CC BY
27
Кожеуров Максим Александрович, асп., maxxomonte@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Родионов Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFORMATION-MEASURING STABILIZATION AND INDUCTION SYSTEMWITH THREE-
PHASE ASYNCHRONOUS ENGINE
M.A. Kozheurov, V.I. Rodionov.
The dynamic model shows and the motion error of information-measuring stabilization and induction system that install on a movable base has been investigated. The investigates have been carried at varying angles of bearing at dynamics of gyroscopes and electric drives with vector control of three-phase asynchronous engine. Key words: vector control, vision line, electric drive.
Kozheurov Maksim Aleksandrovich, postgraduate, tgupu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rodionov Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, tgu-pu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 550.37;53.084;519.688
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СЕТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ГРУНТАХ И НЕКОТОРЫЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В.С. Бобровский
Рассмотрены технические вопросы организации мониторинга электрических процессов в приповерхностных грунтах с помощью многоэлектродных систем: конструкция измерительного шурфа, набор измеряемых параметров и способы измерений. Показана структура существующей сети измерений, состоящей из 12 станций. Приведены графики зарегистрированных нестационарных подземно-электрических сигналов, зарегистрированных перед рядом сильнейших землетрясений.
Ключевые слова: электрические измерения, шурф, многоэлектродная система, постоянная составляющая, переменная составляющая.
Электрические измерения с использованием длинных измерительных линий, заглубленных на небольшую глубину в грунт, известны и проводятся с конца XIX века. Классической схемой измерений являются пары
129
свинцовых электродов, размещенных в неглубоких шурфах, которые располагают на расстояниях от сотен метров до километров друг от друга. Организованные таким образом пары измерительных линий протягивают вдоль магнитных меридиана и параллели. С помощью подобных «крестов» измерения проводятся в сейсмоопасных районах - Греции (метод VAN) [1], Японии [2] и на Камчатке [3] с целью распознавания локальных предвестников землетрясений.
Принципиально иной подход - подземно-электрические измерения - разработан в конце 80-х гг. на Камчатке канд. физ.-мат. наук Д.А. Кузнецовым Измерения были начаты в эпизодическом режиме на кафедре физики Камчатского государственного педагогического института (в настоящее время Камчатский государственный университет им. Витуса Беринга). Позднее после успешной ликвидации известных камчатских сейсмических паник 1990 и 1991 годов измерения были организованы в Камчатском прогностическом центре и осуществлялись на постоянной основе с 1991 по 1994 гг. при штабе гражданской обороны Камчатской области с помощью аппаратуры Импульс-1 и Импульс-2 [4]. C 2001 г. данная работа была продолжена Дистантной школой «Космо-Метео-Тектоника» в сотрудничестве с разработчиком метода. В данном подходе применяется вертикальная система горизонтально расположенных компактных электродов [5,6,7], закопанных на небольшой глубине в грунт, а измеряемыми величинами являются разности потенциалов между различными электродами. Данная схема оказалась эффективным способом регистрации импульсных нестационарных электрических процессов на границе «литосфера - атмосфера», сообщающих о глобальных эффектах подготовки землетрясений [5, 6, 7].
В настоящей работе рассматриваются технические вопросы организации подземно-электрических измерений на территориально распределенной сети измерительных пунктов, а также практические результаты по исследованию нестационарных электрических процессов в задачах прогноза сейсмических событий и литосферно-атмосферно-ионосферных взаимодействий.
Конструкция измерительного шурфа. Типовой пункт подземно-электрических измерений имеет три измерительных шурфа, расположенных под углом 45 градусов к магнитному меридиану: северо-восточный (СВ), центральный (Ц) и юго-западный (ЮЗ). Шурфы располагаются на расстоянии 2...5 м друг от друга. Каждый шурф имеет глубину 1,5...3 м (рис.1).
Типовой шурф имеет 4 измерительных электрода, однако может использоваться и большее число электродов (5, 6 и более). Стальные электроды размерами до ~500x500x3 мм располагают в шурфе горизонтально и отделяют друг от друга слоем утрамбованного грунта мощностью
-300...500 мм. В качестве материала электродов используется сталь, например, сталь-3. К каждому электроду подсоединен электрический кабель, выведенный из шурфа на поверхность земли. Соединение кабеля с электродом защищено от коррозии специальным покрытием типа смолы или битума.
