CC BY
41
Вычислительные технологии
Том 2, № 2, 1997
РАЗРАБОТКА АЭРОМЕТОДОВ КАРТИРОВАНИЯ
ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И СОЗДАНИЕ АЭРО- И НАЗЕМНЫХ СЕТЕЙ МОНИТОРИНГА^
И. С. Грамберг, Л. П. Георгиевская В. А. Калинин, В. К. Паламарчук ВНИИОкеангеология, Санкт-Петербург, Россия
По результатам аэронаблюдений выделяются вероятные очаговые зоны, в пределах которых выполняются наземные наблюдения с целью мониторинга выделенных очагов; производится прогнозирование землетрясений и вызываемых ими волн цунами.
В настоящее время практически не существует единой физически обоснованной и практически проверенной модели очага землетрясения, однако сейсмологи сходятся в том, что для ее создания необходимо достоверно знать геолого-геофизическое строение очаговых зон и окружающего их пространства. Основными методами исследования сейсмоактивных районов, особенно на акваториях, являются геофизические.
Несмотря на большие объемы геофизических исследований, проводимых в сейсмоактивных районах, в том числе на акваториях, глубинное строение таких районов изучено недостаточно. Последнее вызвано тем, что обычно в горных сейсмических районах, расположенных как вдали от акваторий, так и в непосредственной близости к ним, аэромагнитные и другие съемки выполняются на высотах, близких к вершинам гор, или путем огибания рельефа. При этом на результаты аэромагнитной и других видов съемок накладывается значимое влияние рельефа, которое пока надежно не учитывается. Поэтому глубинное геологическое строение в горных районах изучено недостаточно, и его корреляция на акватории теряет смысл. Подобные ошибки характерны и для наземных гравиметрических съемок благодаря аномальному вертикальному градиенту, создающему ложные рельефные аномалии Буге, соизмеримые с аномалиями от глубинных объектов. Исследование переменного магнитного (вариации геомагнитного поля Земли) и естественного электромагнитного поля (ЭМИ) в горных районах также затруднено из-за влияния рельефа. От большинства перечисленных помех, обусловленных неровностями рельефа, можно избавиться, если наблюдения выполнять на высотах 9-10 км над уровнем моря.
Большие трудности при исследовании постоянного магнитного поля Земли, естественного ЭМИ и многих других геофизических полей создают суточные (солнечносуточные, лунносуточные) вариации геомагнитного поля, магнитные возмущения (бури) [5] и вариации естественного ЭМИ, суточный и сезонный ход которого обусловлен грозовой активностью и условиями распространения в волноводе Земля — ионосфера [4]. Помехи такого
*© И. С. Грамберг, Л. П. Георгиевская, В.А.Калинин, В. К. Паламарчук, 1997.
^Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ.
рода — вариации исследуемого параметра, очень трудно учитывать при наземных наблюдениях, так как число вариационных станций (особенно в горных районах и/или на побережье и акваториях) должно быть велико. В то же время методика, разработанная во ВНИИОкеангеология [3], позволяет надежно оценивать вариации исследуемых полей косвенным способом по данным аэрогеофизических съемок. Наконец, как показано В. К. Паламарчуком в 1982 — 92 гг., аномальные значения вариаций геомагнитного поля могут быть оценены по данным аэромагнитной съемки. Нет никаких препятствий и для оценки подобных аномалий ЭМИ.
Таким образом, аэрогеофизические исследования позволяют избавиться от влияния рельефа дневной поверхности и приповерхностных неоднородностей, не требуют установки плотной сети вариационных станций, значимо снимают воздействие техногенных помех и быстро выполняются на больших территориях, захватывая при этом и сушу, и море. М. Б. Гохберг, В. А. Моргунов и Е. Л. Аронов [1] обращали внимание на вероятную локализацию источников ЭМИ над земной поверхностью в атмосфере (или ионосфере) наряду с генерацией ЭМИ в глубинах земной коры. В. В. Мигулин и В. И. Ларкина приводят примеры аномальных электромагнитных эффектов, зарегистрированных с помощью спутников [2]. В 1992 — 95 гг. нами были выполнены исследования ЭМИ на акваториях, выделены зоны напряжений в земной коре, которые хорошо коррелируются с сейсмогенными геологическими структурами.
Учитывая фиксированные орбиты спутников, ограниченность передвижений на суше и на акваториях, зашумленность измерений вблизи соленой морской воды и практическое подтверждение возможности измерения ЭМИ в воздухе, можно с уверенностью сказать, что аэрогеофизические съемки естественных магнитных и электромагнитных полей позволят еще на один шаг приблизиться к надежному решению задачи предсказания землетрясений, в том числе на акваториях, которые с большой вероятностью приводят к образованию цунами.
Поиск и отслеживание сейсмических очагов с аэроносителей по аномальному излучению электромагнитного поля и другим геофизическим признакам представляется особенно привлекательным. При аэронаблюдениях в поле зрения будет находиться значительная часть объекта, в силу чего влияние местных помех сводится к минимуму. С другой стороны, наблюдения, выполняемые на значительной по размерам площади в течение короткого промежутка времени, позволят выделить предполагаемый аномальный район как наиболее отличающийся от окружающего обрамления по геофизическим аномалиям и соответственно по сейсмической активности.
