выявления закономерностей в неоднородных данных наблюдений.
Разработана вычислительная технология решения основных задач при оценке сейсмической опасности, на основе анализа данных 'jtt активного сейсмомониторинга очаговых зон сильных землетрясений.
Практическая значимость и востребованность результатов. Работа выполнялась в соответствии с планами НИР КГТУ. Разработанные в ^. диссертации эффективные алгоритмы быстрого вейвлет-преобразования данных геомониторинга природных процессов реализованы в комплексе программ, где предусмотрен также набор операций по визуализации данных, позволяющий проводить анализ структуры неоднородных данных наблюдений. Полученные результаты локальной спектральной обработки данных геомониторинга (сейсмической, экологической, геологической информации) использованы в исследованиях по грантам РФФИ №01-05-64704, №04-01-00823, Краевой целевой программе «Сейсмобезопасность Красноярского края», в Комплексном интеграционном проекте СО РАН «Моделирование катастрофических процессов в природной среде и. аварийных ситуаций в техносфере». Имеются акты о внедрении комплекса программы в эксплуатацию в КНИИГиМС (г. Красноярск).
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на международных и отечественных научных конференциях: Международной конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным: технологиям (Новосибирск, 2002, 2003); Международном совещании «Современные методы математического моделирования природных и техногенных катастроф» (Красноярск, 2003); Всероссийской конференции «Проблемы защиты населения и территории от чрезвычайных ситуаций» (Красноярск, 2003); Международном семинаре-совещание «Кубатурные формулы и их приложения» (Красноярск, 2003; Улан-Удэ, 2005); Всероссийском семинаре «Нейроинформатика и ее приложения» (Красноярск, 2003); Всероссийском семинаре «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2003); General Assembly European Geophysical Society (Venna, 2005); Международной конференции «Перспективы систем информатики», рабочем семинаре «Наукоемкое программное 0 обеспечение» (Новосибирск, 2003); Международной конференции «Научное наследие академика Г. А. Гамбурцева и современная геофизика» (Москва, 2003);
Международной конференции «Проблемы сейсмологии III тысячелетия» (Новосибирск, 2003); Международной конференции «Математические методы в с* геофизике» (Новосибирск, 2003); Всероссийском семинаре «Распределенные и кластерные вычисления» (Красноярск, 2003, 2004); Международной конференции ICCM-2 004 (Новосибирск, 2004); Международной конференции «Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании» (Алматы, 2004); Международном научном симпозиуме «Проблемные вопросы островной и прибрежной сейсмологии (Южно-Сахалинск, 2005); 2nd Asia-Oceania Geophysical Society Annual Meeting (Singapore, 2005); а.также на научных семинарах в ИСИ СО РАН, ИВМ СО <*РАН, ИМГиГ ДВО РАН, ИВС ДВО РАН, ИВМиМГ СО РАН, ОИФЗ РАН, КНИИГиМС и КГТУ.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнениями с данными наблюдений, с материалами натурных экспериментов, сопоставлениями с результатами работ других авторов.
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликованы одна монография и более чем 20 работ, в том числе в центральной печати, сборниках статей, трудах и тезисах международных и российских научных конференций. Основные результаты исследований отражены в работах [1-16]. Личный вклад автора состоит в разработке алгоритмов и программ для решения поставленных задач, в проведение расчетов и обработке данных наблюдений.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Списка литературы из 143 наименований и Приложения: Работа изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц и 85 рисунков. В Приложение вынесены разработанные в ходе выполнения работы программные модули для ПЭВМ и акты о внедрении комплекса программ.
Краткое содержание диссертационной работы.
В первой главе рассмотрена изученность проблемы обеспечения ^ сейсмической безопасности в исследуемом регионе. Описаны основные направления и подходы для ее решения. Представлена структура и программно-алгоритмическое обеспечение систем наблюдения за сейсмической активностью территории юга Центральной Сибири. Предложен ряд подходов к совершенствованию региональных служб сеисмомониторинга, изложена общая схема анализа данных активного сейсмического мониторинга [97,98, 106-107].
Во второй главе приведены разработанные алгоритмы анализа данных геомониторинга. Представлено описание алгоритма быстрого вейвлет-w преобразования сигналов и примеры применения данного алгоритма для решения различных задач геомониторинга [68-69, 71, 74].