Рис.1. Типовой измерительный шурф: 1, 2, 3, 4 - электроды
Измеряемой величиной является разность потенциалов между электродами в каждом шурфе (электрод-электродная схема), между электродами в различных шурфах (субгоризонтальная схема), между каждым электродом и локальным заземлением (схема с общей землей).
Общая схема измерений показана на рис.2. Стрелками обозначены измеряемые разности потенциалов:
- 12 разностей потенциалов между каждым электродом и локальным заземлением (стрелки со сплошной линией);
- 9 разностей потенциалов между электродами шурфа (3 для каждого шурфа, стрелки с точками);
- 8 разностей потенциалов между вторым электродом центрального шурфа и каждым из электродов в северо-восточном и юго-западном шурфе (стрелки с пунктирами).
Рис.2. Набор измеряемых разностей потенциалов: 1> 2> 3, 4 - электроды
131
В качестве локального заземления используется контур электрического заземления или же трубы центрального отопления или водопровода.
Таким образом, измеряемыми являются 29 разностей потенциалов или, другими словами, 29 подземно-электрических ЭДС.
Измеряемые разности потенциалов обозначаются с указанием шурфов и номеров электродов, между которыми измеряется разность потенциалов. Электрод, связанный с локальным заземлением, обозначается как «О». Так, обозначение ЦО1 означает разность потенциалов между электродом 1 и локальным заземлением в центральном шурфе; обозначение ЮЗ56 - разность потенциалов между электродами 5 и 6 в юго-западном шурфе; ЮЗ4Ц2 - разность потенциалов между электродом 4 в юго-западном шурфе и электродом 2 в центральном шурфе.
Измерения, выполненные на реальном шурфе в Тульском государственном университете, показывают, что внутреннее сопротивление двухполюсника, состоящего из электрода шурфа и локального заземления, составляет величину порядка сотни Ом, для двухполюсника, состоящего из электродов в разных шурфах, - около единиц кОм. Такие величины внутренних сопротивлений требуют использования системы сбора данных с дифференциальным входом.
Система сбора данных и обработка сигналов. В настоящее время измеряемыми величинами являются постоянная и переменная составляющая подземно-электрических ЭДС. Измерения выполняются в частотном диапазоне 0...4 кГц. В качестве меры переменной составляющей выступает средневыпрямленное значение переменной составляющей напряжения.
Измерения выполняются с помощью стандартного сертифицированного измерительного ШВ-модуля Е14-140М (ООО Л-Кард (Россия), сертификат N 38403 от 2010/03/03), внесенного в Государственный реестр средств измерений (N0.43195-09).
Сигналы электродов оцифровываются с частотой дискретизации 12.5 или 14 кГц, расчет постоянной и переменной составляющих выполняется программно. Схема программной обработки сигналов показана на рис.3.
Входной_ сигнал!
ФНЧ Децимация
ФВЧ Выпрямление
► Пост.
составляющая
ФНЧ
Децимация
—► Перем. составляющая
Рис.3. Схема обработки сигналов электродов
Постоянная составляющая вычисляется путем применения к исходному сигналу фильтра низких частот (ФНЧ) с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) 6-го порядка с частотой среза 10,0 мГц и последую-
132
щей децимацией до частоты дискретизации 1 Гц. Переменная составляющая вычисляется путем последовательного применения БИХ-фильтра высоких частот (ФВЧ) 6-го порядка с частотой среза 4 Гц, выпрямления полученного сигнала и последующего применения ФНЧ (БИХ-фильтр 6-го порядка с частотой среза 10мГц). В качестве фильтров используются цифровые фильтры Бесселя. Вычисленные значения постоянной и переменной составляющих для каждого канала записываются в файлы.
Описанная схема обработки аналогична измерениям постоянной и переменной составляющих с помощью многоканального мультиметра и была выбрана для обеспечения сопоставимости результатов со старыми измерениями, которые до 2012 г. выполнялись вручную с помощью цифрового мультиметра, в результате чего был накоплен значительный архив данных.
Структура сети мониторинга. В настоящее время развернута международная сеть мониторинга, состоящая из 12 станций (рис.4), параметры которых представлены в таблице. «ПК» в графе «Местоположение» означает Петропавловск-Камчатский.