Картирование очагов землетрясений с самолета позволяет получить материал о динамике развития сейсмических событий, повышает точность и оперативность прогнозов наступления этих событий и проявления вызываемых ими волн цунами на акваториях.
По результатам аэрогеофизических исследований выделяются места для стоянок наземных станций, регистрирующих аномальные эффекты от вероятных очагов. Наземные измерения на обсерваториях и аэросъемка на отдельных оценочных профилях осуществляют мониторинг очаговых зон на суше и над акваториями.
Современная стратегия прогноза землетрясений на суше и над акваториями сводится к обнаружению долгосрочных и краткосрочных предвестников землетрясений. Многие из геофизических методов выделяют временные аномалии регистрируемых параметров, которые играют роль предвестников землетрясений. До сих пор такие аномалии оценивались в результате наземных (в основном обсерваторских) исследований и в сравнительно небольших объемах на одиночных профилях. Площадные исследования позволяют надеж-
но оценить аномалии геофизических параметров, являющиеся предвестниками.
Предвестники — это аномалии геофизических параметров, отражающие физическое состояние среды очага и характеризующие его состояние. Предвестники проявляются при приближении момента землетрясения. Наиболее надежными предвестниками служат аномалии, являющиеся следствием физических процессов, протекающих в очаговой зоне, и образующиеся одновременно с большинством других аномалий исследуемых параметров. Аномалии-предвестники могут иметь различную продолжительность и разную конфигурацию (например, наличие повышенных или пониженных значений параметра в начале или конце аномального периода) в зависимости от характера проявления очаговых процессов в исследуемых полях. Интенсивность аномалий-предвестников, характеризующих состояние очага землетрясения, зависит от расстояния до центра очага и изменяется по площади, в связи с чем поиск предвестников должен выполняться только по площади. При обнаружении аномалий-предвестников в одной точке (одиночная обсерватория) в измененных значениях может присутствовать большое число ложных (не связанных с очагом) аномалий. Примером последних является вековой ход МПЗ, выделяемый среди множества аномалий суточных вариаций геомагнитного поля, образующихся за счет неоднородной проводимости.
Задача обнаружения предвестников землетрясений сводится к задаче поиска объектов. Ее решение производится с помощью направленных (компонентные сейсмоприемни-ки, магнитометры-градиентометры, ферритовые и/или рамочные антенны, компонентные приемники электромагнитного излучения (ЭМИ) и магнитного поля Земли (МПЗ) и др.) и ненаправленных (магнитометры модульные, газоанализаторы и др.) средств поиска, которые характеризуются своими дальностями обнаружения — линейной и круговой зонами соответственно.
С помощью направленных и ненаправленных средств поиска выполняются аэро- и наземные площадные, профильные и точечные наблюдения. В первом случае системы поиска устанавливаются в узлах сети, которая выбирается исходя из заданной вероятности обнаружения предвестников. Если направление на источник поиска известно, то каждый из измеряемых признаков (потенциальный предвестник) исследуется единичным средством поиска, в противном случае измеряемые станции располагаются по сети треугольников, обеспечивающих прием сигналов по любым направлениям.
Выделение аномалий-предвестников основано на том, что их характер распределения во времени и в пространстве Д fp(,, t) отличается от временной зависимости геофизического параметра ДЛд(,, t) на площади, обусловленной геологическим строением (g). Аномалии ДЛд (, ) и их временное изменение по площади носят обычно более изменчивый характер по сравнению с ДЛР и могут быть легко отфильтрованы. Если же аномалии ДЛд (, ) носят региональный характер и имеют изменение во времени, то в качестве предвестника выступает аномалия
ДЛР(, ) = Дfg (,,tl) -ДЛ, (,,t2), (1)
где t1 и t2 — времена двух разнесенных во времени съемок (повторные съемки). Если съемки в t1, t2, ... , tk следуют друг за другом на достаточно малом (для краткосрочных предвестников) или достаточно длительном (для долгосрочных предвестников) промежутках времени, то будем говорить о мониторинге исследуемой среды, а технические средства измерения параметра f, методику измерения, сеть и способы обработки и интерпретации называем мониторинговой системой.
Выделим основные пути исследования геофизических аномалий предвестников землетрясений.
1. Непосредственные измерения геофизического параметра (на спутнике, на самолете, на Земле, в скважине, в воде), все аномалии которого являются предвестниками; иначе говоря, в этом случае измеренное значение параметра f может быть представлено аддитивной случайной моделью
f (t) = Afp(t) + e(t), (2)
где Afp — аномалия-предвестник; e(t) — случайная помеха.
