Гравиинерциальные эффекты в проблеме прогноза землетрясений

Актуальность проблемы.

Прогноз землетрясений в настоящее время является одной из актуальнейших проблем наук о Земле, в значительной степени одной из главных задач физики Земли. Землетрясения — весьма быстрые упругие колебания мантии и литосферы и вызванные ими сотрясения земной поверхности, происходящие при взрывообразном высвобождении механической энергии в очагах на глубинах от 3 до 750 км. Очаг землетрясения — это некоторый объём пород, в котором происходит их динамический разрыв под воздействием напряжений, накопившихся в процессе тектонических деформаций [1]. Под прогнозом понимается предсказание места и времени возникновения будущих землетрясений с указанием их возможной силы и характера проявления на поверхности Земли. Попытки постановки задачи предсказания момента сильных землетрясений эпизодически предпринимались во многих странах, в особенности в связи с разрушительными землетрясениями. Первенство в составлении систематической научной программы поисков предвестников землетрясений принадлежит СССР. Программа была составлена после разрушительного землетрясения 1948 г. в Ашхабаде [36]. К настоящему времени возможность предсказания времени возникновения сильных землетрясений значительно усилилась благодаря обнаружению большого числа явлений-предвестников приближающихся землетрясений, когда вероятность предсказания может быть подтверждена многочисленными инструментальными наблюдениями. Тем не менее, в сообществе исследователей в области прогноза землетрясений сформировался скептический взгляд на наличие физически обоснованных, надёжно инструментально регистрируемых, дальнодействующих краткосрочных предвестников катастрофических землетрясений, на основе которых возможно осуществление прогноза времени, места и силы будущих событий.

Под краткосрочными предвестниками понимаются геофизические явления-предвестники, регистрируемые инструментально за 7−14 дней до прогнозируемого землетрясения [8].

В 2002 году, в ходе исследовательских мониторинговых сессий на полигоне «Нефтекип», связанных с испытаниями первого отечественного компьютеризированного гравиметра «ГНУ-КВК», разработанного во «ВНИИГеофизике», И. Н. Михайловым в записях прибора были обнаружены гравиинерциальные эффекты, либо вовсе не фиксировавшиеся ранее, либо оставленные исследователями без должного внимания [12, 26−28].

Под гравиинерциальными. эффектами понимаются воздействия, оказываемые силами инерции на гравиметры. Оценить эти воздействия возможно на основе вычисляемой компьютеризированными гравиметрами дисперсии, точнее стандартного отклонения отсчётов силы тяжести (ББ Ag). В контексте проводимых исследований термин «гравиинерциальные эффекты» является следствием невозможности однозначного разделения гравитационной и инерциальной составляющих сил, воздействующих на гравиметр при гравиметрической съёмке [6, 7, 25]. По этой причине геодинамические процессы (землетрясения), зачастую отображаются не только в значениях дисперсий отсчётов силы тяжести (ББ А§-), но и непосредственно в значениях Дg. Под гравиинерциальным полем далее понимается совокупность значений дисперсии отсчётов силы тяжести, полученная в точке проведения гравимониторинговых измерений.

Поскольку гравиинерциальные эффекты предваряют высокомагнитудные землетрясения за 7−14 дней, их изучение представляет актуальную задачу в области исследований краткосрочных предвестников землетрясений.

В конце 2008 года, в Москве, на основе материально-технической базы.

Научно-производственного центра «Геонефтегаз», в факультативном порядке были возобновлены мониторинговые измерения гравиметром «Бст^ех Св-ЭМ» с параллельной сверкой результатов с данными группы гравиметров «8стй:ех.

5 ,.

СО-5″, принадлежащими компании «Геокен», производящими измерения в Алма-Ате, и данными гравиметра «Зснйгех СО-5», установленного в Петропавловске-Камчатском и находящегося в ведении ГАИШ МГУ [14, 15, 29].

Цель и задачи работы.

Задачи, решаемые в данной диссертационной работе, относятся к наиболее общей проблеме физики Земли — проблеме прогноза катастрофических событий (землетрясений) на основе краткосрочных предвестников землетрясений, имеющих геологическую природу, проявляющихся в геофизических полях и регистрируемых широко используемой, стандартизированнойгеофизической аппаратуройкомпьютеризированными гравиметрами «Зстйгех» различных модификаций.

Целью исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы, является установление краткосрочных предвестников катастрофических событий, регистрируемых в гравиинерциальном поле и изучение их характеристик.

В соответствии с поставленной целью автором решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:

1. Мониторинг геодинамических процессов (землетрясений и их предвестников) с помощью компьютеризированных гравиметров «8ст<�гех», производящих записи в различных точках планеты.