Приведено описание разработанного алгоритма быстрого получения вейвлет-диаграммы двумерной функции и примеры ее использования [70]. Программная реализация данного алгоритма является элементом комплекса программ для обработки пространственных геоморфологических и топографических данных, разрабатываемого для решения широкого круга задач, в том числе и для поиска импактных кратеров на поверхности Земли [137].
Описаны разработанных расчетные схемы для визуализации результатов сеисмомониторинга и оценки изменчивости во времени пространственных характеристик активных очаговых зон с использованием методов построения упругих карт и множеств Воронова [72, 143].
Таким образом, разработан ряд алгоритмов анализа пространственно-временных данных геомониторинга природных процессов, которые позволяют эффективно решать содержательные задачи, связанные с оценкой сейсмической опасности для изучаемой территории.
В третьей главе описываются алгоритмические схемы и комплекс опасности на основе анализа данных сейсмомониторинг [77, 102].
Алгоритмические схемы тестировались и апробировались на примере уточнения сейсмической опасности для территории Красноярск- ^ Железногорской промышленной агломерации. Работа выполнена в соответствии с методикой создания карт ОСР-97 (под руководством В.И. Уломова ОИФЗ РАН). В результате проведенных детальных исследований уточнена модель зон ВОЗ для территории Красноярск-Железногорской агломерации и рассчитаны новые значения балльности [106].
Далее в работе представлены алгоритмы для решения задачи сейсмического мониторинга средствами локальных сейсмических групп (ЛСГ): расчет азимута прихода волны по данным группы станций и по * трехкомпонентной записи отдельной станции; выделения вступления фаз на записи сейсмического события с использованием детектора прямолинейного движения и вейвлет-спектра сигнала; набор алгоритмов для классификации сейсмических событий типа «взрыв-землетрясение» [75-76]. Апробация и тестирование алгоритмов и расчетных схем проводились на данных наблюдений сети сейсмических станций КНИИГиМС [106]..В итоге, создано алгоритмическое и программное обеспечение для анализа данных мониторинга при решении задач уточнения долгосрочной сейсмической опасности и оценки «сейсмической погоды». В четвертой главе представлен подход к оперативной оценке сейсмической опасности по данным наблюдений о структуре энергетического процесса в очаговой зоне сильного землетрясения. Описаны необходимые элементы построения системы анализа данных наблюдений для решения этой задачи: выделение сейсмически активных очаговых зон и установка локальных сейсмических групп (ЛСГ), ориентированных для наблюдений за конкретными очагами; сбор и обработка данных цифровых сейсмических станций в режиме реального времени; анализ полученных данных для решения задачи прогноза [105]. Приведены примеры реализации этой системы активного мониторинга .'для наблюдения за центральными и южными районами Красноярского края [104, 108]. В настоящее время по разработанной методике осуществляется прогноз сейсмической опасности для Караганскои очаговой области и района Саяно-Шушенской ГЭС. ^ В пятой главе описываются разработанные программные продукты.
Программа для построения карт сейсмического районирования на базе алгоритмов создания комплекта карт ОСР-97, которая предназначена для задания, редактирования и параметризации зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), подготовки всей входной информации для расчета периодов повторяемости сейсмических сотрясений и карт вероятностного районирования сейсмической опасности в конкретном регионе, визуализации картографических и других входных, промежуточных и выходных данных. '* Программа апробирована при проведении вычислительно эксперимента по моделированию сейсмической опасности для Красноярской промышленной агломерации [106] и по другим проектам [49, 96,106].
Программа для быстрого расчета вейвлет-спектров одномерных сигналов, которая апробирована на данных цифровых сейсмических станций и на.ряде сигналов иной природы, в том числе обрабатывались и данные, полученные георадаром. Приведен результат многоступенчатой обработки массива данных георадара и выделение в пространстве объектов заданного размера [106]. Алгоритмическое и программное обеспечение показало высокую . эффективность при комплексном анализе данных наблюдений [76,99-101,103,10678,92,115-116].
Программа для расчета вейвлет-спектров пространственных данных, которая тестировалась на обработке космических снимков поверхности Земли, в том числе для поиска и выделения импактных кратеров [137], а также для анализа пространственных данных геообъекта [87].
Программное обеспечение обработки данных мониторинга на основе локальных сейсмических групп [75, 106]. Расчетная база для обработки данных сейсмического мониторинга на основе ЛСГ представляет набор Ф расчетных файлов в формате Mathcad 2001 Professional.
