CC BY
10Анализ сигнала измерителя деформаций
U ТП U U 1 U
земной коры в Байкальской рифтовои зоне
Ю.Н. Фомин\ В.А. Жмудь2-3, В.М. Семибаламут1, Д.О. Терешкин1, С.В. Панов3, Л.В. Димитров4
1 Сибирский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», Новосибирск, Россия 2 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия 3Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск, Россия 4 Технический университет Софии, София, Болгария
Аннотация: С 1994 года по настоящее время регулярно ведутся записи деформаций Земной коры, которые измеряются лазерным измерителем перемещений, называемым деформографом. Этот измеритель регистрирует изменения расстояний между зеркалами, укрепленными на скальной породе внутри штольни в двух направлениях: Север-Юг и Запад-Восток. Такие наблюдения осуществляются в районе Горного Алтая, в Казахстане и вблизи озера Байкал. Один из длительно действующих деформографов установлен в штольне сейсмостанции «Талая» в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ). Записи деформаций (деформограммы) анализируются с целью исследования процессов в Земной коре и для выявления предвестником землетрясений. В 2016 году была проведена работа по систематизации цифровых записей деформационного процесса за период с 1994 по 2016 годы. Составлен цифровой каталог дающий общее представление об имеющемся в распоряжении материале для обработки. Записи за 2016 год проанализированы особенно детально. Данная статья сообщает наиболее интересные результаты этого анализа.
Ключевые слова: обработка информации, лазерная физика, предвестники землетрясений, точность, фильтрация
ВВЕДЕНИЕ
Лазерный измеритель деформаций скальных пород, называемый деформографом, используется для регистрации деформаций Земной коры в двух ортогональных направлениях для изучения процессовв коре и для обнаружения предвестников землетрясений. Оптическая схема прибора и его электронная и программно-аппаратная части описаны в публикациях [1-10]. Прибор измеряет приращения длины в скальной породе на измерительных плечах длиной 25 м в направлениях Север-Юг и Запад-Восток. Для устранения влияния атмосферы также в приборе имеется компенсационное плечо с эталоном длины. Регистрируются приращения длины по каждому плечу в отдельности, а также разность приращений в двух плечах. Настоящая статья сообщает о результатах обработки данных, полученных, начиная с 1994 года по настоящее время, в штольне обсерватории «Талая», которая расположена в Байкальской рифтовой зоне. В 2016 году была проведена работа по систематизации цифровых записей
деформационного процесса за период с 1994 по 2016 годы. Составлен цифровой каталог дающий общее представление об имеющемся в распоряжении материале для обработки. Записи за 2016 год проанализированы особенно детально. Результаты этой обработки представлены в настоящей статье.
1. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ НАКОПЛЕННЫХ ДАННЫХ
Зафиксировано регулярное изменение амплитуды сигнала и шума. Показано относительно регулярное повторение
максимумов огибающей амплитуды шума каждые 24 часа с наивысшим ее значением, в период нахождения Солнца в зенитном положении. Доказано, что этот эффект не связан с вариациями метеорологических параметров (давление, температура, облачность, осадки). Показано наличие годовой вариации, как амплитуды, так и положения максимума регистрируемого эффекта.
Выделены участки деформограмм, на которых наблюдается суточная периодичность в сигнале компенсационного плеча, чего это не выявлялось без использования корреляционных подходов. Это можно наблюдать на Рис. 1, где представлены две семидневные деформограммы отфильтрованные в диапазоне 20-40 с. Верхние графики относятся к фильтрованному сигналу компенсационного канала, а нижние к сигналу измерительного плеча. В левой части показан характерный пример записи, где в компенсационном плече из-за высокого уровня шума сложно зафиксировать наличие суточной вариации амплитуды сигнала, в правой части показан редкий случай, где этот эффект виден в компенсационном плече без дополнительной обработки.