Технически станции 81-БЕ8Р_РК и 81-ОЕ8Р_И7 представляют собой одну станцию, разделенную на две ввиду ограничения на число входных каналов используемого измерительного оборудования. Только станция №1 имеет все 29 измерительных каналов, показанных на рис.2. Число каналов на остальных станциях уменьшено по различным соображениям.
Рис. 4. Схема расположения станций измерений: 1 - группа из 6 станций в районе г. Петропавловск-Камчатский; 2 - с. Эссо (Камчатка), 3 - г. Горно-Алтайск; 4 - г. Симферополь; 5 - 2 станции в районе г. Кьети (Италия), 6 - г. Ефремов (Тульская обл.), 7 - г. Тула
На каждой станции данные представляют собой многоканальные записи, содержащие постоянную и переменную составляющую измеряемых разностей потенциалов.
Каждая станция укомплектована измерительным оборудованием, подключенным к шурфу, ноутбуком со специализированным программным обеспечением, а также роутером с 3О-модемом, посредством которого выполняется передача информации по сети Интернет.
Станции работают в автономном режиме и осуществляют передачу данных на центральный сервер, доступный в Интернет, по адресу http://www.cosmetecor.org. Графические зависимости сигналов за последние 2 суток и 30 дней по каждому измерительному каналу представлены на сайте и доступны для использования другими исследователями. Данные ежесекундных измерений с 2012 года находятся в открытом доступе по адресу ftp://cosmetecor.org.
Примеры сигналов и практическое использование
Согласно теоретическим положения [5 - 8] перед сильными землетрясениями наблюдаются нестационарные электрические процессы в приповерхностных грунтах, характерными примерами которых являются сигналы вида «заряд - разряд» или последовательностей «заряд - разряд», по виду аналогичные переходным процессам при зарядке/разрядке конденсаторов; импульс или последовательность импульсов - резкие изменения постоянной и/или переменной составляющей сигналов. Данные процессы имеют глобальный масштаб и могут наблюдаться на значительных расстояниях от эпицентра землетрясения. Характерный пример (эталон) сигналов и соответствующие сейсмические и вулканические события 1993/1994 гг. показаны в [7].
В работе [9] приведен длинный временной ряд зарегистрированных сигналов канала СВ56 станции 81-БЕ8Р_РК на временном интервале 2004 - 2012 гг. и показано, что сильнейшие землетрясения (землетрясение в районе Суматры 2004 г. и в Японии 2011 г.) соответствовали максимальным значениям переменной составляющей ЭДС, за которыми произошло резкое падение значений. Также приведены примеры сигналов, зарегистрированных перед рядом сильнейших землетрясений: землетрясения в Охотском море 24.05.2013 г. c М8.3, у восточного побережья Камчатки 12.11.2013 г. с М6.4, в районе Алеутских островов 23.06.2014 г. с М7.9, землетрясения в Непале 25.04.2015 г. с М7.8.
Информация о станциях измерений
№ станции Имя станции Местоположение Число каналов
1 2 3 4
1 81-БЕ8Р РК ПК 16
81-БЕ8Р Ш ПК 13
2 81-1МБ8ЕТ ПК 16
3 82- ТМБ8ЕТ Елизово, Камчатка 14
Окончание
1 2 3 4
4 83- 1МР8ЕТ ПК 16
5 84-1МЕ8ЕТ Эссо, Камчатка 14
6 85- 1МБ 8ЕТ Горно-Алтайск 16
7 86- 1МБ8ЕТ Кьети, Италия 16
8 87- 1МБ8ЕТ ПК 16
9 88-1МБ8ЕТ Симферополь, Крым 16
10 89-1МБ8ЕТ Кьети, Италия 16
11 810 Тула 16
12 811 Ефремов, Тульская область 16
В работе [10] с использованием аппарата многомерных временных рядов, разработанного А.А. Любушиным применительно к задачам геофизики, показано возникновение значительного всплеска когерентности при совместном рассмотрении (комплексации) данных подземно-электрических измерений, данных о сейсмическом шуме японской сети широкополосных сейсмографов Б-пе1;, а также данных крутильных маятников Тульского государственного университета на временном интервале 2012 - 2015 гг. Часть из указанных всплесков когерентности может быть связаны с подготовкой сильнейшего землетрясения в Охотском море к западу от Камчатки 24 мая 2013 с М8.3.
В работах [12 - 15] показано использование данных сети при анализе признаков подготовки землетрясений на основе концепции сейсмотек-тогенеза [14] при анализе признаков подготовки землетрясений и разработке краткосрочных прогнозов.