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ НАПРАВЛЕНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ СЕЙСМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕГИОНА
Система сейсмического мониторинга в регионе
Особенности организации сейсмического мониторинга. Особенности организации сейсмического мониторинга на территории Красноярского края и сопредельных территориях обусловлены решением основной задачи, которую можно сформулировать, как контроль за очаговыми зонами сильных землетрясений в регионе с целью прогноза сеисмоопасности. Именно для обеспечения заданного уровня безопасности от угроз сейсмической природы я принята описываемая ниже конфигурация региональной сети стационарных сейсмических станций, состав аппаратуры и программное обеспечение, позволяющие организовать круглосуточное дежурство в рамках специальным образом организованной региональной сейсмологической службы.
Поставленная цель и решаемые задачи определяют отличия даннойслужбы во всех ее компонентах, от принятой в других региональныхгеофизических службах. И главная ее черта - мобильность конфигурациисейсмической сети и адекватная оперативная реакция на изменчивость сейсмической обстановки в изучаемом регионе..
В режиме реального времени выполняется предварительная и сводная обработка записей сейсмических событий, а также анализ сейсмической обстановки в очаговых зонах. Конфигурация сети адаптируется к сейсмическим проявлениям, чутко реагируя на ход сейсмического процесса в каждой из исследуемых сейсмоактивных зон, регистрируя низкоэнергетические сейсмические события, ранее не доступные при анализе сейсмического режима.
Таким образом, сейсмический мониторинг в предлагаемом варианте, где реализованы новые методологические принципы решения задачи оперативной оценки сейсмической опасности, является ведущим элементом в системе мероприятий по обеспечению должного уровня сейсмической безопасности в регионе.
Сейсмологическая служба включает в себя локальный информационно-обрабатывающий центр (ЛИОЦ) и региональную сеть сейсмических станций. Рассмотрим главные элементы структуры и функционирования ЛИОЦ КЫИИГиМС. Основные задачи, решаемые ЛИОЦ при проведении сейсмологических исследований в регионе следующие.1. Обоснование мест для оперативного размещения новых сейсмостанций Красноярской региональной сети для проведения сейсмического мониторинга иконтроля за сейсмичностью территории Красноярской промышленнойагломерации и восточной и южной частей Алтае-Саянской сейсмоактивной области: обследование местности для определения пунктов установки новых сеисмостанции; инструментальные измерения уровня сейсмических шумов и сигналов в пунктах наблюдения, установка и оснащение сеисмостанции.2. Проведение сейсмического мониторинга и оперативная оценка сейсмической активности очаговых зон сильных землетрясений региональной сетью сеисмостанции: регистрация и оперативная предварительная обработка сейсмических сигналов региональных и местных землетрясений; обеспечение оперативной передачи сейсмической информации в ЛИОЦ КНИИГиМС.3. Сводная оперативная обработка сейсмической информации в ЛИОЦ: освоение нового программного и методического обеспечения ГС РАН для организации эффективной базы данных материалов сейсмического мониторинга; формирование информативной базы данных сейсмических событий по результатам проведения сейсмического мониторинга, оперативное составление каталога эпицентров землетрясений восточной и южной частей Алтае—Саянской сейсмоактивной области и оценка сейсмической обстановки в регионе; оперативный обмен сейсмической информацией с ГС СО РАН (г. Новосибирск), ГС РАН (г. Обнинск) и доклад о зарегистрированных сейсмических событиях в соответствующие структуры МЧС России.
Результаты деятельности ЛИОЦ определяются:- качеством материалов сейсмического мониторинга и оперативностью контроля за сейсмичностью территории Красноярской промышленной агломерации, а также восточной и южной частей Алтае-Саянской сейсмоактивной области;-качеством базы данных сейсмических явлений, как основы оперативного уточнения оценки сейсмической опасности, для целей сейсмического районирования центральной и южной частей Красноярского края и приграничных районов.
Отметим, что принятие закона Красноярского края № 11-828 от 26.06.2000 о Краевой целевой программе «Сейсмобезопасность Красноярского края на 2001-2005 годы» позволило перевести сейсмологические исследования в Красноярском крае на принципиально новый научно-методический и— технический уровень, разработать и реализовать концепцию ведения сейсмического мониторинга и оценки сейсмической опасности в регионе [1-5].