Здесь и в дальнейшем из двух измерительных каналов представляется только один в связи с практически полной идентичности эффекта в обоих каналах. При этом сигнал в компенсационном и измерительных плечах похожи, но не пропорциональны. Уровень сигнала в компенсационном плече соответствует вариациям давления в диапазоне 515 мбар. С целью уточнения положения суточного максимума в вариациях амплитуды сигнала проведено усреднение по ансамблю
среди дней, в которых отсутствовали разрывы в записях суммарно превышающие 3 часа. Также исключены из обработки дни, в записях которых присутствовали землетрясения или другие возмущения, амплитуда которых на порядок превышала ожидаемую величину. Поэтому в усреднении использовано 4857 суточных отрезка. Результат усреднения представлен на Рис. 2, серым цветом
представлен результат усреднения без отсева отдельных дней, в котором приняло участие 4963 суток. Уточненный максимум приходится на 4:28 ± 25 мин UTC или 11:22 ± 25 мин LMT (Local Mean Time - среднее солнечное время). Из Рис. 2 явно следует наличие суточной вариации амплитуды сигнала в компенсационном плече. На рисунке представлены усреднения без дополнительных сглаживаний.
16.09.2005 18.09.2005 20.09.2005 22.09.2005 06.05.1998 08.05.1998 10.05.1998 12.05.19
Компенсационное плечо,-Измерительное плечо
Рис. 1. Характерные записи сигналов фильтрованных деформограмм
Время иТС
Рис. 2. Усредненная вариация амплитуда сигнала в течение суток
Отсутствие техногенного источника рассматриваемого эффекта следует из усреднения амплитудных вариаций среди суточных отрезков деформограмм
сгруппированных по дням недели. Как видно на
Рис. 3, в течение недели эффект не видоизменяется. В квадратных скобках под названием дня недели стоит число дней использованных для получения конкретного участка графика.
Рис. 3. Усредненная суточная вариация амплитуды по дням недели
Ранее показано что эффект не стационарен и видоизменятся в течение года. Для анализа изменения амплитуды на протяжении года взяты усредненные по ансамблю наборы суточных вариаций амплитуды
сгруппированные по месяцам. Обобщенный результат представлен на Рис. 4, серым цветом
представлены усредненные сигналы, а более темной линией - результат их сглаживания с треугольным окном шириной около 2 часа. Практически во всех месяцах выделяется не один, а два максимума, при этом меняется как их амплитуда, так и положение.
Рис.
ЯНВ ФЕВ MAP АПР МАИ ИЮН ИЮЛ
4. Усредненная суточная вариация амплитуды по месяцам
Для более детального рассмотрения динамики изменения амплитуд и положений максимумов год был разбит на пятидневные отрезки и посчитаны усредненные суточные
вариации амплитуды сигнала отдельно для каждого набора. Так же для удобства восприятия вместо шкалы всемирного времени использовано среднее солнечное время
поскольку, как уже было показано ранее, усредненный за год максимум лежит вблизи времени зенитного положения Солнца. При этом мы отказались от использования местного солнечного времени, поскольку при использовании «уравнения времени» временная шкала сдвигается в течение года на величину около 18 мин, что значительно меньше длительности возмущений и сопоставимо с точностью локализации их максимумов. Объединив результаты усреднения, получаем двухмерные гистограммы , как на Рис. 5, где по осям абсцисс и ординат отложены соответственно месяц и время от начала дня, а цветом указан уровень амплитуды сигнала от темного к светлому, по мере возрастания интенсивности. Перед визуализацией гистограмма была сглажена по временной шкале с применением треугольного окна шириной 2 часа, а по оси абсцисс -треугольным окном шириной 5 точек. Красной горизонтальной линией отмечено время, соответствующее полуночи по мировому времени. Набор желтых точек отмечает положение явно выделяемых максимумов в распределениях. Выявлено существование двух максимумов. Один из них наблюдается с мая по октябрь и локализуется приблизительно в одно и то же время при этом с марта по май его амплитуда растет, а с мая по октябрь падает.
Другой максимум наблюдается на протяжении всего года, при этом меняется как его амплитуда, так и его положение во времени. Этот максимум сдвигается за первую половину года на 4 часа в сторону начала дня, а во время второй половины - возвращается обратно в сторону полудня. Вариация его амплитуды содержит два максимума: декабрь и май.
Другой способ наглядно
продемонстрировать эволюцию суточного распределения амплитуды сигнала это представить распределения в едином масштабе на одном графике. Однако в связи с большим числом кривых, для более удобного восприятия кривые разбиты на шесть групп (по два месяца или 12 кривых) и показаны в едином масштабе отдельными графиками (см. Рис. 6). Также на каждом из графиков пунктирной линией нарисована кривая соответствующая усредненной вариации амплитуды сигнала в течение суток за все время наблюдения. Стрелочками показано направление изменения со временем максимумов, а рядом со стрелочками представлены время локализации максимумов в начале и в конце представленного периода с точностью около 5 мин. Кроме описанных двух максимумов, существует ещё и третий, который выделяется только в зимние месяцы и локализован в ночное время около 4:40 ЬМТ (21:46 иТС).
