Введение к работе
Совместный анализ различных геофизических полей и параметров сейсмичности - перспективный метод исследований по прогнозу землетрясений. Однако опыт многолетних наблюдений показывает, что практически все геофизические поля подвержены значительным временным изменениям в широком диапазоне периодов, среди которых преобладают колебания с окологодовым периодом, называемые обычно сезонными. Обнаружение на этом фоне предвестниковых вариаций, связанных с предстоящим землетрясением - непростая задача.
Ясно, что для решения этой задачи необходимо изучать как свойства "предвестников" (чему в последние десятилетия было посвящено довольно много работ), так и свойства "фоновых", т.е. не связанных с сейсмичностью, вариаций. Всестороннее исследование свойств "фона", влияния экзогенных факторов на вариации различных геофизических параметров было важной целью при постановке комплексных электрометрических наблюдений на Гармском полигоне [Сидорин, Журавлев, Осташевский, 1983]. В ходе этого уникального эксперимента было получено более 80 длительных рядов наблюдений различных параметров, характеризующих состояние геофизической среды в одном из наиболее сейсмоактивных районов континентальной части бывшего СССР.
Актуальность поставленной задачи изучения свойств фоновых, в частности сезонных, вариаций электрометрических параметров по данным, полученным на Гармском полигоне, определяется как самостоятельной научной ценностью такого исследования, так и возможностью использования его результатов при работах, нацеленных на поиск предвестников и прогноз землетрясений.
Цель работы - развитие методической базы исследований по прогнозу землетрясений, изучение свойств фоновых вариаций геофизических параметров.
Задачи работы: 1) организация компьютерной базы экспериментальных данных; 2) разработка алгоритмически-программного аппарата для анализа длительных временных рядов; 3) детальное исследование свойств "фоновых", прежде всего сезонных, вариаций наблюдаемых параметров.
Методика исследований основана на применении известных и вновь разработанных статистических методов для анализа обширного массива экспериментальных реализаций. Для решения различных задач широко используется численное моделирование. В процессе работы было написано около 40 000 строк программного кода на языках Фортран, Си и Ассемблер.
Научная новизна. На примере данных Гармского полигона впервые дано систематическое описание свойств "фоновых" вариаций большого количества экспериментальных реализаций различных электрометрических параметров.
Впервые выполнено сравнительное тестирование нескольких методов адаптивной фильтрации сезонной компоненты вариаций, для большого количества различных параметров собраны материалы по форме сезонной вариации, показано ее существенное отличие от синусоидальной, предложена методика и выполнено исследование изменчивости параметров сезонной вариации от года к году. Для рядов кажущегося сопротивления и естественного электрического поля исследована зависимость амплитуды и формы среднесезонной функции от разноса электродов, выполнено сопоставление формы среднесезонных вариаций кажущегося сопротивления и комплекса параметров гидрометеорологического режима. Показано, что амплитуда сезонных вариаций кажущегося сопротивления может быть значительной не только в поверхностных, но и более глубоких слоях.
Существенно нов вывод о фликкер-шумовой структуре спектра остаточных (несезонных) компонент вариаций рассматриваемого класса рядов.
Защищаемые положения
-
Созданная база временных рядов данных наблюдений электрометрических и иных параметров, полученных в результате уникального эксперимента на Гармском полигоне, разработанный проблемно-ориентированный пакет программ для сопровождения и анализа длительных временных рядов.
-
Результаты сравнительного тестирования нескольких методов фильтрации сезонной компоненты вариаций, показывающие, что метод среднесезонной функции имеет ряд положительных качеств, позволяющих эффективно использовать его для решения поставленной задачи.
-
Преобладающая роль годовой периодичности в вариациях всех рассмотренных параметров в диапазоне периодов от нескольких суток до 2-4 лет.
-
Методика и результаты детальных исследований сезонных эффектов в вариациях различных геоэлектрических и иных параметров.
-
Принципиальное отличие отфильтрованных от сезонной компоненты вариаций реализаций всех рассмотренных электрометрических параметров от белого шума, заключающееся в степенной расходимости спектров в области низких частот с показателем степени, близким к 1.
Практическая ценность и внедрение
Важнейший результат - создание базы временных рядов данных электрометрических и иных наблюдений, выполненных на Гармском полигоне. Организация
базы позволила не только сохранить основную массу результатов многолетних исследований в ходе мероприятий, связанных с ликвидацией полигона, но и представить все эти данные в форме, удобной для дальнейшего анализа.
Выводы о структуре "фоновых" вариаций различных электрометрических параметров имеют принципиальное значение для работ по поиску и изучению предвестников землетрясений. Показано, что формальное применение методов, явно или неявно основанных на гипотезе о "белошумовом" характере "нормальных" вариаций (на фоне которых выделяются связанные с сейсмическими событиями предвестники) может приводить к ошибочным результатам. Рекомендуется разделять исходные реализации на компоненты с известными свойствами и затем анализировать каждую компоненту по отдельности.
Методические и алгоритмические разработки могут быть использованы во всех исследованиях, нацеленных на анализ экспериментальных рядов данных, выявление в них регулярных и апериодических компонент и аномальных вариаций, связанных с различными факторами, такими как землетрясения и др.
Несомненную практическую ценность имеет программный пакет ABD. Его отличительная особенность - интеграция в одном пакете СУБД временных рядов, комплекса методов анализа рядов и интерактивной графической системы визуализации результатов, основанная на предметной модели данных. Важно, что пакет открыт для дополнения новыми процедурами и методами анализа. В настоящее время пакет ABD успешно внедрен и эксплуатируется в нескольких организациях, в том числе ОИФЗ РАН (лаб.СИ-12, СИ-18), ИБХФ РАН (сектор математического моделирования), ИТЭБ РАН (лаб. физической биохимии), АООО "Гидроспец-проект", (лаб. геофизических исследований и изысканий), геофизическом центре "ГЕОН" (РОСКОМНЕДРА), АООТ "Подмосковное геологическое предприятие" г.Тула (геофизический участок), КЭ ИС АН Республики Узбекистан и др.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 116 страницах, состоит из введения, заключения, 5 глав текста и 1 приложения. Включает 45 рисунков и 12 таблиц, список литературы из 127 наименований.