В соответствии с Программой, на территории Красноярского края в 2000-2003 гг. создана адаптивная региональная сеть сейсмических станций, оперативно, в соответствии с сейсмической обстановкой, устанавливаются временные локальные сейсмические сети, а также организована региональная сейсмологическая служба, которая в режиме реального времени круглосуточно выполняет соответствующие регламентные работы по сбору, обработке и анализу зарегистрированной сейсмологической информации. Служба также ведет собственные научно-технические и методические разработки, призванные повысить эффективность сейсмического мониторинга и решение задачи оценки сейсмической опасности.Информационное и вычислительное обеспечение ЛИОЦ.
Информационное и вычислительное обеспечение ЛИОЦ создано с учётом специфики решаемых задач на основе сейсмического мониторинга. В целом информационное обеспечение ЛИОЦ как регионального центра включает в себя: геофизическую базу данных, охватывающую как инструментальные наблюдения целого комплекса геофизических измерений на сети станций, так и различного рода обработанную геологическую и геофизическую информацию, необходимую для оперативного мониторинга очаговых зон, а также систему сбора данных и комплекс программ оперативной обработки поступающей информации. Отметим, что в свою очередь региональная сеть сейсмических станций в методическом и техническом аспектах является частью федеральной сети ГС РАН и СО РАН. Вся информация, зарегистрированная сейсмической сетью поступает в сводную обработку, проводимую соответствующими центрами ГС (г. Обнинск и г. Новосибирск). Принципиальной особенностью в деятельности региональной сети сейсмостанций является то что она нацелена, прежде всего, на регистрацию
Быстрое вейвлет-преобразование сейсмических сигналов
При этом матрицы организованы таким образом, чтобы количество операций на вычисление коэффициентов их элементов было минимально. Это существенно уменьшает затраты машинного времени необходимого для вычислений. Если интеграл приближать не методом трапеций, а простой интегральной суммой:то скорость вычислений увеличивается в два раза. Но и погрешность вычислений при этом также существенно увеличивается.
Введем величину, которая характеризует собственную ошибку метода:
По определению материнского вейвлета, каждое значение этой функции должно быть равно нулю. Этого можно добиться распределив полученныенеточности по отрицательным значениям р,„. Так как L(a$ изначально выбиралась так чтобы минимизировать ошибку, то изменения не будут превосходить д.
Теперь абсолютная погрешность будет состоять из безусловной погрешности начальных данных и ошибки метода приближения интегралов.
Очевидно, что чем больше количество дискретных отсчетов N, тем меньше погрешность приближения интеграла. Более точно для каждого конкретного случая, эту зависимость можно определить следующим образом.
При получении вейвлет-диаграммы нас интересуют составляющие f(x) лежащие в определенном диапазоне частот, то есть колебания определенного набора периодов 7}. Очевидно, что ошибка вычисления тем меньше, чем больше дискретных отсчетов попадает в период, но при этом количество операций пропорционально возрастает. Обозначив через ТО минимальный период из этого диапазона, получим:
Можно поставить обратную задачу. Пусть минимальный период колебаний интересующий при обработке ТО, базисный вейвлет (р(х) и приемлемая погрешность дуг. Требуется найти оптимальный шаг дискретизации Лх. Если диапазон доминирующих частот базисного вейвлета не велик, то (р(х) вовсе можно исключить из постановки задачи.
Таким образом, выделим следующие этапы получения вейвлет-спектра исследуемого процесса:1. Получение начальных данных:- задание функции f(x) или набора ее значений с постоянной частотой дискретизации f(x/);- преобразование исходных данных в формат, пригодный для обработки.2. Постановка задачи:- выбор материнского вейвлета;- задание границ (параметров) вейвлет-преобразования — интервал масштабов и границы обрабатываемого отрезка функции;- допустимая погрешность вычислений (если функция определена формулой).3. Проверка корректности условий задачи: - проверка начальных данных; - проверка параметров преобразования; - расчет абсолютной погрешности (если данные задаются набором значений). 4. Предварительные вычисления: - построение матрицы базисных вейвлетов - р ; - переорганизация начальных данных - FQ. 5. Вейвлет-преобразование. 6. Визуализация результата расчетов (рис. 2.4). 7. Сохранение результата расчетов. Следующим этапом является обработка и интерпретация вейвлет-спектра в зависимости от каждой конкретной задачи. На рисунке 2.5 а приведена, обработанная оптимальным для данного события полосовым фильтром, сейсмограмма сейсмического события произошедшего в районе г. Дивногорска, записанная сеисмостанциеи!_„ В работе представлен алгоритм быстрого получения вейвлет-диаграммы,ф двумерной функции и примеры ее использования [70,76,87]. Программная реализация данного алгоритма является элементом комплекса программ для обработки пространственных геоморфологических и топографических данных, разрабатываемого для решения широкого круга задач, в том числе и для поиска импактных кратеров на поверхности Земли [137].