и 1_
1 =)
18 -
LO
<£>
+
-—'
о;
S
о Q. 12 -
CD
Ф
О
z
T
о
z
с
8 6 -
О)
CI
z
g
о
CL
О
.........
Рис. 5. Распределение амплитуды сигнала деформографа в измерительном плече в диапазоне 20-40 с
Рис. 7 показывает годовую вариациюя среднего уровня сигнала измерительного и компенсационного плеч в течение суток. Видно
увеличение уровня в декабре и мае и периоды затишья в феврале-марте и июле-октябре.
Рис. 6. Эволюция в течение года суточного распределения амплитуды сигнала отфильтрованного в диапазоне 20-40 с
Рис. 7. Годовые вариации среднесуточной амплитуды сигнала в диапазоне 20-40 с в измерительном и компенсационном плече
Также отметим ряд различий в поведении максимумов в измерительном и компенсационном каналах. Первое - это появление дополнительного локального максимума в компенсационном плече в период с августа по сентябрь. Второе - это значительно большее отношение между максимумами в декабре и мае на записях компенсационного канала по сравнению с тем же отношением в измерительном плече. Определение коэффициентов корреляции и уровня шумовой подложки может позволить выявить его природу и
прогностическую ценность при нарушении его периодичности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведен анализ нестационарности микродеформационного шума на протяжении года на основе экспериментальных данных лазерных деформографических измерений, полученных за период с 1994 г. по настоящее время. В результате анализа суточной повторяемости возбуждения в сигналах, регистрируемых лазерным деформографом в
диапазоне периодов 20-40 с, выявлено наличие нескольких областей локализации максимумов амплитуды регистрируемого сигнала. При этом если у одного максимума меняется в течение года только амплитуда, то у другого меняется как амплитуда, так и его положение во времени.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Zhmud, V., Semibalamut, V., Dimitrov, L.,Taichenachev, A. Modification of optoelectronic intellectual systems for absolute measurements in monitoring of earth seismic dynamics. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2017. 17(21), P. 999-1004.
[2] Zhmud, V., Semibalamut, V., Dimitrov, L., Fomin, Y. The increase of the accuracy of the laser-based measurement of ultra-low tidal deformation of rocks. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2017. 17(21), P. 10691076.
[3] Zhmud, V.; Semibalamut, V.; Dimitrov, L.; et al. Optoelectronic Intellectual Systems for Monitoring of Earth Seismic Dynamics: Results and Developing Directions. Proc. of 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference (SGEM 2016): Albena, Bulgaria: Jun 30-Juel 06, 2016. International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM. Vol. III. P.567-574.
[4] Zhmud, V.; Semibalamut, V.; Dimitrov, L.; et al. Software Structure for the Laser Sensor of Earth Crust Lunar-Solar Tide Deformations. Proc. of: 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference (SGEM 2016). Albena, Bulgaria: Jun 30-Juel 06, 2016. International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM. Vol. III. P. 615622.
[5] V.A. Zhmud, V.M. Semibalamut, L.V. Dimitrov, A.V. Taichenachev. Heterodyne Signal Filtering for Laser Measuring Systems. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference "Informatics, Geoinformatics and remote sensing" SGEM 2018. Conference proceedings. Vol.18. Issue 2.2. Informatics, Geoinformatics. Albena, Bulgaria. P. 227-234. ISBN 978-619-7408-40-9. ISSN 13142704. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2.
[6] V.A. Zhmud, V.M. Semibalamut, L.V. Dimitrov, A.V. Taichenachev. The Phase Locking System for the Frequency Locking of Lasers for Geoinformatics. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference "Informatics, Geoinformatics and remote sensing" SGEM 2018. Conference proceedings. Vol.18. Issue 2.2. Informatics, Geoinformatics. Albena, Bulgaria. P. 491-498. ISBN 978-619-7408-40-9. ISSN 1314-2704. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2.