2. Установление возможности проведения гравимониторинговых измерений с целью регистрации землетрясений и их предвестников в условиях урбанистических агломераций.

3. Оценка влияния сторонних, обычно не учитываемых, факторов (влияния изменений параметров питающей электросети, вспышечной активности Солнца, метеорологических условий) и установление корреляционных связей гравимониторинговых записей с этими факторами.

4. Выявление различий между записями, произведёнными прибором «ГНУ-КВК» в 2002 году и произведёнными «БсЫгех СО-ЗМ» и «БсиШ-ех СО-5» в 2008;2011 гг.

5. Анализ гравиинерциальных эффектов на предмет их соответствия требованиям, предъявляемым к краткосрочным предвестникам катастрофических событий в рамках существующей научной парадигмы в области прогноза землетрясений.

6. Построение графа формализованной процедуры выделения аномалий прогностического признака как при ретроспективной, так и при прогностической оценке предвестника в одной или нескольких точках мониторинга.

Научная новизна работы заключается в:

1. Обнаружении новых эффектов и изучении геодинамических процессов (землетрясений) с использованием компьютеризированных гравиметров.

2. Установлении связи обнаруженных гравиинерциальных эффектов с предвестниками землетрясений.

3. Создании графа обработки гравимониторинговых записей с целью выделения землетрясений и их предвестников.

4. Обосновании предложений по краткосрочному прогнозу катастрофических событий, которые могут являться методической основой для дальнейшего развития инструментальных методов исследований в области прогноза землетрясений на основе краткосрочных геофизических предвестников.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием калиброванной аппаратуры, статистическим анализом, достаточным объёмом экспериментальных исследований, объёмом накопленных сведений и повторяемостью результатов. 7.

Практическая значимость работы заключается в дополнении системы знаний в области современных исследований геодинамических процессов и прогноза землетрясений геофизическими методами мониторинга геологической среды. В частности, в привлечении к выработке краткосрочного прогноза землетрясений нового геофизического феномена-предвестника, надёжно регистрируемого инструментально практически вне зависимости от антропогенных и техногенных факторов в точках мониторингагравиинерциальных эффектов. Это может повысить надёжность прогнозов и дополнить имеющиеся геоданные новой информацией о геодинамических процессах планеты. Кроме того, практическую ценность представляет выработанный в процессе исследовательской работы граф формализованной процедуры выделения аномалий прогностического признака при ретроспективной и прогностической оценке предвестника в одной или нескольких точках мониторинга.

Публикации и личный вклад соискателя.

Автор принимал непосредственное участие во всех экспериментальных работах. Участвовал в исследованиях на всех этапах обработки и анализа получаемых гравимониторинговых данных.

По результатам выполненных исследований автором опубликованы 2 печатные работы в рекомендованных ВАК РФ журналах.

Апробация работы осуществлялась в Научно-производственном центре «Геонефтегаз» в 2008;2011 гг., в процессе проводимых исследований.

Основные положения и результаты исследований опубликованы в научных изданиях, обсуждались и докладывались автором на.

IX.

Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва 2009;

Международном семинаре им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических 8 полей», Москва 2010; Международной конференции 'Теомодель-2010″, Геленджик 2010; X Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва 2011.

Защищаемые положения:

1. Для компьютеризированных гравиметров «Зстйех» установлена регистрация в гравиинерциальном поле геодинамических процессов (землетрясений), с точностью, сопоставимой, в зависимости от характеристик геологической среды и параметров работы гравиметров, со специализированными сейсмостанциями.

2. Показана и обоснована возможность проведения гравимониторинговых измерений с целью регистрации землетрясений и их предвестников в условиях повышенной техногенной и антропогенной зашумлённости урбанистических агломераций.

3. На основе дисперсионного и статистического анализа, а также соответствия требованиям, предъявляемым к «феноменам-кандидатам» доказано, что регистрируемые гравиинерциальные эффекты, заключающиеся в изменениях значений дисперсии отсчётов силы тяжести (8Э Дg), предваряют высокомагнитудные землетрясения (М>6) за 7−14 дней и обоснованно могут считаться их краткосрочными предвестниками.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Содержит 107 страниц машинописного текста, 12 рисунков, 3 таблицы.

Список литературы

включает 71 наименование.

4.2. Выводы.

1. Компьютеризированные гравиметры «Зстйех» обеспечивают возможность надёжной регистрации в гравиинерциальном поле геодинамических процессов (землетрясений), с точностью, сопоставимой со специализированными сейсмостанциями.

2. В условиях урбанистических агломераций возможно проведение гравимониторинговых измерений с целью регистрации землетрясений и их предвестников. Эта возможность напрямую связана с нечувствительностью компьютеризированных гравиметров к техногенным воздействиям, доминирующие частоты которых находятся в диапазоне 30−40 Гц (рисунок 8), и которые могут проявляться на частотах вплоть до 0,5 Гц, в то время как волны предвестникового генезиса имеют энергетические максимумы в более низкочастотной области.