Алгоритм двумерного вейвлет-преобразования. Вейвлет-преобразование одномерного сигнала состоит в его разложении по базису,сконструированному из обладающей определенными свойствами ш ' солитоноподобной функции (вейвлета) по средствам масштабных изменений ипереносов [7]. Элементом базиса вейвлет-преобразования является хорошолокализованная функция, быстро стремящаяся к нулю вне небольшогоинтервала, поэтому каждая функция этого базиса характеризует какопределенную пространственную (временную) частоту, так и ее локализацию в физическом пространстве (времени). В случае двумерных данных материнский вейвлет представляет из себя поверхность с центральной симметрией отвечающую тому же набору требований, что и в одномерном случае. Представим следующий алгоритм ^, построения двумерной вейвлет-диаграммы, который разрабатывался под конкретную задачу - поиск кольцевых структур на поверхности Земли. Начальные данные D представляют собой матрицу NxM элементов, которые содержат значения некоторой характеристики в узлах прямоугольной координатной сетки. Необходимо выявить структуры заданной формы, слабо выраженные на фоне неоднородности среды. Предлагается следующий алгоритм двумерного вейвлет-преобразования. 1. Задается материнский вейвлет. Для практического применения важно знать признаки, которыми обязательно * должна обладать функция, чтобы быть вейвлетом: - локализация по пространству (времени) и по частоте;
Методика уточнения сейсмической опасности
Постановка задачи уточнения сейсмической опасности. В основу исследований настоящей главы и предлагаемых рекомендаций по уточнению исходного балла сейсмической опасности для территории ФГУП ГХК (г. Железногорск) положены:
В.И., Шумилина Л.С., ОИФЗ РАН [118-120]);- материалы исследований полевых сейсмогеологических исследований 2001 года, описание Малиновской палеосейсмодислокации, выполненноесовместно с сотрудниками ИЗК СО РАН [106, 124];- результаты комплекса геолого-геофизических и сейсмологических исследований, проведенных для уточнения исходной сейсмичности площадки размещения объектов ФГУП ГХК [49, 106];- специализированный каталог землетрясений Северной Евразии без афтершоков (ответственные редакторы: Н.В. Кондорская, В.И. Уломов, ОИФЗ РАН [90-91]);- региональный каталог землетрясений, полученный в результатестанций слабых сейсмических событий в регионе в период с 02.02.2000 02.02.2004 [106407].
В утверждённых Госстроем РФ СНиП II-7-81 используются карты оценки сейсмической опасности территории Российской Федерации ОСР-97 А, В, С. Для особо важных объектов Минатома РФ принята к пользованию карта ОСР 97 D с периодом повторяемости сотрясений один раз в 10 000 лет, в которой заложена повышенная оценка сейсмической опасности. Детальность исследований, проведенных при составлении карт ОСР, соответствует масштабу 1:2 500 000, что позволяет только качественно оценить сейсмическую опасность для изучаемой локальной территории.
По картам ОСР-97 для Красноярской агломерации приняты в настоящее время следующие исходные баллы сейсмической опасности (табл. 3.1).
Однако, как известно, несмотря на составленные в прошлые годы разного рода методические рекомендации по детальному сейсмическому районированию и методам оценки сейсмических воздействий, до сих пор (в отличие от ОСР) отсутствуют официальный статус и общепризнанная методика выполнения работ как по детальному сейсмическому районированию (ДСР), так и по его упрощенному варианту - уточнению исходной сейсмичности (УИС). Технологическая схема решения задач ДСР и УИС такая же, как при ОСР: на первом этапе определяются источники сейсмических воздействий и их параметры (максимальная возможная магнитуда землетрясений, повторяемость и т.п.), а затем на втором этапе рассчитываются создаваемые ими сейсмические воздействия. В связи с выше сказанным предлагается упорядочить работы по УИС и ДСР как по существу, так и по их наименованию.