[7] Vasil'ev, V.A., Zhmud', V.A., Il'yanovich, Yu.N., Semibalamut, V.M., Fomin, Yu. N. Detection of the increment of an instantaneous phase in a long-base laser meter of small vibrations. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2002. 45(4), P. 97-100.
[8] V.A. Zhmud, D.O. Tereshkin. Modelling Researches of the limitations for Fault-Tolerance Measurements of Ultra Small Displacements and Vibrations // Proceedings of the Asian Conference on Modelling, Identifiacation and Control (ASIA-MIC - 2012), P.1-11, DOI:10.2316/P.2012.769-026.
[9] Goncharenko A.M., Vasil'ev V.A., Zhmud' V.A. Method of sensivity rise of laser vibrometers. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing (Avtometria). 2003. 39(2), P. 43-47.
[10] Modification of software for the control of laser measurer of super small deformations. Zhmud, V., Tereshkin, D. 2013. 8th International Forum on Strategic Technology 2013, IFOST 2013 -Proceedings P. 260 - 264.
Юрий Николаевич Фомин
Сибирский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук» (СИФ ФИЦ ЕГС РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 13-3, начальник сектора, (383) 333 38 41, E-mail: [email protected]
Вадим Аркадьевич Жмудь -
заведующий кафедрой Автоматики НГТУ, профессор, доктор технических наук. E-mail: oao [email protected]
630073, Новосибирск, Просп. К. Маркса, д. 20
Владимир Михайлович
Семибаламут - к.ф.-м.н., директор Сибирского филиала Федерального исследо-
вательского центра «Единая геофизическая служба
Российской академии наук», Новосибирск, Россия.
E-mail: wladim2 8 @yandex. ru
Терешкин Денис Олегович
Сибирский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук» (СИФ ФИЦ ЕГС РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 13-3, ведущий электроник, (383) 333 38 41, E-mail: [email protected]
Сергей Владимирович Панов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева, 13-3, старший научный сотрудник, (383) 333 30 72, E-mail: [email protected]
Д.т.н. Любомир Димитров -
Профессор, Технический
университет Софии,
машиностроительный факультет, Болгария. Области интереса: мехатроника, адаптивное и оптимальное управление,
интеллектуальные системы
диагностики и управления, MEMS.
E-mail: lubomir [email protected]
Статья поступила 16.01.2019.
Analysis of the signal of the earth crust strain gauge in the Baikal rift zone
Yu.N. Fomin1, V.A. Zhmud23, V.M. Semibalamut1, D O. Tereshkin1, S.V. Panov3, L.V. Dimitrov4
1 Siberian Branch of the Federal Research Center United Geophysical Service of the Russian Academy of
Sciences, Novosibirsk, Russia 2 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia 3 Institute of Laser Physics SB RAS, Novosibirsk, Russia 4 Technical University Sofia, Sofia, Bulgaria
Abstract: From 1994 to the present, records of deformations of the Earth's crust, which are measured by a laser displacement gauge, called a deformograph, are regularly recorded. This meter records changes in the distance between the mirrors fixed on the rock inside the gallery in two directions: North-South and West-East. Such observations are carried out in the Gorny Altai region, in Kazakhstan and near Lake Baikal. One of the long-acting deformographs is installed in the gallery of the Talaya seismic station in the Baikal Rift Zone (RHL). Records of deformations (deformograms) are analyzed to study the processes in the Earth's crust and to identify the forerunner of earthquakes. In 2016, work was done on systematization of digital records of the deformation process for the period from 1994 to 2016. A digital catalog has been compiled giving a general idea of the material available for processing. Records for 2016 are analyzed in detail. This article reports the most interesting results of this analysis.
Key words: information processing, laser physics, earthquake precursors, accuracy, filtration
REFERENCES
[1] Zhmud, V., Semibalamut, V., Dimitrov, L.,Taichenachev, A. Modification of optoelectronic intellectual systems for absolute measurements in monitoring of earth seismic dynamics. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2017. 17(21), P. 999-1004. [6]
[2] Zhmud, V., Semibalamut, V., Dimitrov, L., Fomin, Y. The increase of the accuracy of the laser-based measurement of ultra-low tidal deformation of rocks. International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. 2017. 17(21), P. 1069-1076.