3. Краткосрочные дальнодействующие предвестники катастрофических землетрясений — гравиинерциальные эффекты, соответствуют требованиям, предъявляемым к предвестникам в рамках современных научных представлений о геодинамических процессах, происходящих в недрах.

4. Для уточнения очага готовящегося события необходимо создание глобальных, региональных и локальных прогностических полигонов, ' оснащённых высокочувствительными компьютеризированными гравиметрами. Для оперативности выработки прогноза, снятие значений с гравиметров и выполнение вышеописанного графа обработки должны осуществляться во временном интервале до семи дней во всех точках «прогностического полигона» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение обобщим результаты проведённых исследований. В соответствии с поставленной целью был решён ряд конкретных задач.

Был произведен мониторинг геодинамических процессов, происходящих в недрах Земли с помощью компьютеризированных гравиметров «Зсшйгех», производящих записи в различных точках планеты — в Москве, Алма-Ате и Петропавловске-Камчатском.

Установлены различия между записями, произведёнными прибором «ГНУ-КВК» в 2002 году и произведёнными «Эсийтех СО-ЗМ» и «БстЬ-ех СО-5» в 2008;2011 гг. Эти различия заключаются в разной чувствительности гравиметров — уровне фоновых значений дисперсий отсчётов, соотношениях «событие/фон» и «предвестник/фон». Таким образом, закономерным является вывод, что отечественный гравиметр «ГНУ-КВК» обладал лучшими во всех аспектах характеристиками записи по сравнению с различными моделями гравиметров «8ст1гех» и являлся более предпочтительным для использования в мониторинговых измерениях с целью выработки прогноза катастрофических событий. г.

Оценено влияние на гравиметрысторонних, обычно не учитываемых, факторов и изучены корреляционные связи гравимониторинговых записей с ними. В частности было установлено, что вспышечная активность Солнца, вопреки некоторым мнениям, не оказывает ощутимого влияния на компьютеризированные гравиметры. Также была показана и обоснована неправомочность объяснения наблюдаемых гравиинерциальных эффектов исключительно микросейсмами от волн штормового генезиса различной интенсивности.

Установлена возможность надёжной регистрации в гравиинерциальном поле геодинамических процессов (землетрясений), с точностью, сопоставимой со специализированными сейсмостанциями. Эта возможность обусловлена, во многом, особенностями реализации процедуры взятия отсчётов силы тяжести в.

96 компьютеризированных гравиметрах и их конструктивным сходством с сейсмографами, точнее с сейсмографом Голицына.

Установлена возможность проведения гравимониторинговых измерений с целью регистрации землетрясений и их предвестников в недостаточно идеальных для проведения мониторинга условиях урбанистических агломераций. Эта возможность обусловлена конструктивными особенностями гравиметров «8ст1гех», используемыми функциями калибровки, коррекции результатов измерений и их отбраковки, а также спектральными характеристиками сигналов предвестникового и техногенного генезиса.

Проведён анализ гравиинерциальных эффектов на предмет их соответствия требованиям, предъявляемым к краткосрочным предвестникам землетрясений в рамках существующей научной парадигмы. Также предложена физическая модель подготовки очага будущего землетрясения, основанная на концепции тектонических волн и, возможно, имеющего место явления перехода чувствительности регистрирующей системы гравиметра.

Создан граф формализованной процедуры выделения аномалий прогностического признака как при ретроспективной, так и при прогностической оценке предвестника в одной или нескольких точках мониторинга. Граф позволяет обрабатывать данные гравимониторинга в оперативном режиме, сводя к минимуму временные издержки процедуры обработки данных с целью оценки геодинамической обстановки.

По мнению автора, исследования гравиинерциальных эффектов могут иметь дальнейшее развитие. Так, могут быть реализованы автоматизированные программные методы обработки используемых в работе данных, с последующим созданием глобальных ГИС для их хранения, обработки и передачи с целью выработки прогнозов, ретроспективной оценки и совершенствования и уточнения применяемых методик и моделей.

Для построения ГИС и локализации очага землетрясения, в первую очередь, необходимо создание глобальных, региональных и локальных прогностических полигонов, оснащённых высокочувствительными.

97 компьютеризированными гравиметрами. Как было показано ранее, при наличии соответствующей материально-технической базы, т. е. не задействованных в полевых работах гравиметров, эта процедура не потребует существенных финансовых и временных затрат.

Полученные в исследовании результаты удовлетворительно совпадают с имеющимися геолого-геофизическими данными.