Прежде всего, необходимо исключить из обращения УИС и ДСР и эти аббревиатуры, заменив их на УСО — уточнение сейсмической опасности. При щ этом предлагается рассматривать две категории уточнения сейсмической опасности - УСО-1 и УСО-2. В случае УСО-1 уточняется сейсмическая опасность отдельных строительных объектов (ответственные сооружения, населенные пункты и др.), а исследования по УСО-2 относится к территориям. Иными словами, УСО-1 заменяет бывшее понятие УИС, а УСО-2 -употребляется вместо ДСР, Далее будут приведены некоторые возможные варианты содержательной части исследований по УСО. Основой для всех построений по УСО являются действующие в настоящее время карты общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97.
Цель настоящих исследований и рекомендаций состоит в том, чтобы применить разработанные методы уточнения сейсмической опасности (УСО) для Красноярской агломерации на базе достаточно полно разработанной и официально признанной методологии составления новых карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97. Общее методологической руководство данных исследований осуществлялось В.И. Уломовым (ОИФЗ РАН).
В результате этого, проведенные КНИИГиМС детальныеФ сейсмологические и сейсмогеологические исследования позволили уточнитьмодель зон ВОЗ для территории Красноярской агломерации и, в соответствии сметодикой построения карт ОСР, были рассчитаны новые значения балльностидля изучаемой территории (табл. 3.2).
Состав проведенных исследований для достижения указанного результата и его обоснования [48-49, 105]: ф -создана дополнительная сеть сейсмических станций для. проведения сейсмического мониторинга в районе Красноярской промышленной агломерации и прилегающих территорий;- произведен (производится и в настоящий момент) сбор сведений о слабой сейсмичности в семисоткилометровой зоне вокруг агломерации;- выполнены геофизические исследования комплексом электроразведки МТЗ и методом обменных волн от естественных источников МОВЗ в 300-километровой зоне ГХК;- выполнен комплекс работ по выявлению палеосеисмодислокации в районе исследований, в частности выявлена Малиновская палеосейсмодислокация в 200 - километровой зоне ГХК;- детально изучены современные тектонические движения геологической среды;- проведен анализ сейсмичности исследуемой территории по унифицированным каталогам землетрясений с учетом новых данных сейсмического мониторинга (2000-2003 гг.);- выполнена корректировка параметров зон возникновения очаговФ землетрясений (три домена и линеамент), использовавшихся в модели зон
ВОЗ при расчете карт ОСР - 97, с учетом разломно-блоковой структуры среды и особенностей ее сейсмического режима;- рассчитан и визуализирован комплект карт УСО для рассматриваемойтерритории, отражающих вероятность возможного превышения конкретныхвеличин сейсмических воздействий в течение заданных интервалов времени.
В работе выполнен анализ следующего картографического материала: карты новейшей тектоники и активных разломов; геологической карты для исследуемой территории; карты зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ).
Оперативные оценки очагов юга центральной Сибири
В первом квартале 2005 года на территории центральных и южных районов края краевой системой сеисмомониторинга в составе десяти сейсмических станций («Красноярск», «Дивногорск», «Шира», «Абакан», «Кызыл», «Орье», «Кутурчин», «Тиберкуль», «Зеленогорск» (ранее - «Орешное»), «Большая Речка» (введена в эксплуатацию 11 февраля 2005 года), с использованием данных сейсмической станции Саяно-Шушенской ГЭС «Черемушки») зарегистрировано295 сейсмических событий. Из них 166 идентифицированы как малоэнергетические землетрясения (М0.5- 3.5) и 129 — как промышленные взрывы. Краевой сейсмической сетью зарегистрирована серия афтершоков Алтайского, Бусингольского землетрясений, землетрясений в Бурятии, Иркутской области, а также в Японии, в районе о. Суматры (Индонезия),
Для оперативной оценки сейсмической опасности разработана методика анализа энергетической структуры процессов в сейсмических очаговых зонах на базе энергетической модели. При этом распределение магнитуд во времени в прогностической области (превышает линейные, размере конкретного очага от 2 до 10 раз) квантуется геологической средой в соответствии с ее блочно-иерархическим строением и характеризует рост энергии в очаговой области под воздействием внешних сил различной природы в связи с нарушением первичной энергетической структуры геологического пространства - известные эффекты трещинообразования, которые по мере; приближения к порогу энергетической прочности пород приводят к формированию крупных трещин - плоскости разрыва (концентрационный критерий академика Журкова).