На рис. 5 показаны сигналы, имеющие контрастные аномалии и зарегистрированные перед последними сильнейшими событиями в Камчатской зоне мониторинга: Жупановское землетрясение 30.01.2016 с М 7.2 (рис. 5, а) и землетрясение 20.03.2016 с М6.4 у восточного побережья Камчатки (рис. 5, б). Стрелками показаны моменты землетрясений.
Второй группой задач, для решения которых могут применяться подземно-электрические измерения, является исследование литосферно-атмосферно-ионосферных связей на примере грозовой активности. В докладах [16, 17] показаны нестационарные процессы, в том числе импульсного типа, зарегистрированные за 1...15 минут до грозовых разрядов на территории Авачинского залива. Представляется, что исследование процессов обмена заряда на границы литосфера-атмосфера может позволить разработать физические модели корреляции сейсмической и грозовой активности, обнаруженные, например, в последних работах [18].
66 55 44 33 22 11
мВ
М7. 2
~5 дн со гг го О ^ Й 5 ?
О Го со Время
15.01 19.01 23.01 29.01 31.01
-17 -34 -51 -68 -85 -102 -119
мВ
М7.1
М7.2
- 1 , 1 | 1 1 , ■ 2 Д к . 11 111
!
1 со О Í: ^ fe 5 1
1 со !
: о ! cn го;
1 — -w ТГ о; р к; о со со ^
-з д Н. I^J см < i....... 11 Время
15.01 19.01 23.01 29.01 31.01
а
114
95 76 57
38 19
мВ
. . . , i , 1 1 1 1 1 1 1 I 1 . 1 . 1 . vW i .,Ш6А
упреждение; -16 часов: : со 1 т- СО ; О
: CN fc ^ го I ñ X : R 5
¡1 j о го i СМ bí
01.
03 03.03 05.03 07.03 09.03 11.03 13.03 15.03 17.03 19.03 21.03 23.03
б
Рис. 5. Примеры сигналов: а - перед Жупановским землетрясением
30 января 2016 с М7.2 (станция 81-ОЕ8Р_РК, канал Ц56, пост. составляющая) и землетрясением в районе Аляски 24 января 2016 с М7.1 (станция 83-1М¥8ЕТ, канал ЮЗ45, пост. составляющая); б - перед землетрясением 20.03.2016 с М6.4 (станция 81-ВЕ8Р_РК, канал ЦО2, пост. составляющая)
Заключение
Созданная сеть мониторинга впервые позволила осуществлять непрерывный систематический мониторинг низкочастотных электрических процессов в грунтах на границе литосферы и атмосферы. Дальнейшее развитие сети будет заключаться в организации дополнительных территориально распределенных пунктов измерений как в сейсмически опасных, так и в асейсмичных районах. Для территории РФ значительный интерес представляет установка станций в районе озера Байкал, на Кавказе, на Урале, на Кольском полуострове, в Приморье.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в Тульском государственном университете (контракт № 14.577.21.0109, уникальный идентификатор проекта КЕМЕБ157714X0109).
Список литературы
1. Varotsos P., Lazaridou M. Latest aspects of earthquake prediction in Greece based on seismic electric signals // Tectonophysics. 1991. Vol.188. Issues 3-4. P. 321-347.
2. Geoelectric potential changes: Possible precursors to earthquakes in Japan / S. Uyeda, T. Nagao, Y. Orihara, T. Yamaguchi, I. Takahashi // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2000. Vol. 97. Issue 9. P. 4561 - 4566.
3. Lyubushin Jr. A.A., Kopylova G.N. Multidimensional wavelet analysis of time series of electrotelluric observations in Kamchatka // Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2004. Vol. 40. № 2. P. 163 - 175.
4. Бобровский В.С., Кузнецов Д.А. Космометеотектоника. Главы 0110. ПК: Дистанц. шк. "КосмоМетеоТектоника", 2011. 294 с.
5. Кузнецов Д.А. Практика краткосрочного прогноза землетрясений: астрокосмогеофизические импульсы Вернадского-Власова-Воробьева-Пригожина на вертикальной последовательности подземных электродов в разломе «Пединститутский» на магнитном меридиане Петро-павловска-Камчатского. Петропавловск-Камчатский: КГПИ, 1991. 9 с.