[3] Zhmud, V.; Semibalamut, V.; Dimitrov, L.; et al. Optoelectronic Intellectual Systems for Monitoring
of Earth Seismic Dynamics: Results and [7]
Developing Directions. Proc. of 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference (SGEM 2016): Albena, Bulgaria: Jun 30-Juel 06, 2016. International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM. Vol. III. P.567-574. [8]
[4] Zhmud, V.; Semibalamut, V.; Dimitrov, L.; et al. Software Structure for the Laser Sensor of Earth Crust Lunar-Solar Tide Deformations. Proc. of: 16th International Multidisciplinary Scientific Geoconference (SGEM 2016). Albena, Bulgaria: Jun 30-Juel 06, 2016. International Multidisciplinary Scientific GeoConference- [9] SGEM. Vol. III. P. 615-622.
[5] V.A. Zhmud, V.M. Semibalamut, L.V. Dimitrov, A.V. Taichenachev. Heterodyne Signal Filtering for
Laser Measuring Systems. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference "Informatics, Geoinformatics and remote sensing" SGEM 2018. Conference proceedings. Vol.18. Issue 2.2. Informatics, Geoinformatics. Albena, Bulgaria. P. 227-234. ISBN 978-619-7408-40-9. ISSN 1314-2704. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2. V.A. Zhmud, V.M. Semibalamut, L.V. Dimitrov, A.V. Taichenachev. The Phase Locking System for the Frequency Locking of Lasers for Geoinformatics. 18th International
Multidisciplinary Scientific GeoConference "Informatics, Geoinformatics and remote sensing" SGEM 2018. Conference proceedings. Vol.18. Issue 2.2. Informatics, Geoinformatics. Albena, Bulgaria. P. 491-498. ISBN 978-619-7408-40-9. ISSN 1314-2704. DOI: 10.5593/sgem2018/2.2. Vasil'ev, V.A., Zhmud', V.A., Il'yanovich, Yu.N., Semibalamut, V.M., Fomin, Yu. N. Detection of the increment of an instantaneous phase in a longbase laser meter of small vibrations. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2002. 45(4), P. 97-100. V.A. Zhmud, D.O. Tereshkin. Modelling Researches of the limitations for Fault-Tolerance Measurements of Ultra Small Displacements and Vibrations // Proceedings of the Asian Conference on Modelling, Identifiacation and Control (ASIA-MIC - 2012), P.1-11, DOI:10.2316/P.2012.769-026.
Goncharenko A.M., Vasil'ev V.A., Zhmud' V.A. Method of sensivity rise of laser vibrometers. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing (Avtometria). 2003. 39(2), P. 43-47.
[10] Modification of software for the control of laser measurer of super small deformations. Zhmud, V., Tereshkin, D. 2013. 8th International Forum on Strategic Technology 2013, IFOST 2013 -Proceedings P. 260 - 264.
Yury N. Fomin
Siberian Branch of the Federal Research Center "United Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences" (SIBGSRAS), Chief of Laser sector, 630090, Novosibirsk, pr. Ak. Lavrentieva 13/3, D. Sc., phone (383)333-38-41 E-mail: [email protected]
Vadim Zhmud - Head of the Department of Automation in NSTU, Professor, Doctor of Technical Sciences.
E-mail: oao [email protected]
630073, Novosibirsk, str. Prosp. K. Marksa, h. 20
Vladimir Semivalamut - PhD, Director of Siberian Branch of the Federal Research Center United Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
E-mail: [email protected]
Denis O. Tereshkin
Siberian Branch of the Federal Research Center "United Geophysical Service of the Russian Academy of Sciences (SIBGSRAS), prosp. Lavrentieva 13/3, Novosibirsk, 630090, engineer, phone (383)330-38-41.
E-mail: [email protected] Sergei V. Panov
Institute of Laser Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences RAS, pr. Lavrentieva 13/3, Novosibirsk, 630090, Senior Scientific worker, phone (383)333-30-72 E-mail: [email protected]
Dr. of Techn. Sci. Lubomir Dimitrov.
Full Professor.
Technical University of Sofia, Faculty of Mechanical Engineering, Bulgaria
Mechatronics, Adaptive and optimal control, Intelligent diagnostic and control systems, MEMS. E-mail: lubomir dimitrov@tu-
sofia.bg
The paper was received on 16.01.2019.