С позиций энергетической модели на стадии подготовки сильного сейсмического события происходит снижение уровня выделения энергии -«сейсмическое затишье». При этом нарушается энергетический баланс системы и в соответствии с законом сохранения энергии происходит мгновенное восстановление баланса в виде землетрясения (рис. 4.4).
Предложенная модель развития энергетических процессов в сейсмических очагах не противоречит ни одной из известных физических моделей, используемых сейсмологами, и включает их в качестве частных случаев. В первом квартале 2005 года выполнены прогнозы сильных сейсмических событий в Алтае-Саянской складчатой области, а также в ряде регионов Земли (Япония, Суматра, Калифорния).
В частности, прогноз сильного афтершока в районе о. Суматра, сделанный в январе 2005 года, подтвердился с точностью +15 суток и ±0.3 по магнитуде 28 марта 2005 года, когда при сильном афтершоке с М 8.0 погибло более 20 человек (рис. 4.5.). Сильный афтершок (М-6.8) от 19 мая 2005 года был спрогнозирован за трое суток и подтвердился.
Состояние прогнозов сейсмической опасности для юга Центральной Сибири обсуждено 14-15 апреля 2005 года на семинаре в КНИИГиМС с участием специалистов из Иркутска, Новосибирска, Москвы и Красноярского научного центра СО РАН.
По рекомендации ГС РАН (г. Обнинск, член.-корр. РАН Маловичко А.А.) методика будет опробована для прогноза сильных землетрясений в районе п-ва Камчатка.
Караганский очаг. Область очага находится под постоянным контролем четырех сейсмических станций, которые обеспечивают устойчивую регистрацию низкоэнергетических (М=0.5 - 2.5) событий в очаге. После события 05 мая 2004 года (М 5.0) до середины декабря 2004 года сейсмический процесс сохранял основные параметры (темп накопления и разрядки напряжений).
В декабре 2004 года (в период, совпадающий с конечной стадией подготовки катастрофического землетрясения М-9.0 на Суматре 26.12.2004 г.) на фоне сброса уровня энергии накопления напряжений, в течение января-марта 2005 года зафиксирована резкая активизация процесса с формированием энергетического центра в начале февраля, потенциал которого соответствует ф М=3.5. В марте 2005 года сетью сейсмических станций КНИИГиМС («Орье», «Кутурчин», «Тиберкуль», «Шира») зафиксирован минимальный уровень сейсмичности (М 0.5).
Начиная с апреля по настоящее время, энергетический процесс в Каратанском очаге вновь ускорился, и фиксируется тенденция роста энергии накопления. Выполненные в конце 2004 года детальные исследования поля МТЗ в пределах Караганского очага свидетельствуют о приуроченности Караганского очага к аномалии в верхней мантии на глубинах до 200 км.
Можно объяснить влияние сейсмической катастрофы на Суматре на поведение энергетических процессов в Караганском очаге, так как на уровне мантии энергетические процессы в различных точках земного шара связаны между собой.
Исходя из существующей закономерности развития энергетических процессов, в Караганском очаге можно прогнозировать событие с М 3.7 во второй половине июня - начале июля (20.06 - 10.07) и далее, при условии сохранения характера сейсмического процесса, можно ожидать сильное сейсмическое событие с Мот 5.5 до 6.0 в период конца сентября — конца ноября ф 2005года.
Прогноз предварительный и нуждается в уточнении по данным мониторинга за май-сентябрь 2005 года. Если ожидаемое в июне — июле событие с М=3.7 будет проявляться макроскопически локально только в прилегающих к очагу районах края, где сотрясаемость составит не более 3.0 баллов, что не является опасным для инфраструктуры и населения, то возможное событие с М 5.5-6.0 (если оно произойдет) будет ощущаться в Красноярск-Железногорской и Зеленогорской агломерациях, где возможны сотрясения от 4,0 до 5.0 баллов по шкале МСК в зависимости от глубины гипоцентра, который надежно прогнозировать пока невозможно.Исходя из существующих представлений о строении Караганской очаговой