6. Bobrovskiy V.S. The results of subterranean electric measurements on Kamchatka as global effects of proton tectogenesis: damaging earthquakes in Indonesia and China / под ред. P.Guarnieri. в Progress on Earthquake Geology. 2011. 257 P. 189-248.
7. Бобровский В.С., Шопин С.А. Сеть подземно-электрических измерений и некоторые полученные результаты // Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Восьмые научные чтения памяти В.П. Булашевича: материалы конференции. Екатеринбург: УРО РАН, 2015. С. 38 - 42.
8. Бобровский В.С., Кузнецов Д.А. Сейсмоглобальная концепция на примере сильнейших землетрясений с магнитудой М>8, произошедших в 2001-2015 гг. М.: Научный мир. 2016. 272 с.
9. Bobrovskiy V.S., Shopin S.A. Experimental subterranean electric measurements network utilized in Kamchatka region // Proc. of 19th International Conference on System Theory, Control and Computing (ICSTCC), Cheile Gra-distei - Fundata Resort, Romania, October 14-16, 2015. P. 503-507.
10. Lyubushin A.A., Bobrovskiy V.S., Shopin S.A. Experience of com-plexation of global geophysical observations // Geodynamics & Tectonophysics, 2016. Vol. 7 (1). P. 1-21.
12. Геофизические признаки сильнейшего глубокофокусного Охото-морского землетрясения 24 мая 2013 г. / Л.Н. Дода, В. Л. Натяганов, В.С. Бобровский, С.А. Шопин // Глубинное строение, геодинамика, тепловое по-
ле Земли, интерпретация геофизических полей. Восьмые научные чтения памяти В.П. Булашевича. Материалы конференции, Екатеринбург: УРО РАН, 2015. С. 116 - 120.
13. Дода Л.Н., Пахомов Л. А., Степанов И.В. Космический мониторинг предвестников землетрясений // Наука в России. 2009. № 6. С. 30 - 38.
14. Earthquakes forecasts following space- and ground-based monitoring / L.N. Doda, V.R. Dushin, V.L. Natyaganov, N.N. Smirnov, I.V. Stepanov // Acta Astronautica. 2011. V.69. P. 18 - 23.
15. Наземно-космический мониторинг и прогноз мегаземлетрясения в Японии 11 марта 2011 г. / Л.Н. Дода, О.В. Мартынов, Л.А. Пахомов, В.Л. Натяганов, И.В. Степанов // НТР. 2011. Т. 90. № 1. С. 35 - 44.
16. Bobrovskiy V. Kamchatka's Subterranean Electric Bursts Preceding Lightning Strikes in the Avacha Bay Territory: Case Study during Night of July 21(22), 2015 // AGU Fall Meeting, 14-18 December 2015, San Francisco, USA. 2015. AE31A-0407.
17. Bobrovskiy V. Multichannel Registration of Nonstationary Subterranean Electromotive Forces as Lightning Precursors in the Avacha Bay Territory (Kamchatka): Case Study during Night of July 21(22), 2015 // EGU General Assembly 2016. Geophysical Research Abstracts, Vol. 18, EGU2016-12172. 2016.
18. A Statistical Study of Lightning Activities and M>5.0 Earthquakes in Taiwan During 1993-2004 / J.Y. Liu, Y.I. Chen, C.H. Huang, Y.Y. Ho, C.H. Chen // Surv. Geophys. 2015. Vol. 36. P. 851 - 859.
Бобровский Вадим Сергеевич, директор, vadokoemagmail. com, Россия, Петропавловск-Камчатский, Дистантная школа «Космо-Метео-Тектоника»
DISTRIBUTED NETWORK OF ELECTRICAL MEASUREMENTS IN THE NEAR-SURFACE SOILS AND SOME OBTAINED RESULTS
V.S. Bobrovskiy
We consider technical aspects of monitoring organization of near-surface electrical processes using multi-electrode systems: measurement pit construction, set of measured parameters and the method of measurements. Structure ofpresent-time network consisting of 12 stations is shown. Some non-stationary subterranean electric signals registered before several strongest earthquakes are presented.
Key words: electrical measurements, pit, multi-electrode system, direct current component, alternative current component.
Bobrovskiy Vadim Sergeevich, director, vadokoemagmail. com, Russia, Petropav-lovsk-Kamchatsky, Distant school "Cosmic-Meteo-Tectonics "