2. Непосредственные измерения геофизического параметра, аномалии которого связаны с суточным (месячным, годовым, вековым) изменением исследуемого параметра, зависят от геологических, метеорологических и других факторов (Afg) и содержат аномалии-предвестники (Afp) известной и/или неизвестной формы, т. е. измеренные значения могут быть представлены аддитивной случайной моделью
m
f (t) = A fp(t) + £ Affli(t) + e(t), (3)
i= 1
где m — число мешающих факторов.
3. Косвенные оценки исследуемого параметра (например, аномалии вариаций магнитного поля Земли, вычисленные по разности вариаций, измеренных на МВС, и их оценок, найденных по косвенному способу), который может либо иметь только аномалии-предвестники, либо состоять из суммы различных аномалий.
4. Обнаружение комплексных аномалий-предвестников по последовательности появления аномалий отдельных параметров, их сочетанию и/или уникальности (редко или совсем не наблюдавшихся до сих пор значений или сочетания значений).
Для интерпретации аномальных эффектов предвестников, в том числе для объяснения, почему они не появляются перед некоторыми землетрясениями либо появляются в неожи-даемые сроки, необходимо хорошо знать геолого-геофизические характеристики пунктов наблюдений, на которых зарегистрированы аномалии. Обычно такие пункты выбираются исходя из удобства установки соответствующей аппаратуры, а это не всегда удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям. Очевидно, что эффекты в точке исследования должны отражать состояние очага землетрясения и/или его окружающей среды (оболочки). Это, однако, трудно выполнимо в горных районах, вблизи границ раздела вода — суша и на акваториях, где возникает целый ряд дополнительных аномальных явлений, не связанных с очаговыми зонами. Такие аномальные явления служат помехой как при оценке геофизических аномалий-предвестников, так и при изучении геологического строения.
Обнаружение и картирование вероятных очагов землетрясений по неоднородности гра-вимагнитного поля и аномалиям ЭМИ относится к долгосрочному прогнозу, на основании которого строятся системы краткосрочного прогноза. Картирование очагов землетрясений относится к начальному (региональному) этапу исследования сейсмоопасных зон, без чего все остальные исследования могут быть выполнены неудовлетворительно. Укрупняя масштаб регионального картирования, мы переходим к среднемасштабным, а затем к крупномасштабным, или детальным, исследованиям. При укрупнении масштаба поисковых работ изменяются решаемые сейсмологические задачи, которые теперь охватывают диапазон от картирования вероятных очагов землетрясений до картирования внутренней структуры очага и обнаружения краткосрочных предвестников.
Укрупнение масштаба сейсмологических исследований производится за счет либо более детальных аэрогеофизических исследований, либо одновременного перехода на наземные исследования. Участки наземных исследований и точки установки наземных станций
выбираются по данным аэрогеофизических съемок. Необходимо, чтобы между точками установки наземных станций (МВС, обсерватории и т.п.) и очагами землетрясений не было значимых неоднородностей в геологическом строении, влияющих на распространение исследуемого признака.
Система геофизических исследований должна обеспечивать изучение геологического строения района, оценку геофизических характеристик глубинных слоев земной коры и установление по ним каналов связи очага с точками измерения, выделение долгосрочных и краткосрочных предвестников и в итоге осуществлять мониторинг очаговых зон. К примеру, такая система может состоять из следующих измерительных подсистем:
1 — магнитный канал — для изучения магнитного поля Земли, в том числе напряженности полного вектора и его составляющих-компонент, вертикального и горизонтального градиентов и переменной составляющей (вариаций); погрешность измерения напряженности МПЗ составляет ± 0.01-0.1 нТл, горизонтального градиента ~ ± 0.01 нТл, вертикального градиента ± 0.005 нТл, компонент МПЗ ± 1 нТл;
2 — гравиметрический канал — для изучения аномалий силы тяжести; погрешность измерения поля силы тяжести для аэроизмерений составляет ± 0.5 мГал, для наземных измерений — ± 0.01 мГал;
3 — электромагнитный канал — для изучения естественного электромагнитного поля Земли и его вариаций (чувствительность регистратора ЭМИ ±0.1 — 10-6 В/м) и искусственного излучения радиостанций (метод СДВР);
4 — навигационный канал — для координирования носителя при аэросъемках; погрешность навигации ± 10-25 м;
5 — дополнительные каналы устанавливаются для оценки различных свойств дневного рельефа, атмосферы и ионосферы и формируются по мере накопления информации об очаге.
На этапе выделения предполагаемых сейсмоопасных районов аэрогеофизическая съемка выполняется на больших (8-10 км) высотах в масштабе 1:1 000 000 — 1:500 000 по сети параллельных маршрутов с прохождением ряда секущих. Секущие маршруты наряду с вариационными станциями служат для контроля вариаций геомагнитного поля и естественного электромагнитного излучения и оценки их аномалий. Комплексная интерпретация результатов региональных аэрогеофизических исследований производится с целью оценки глубинного геологического строения и напряженного состояния земной коры, а также выделения районов, в которых необходимо проводить более детальные наблюдения. Последние выполняются в более крупном масштабе (1:200 000 — 1:100 000) на разных высотных уровнях с целью получения объемных моделей предполагаемых очаговых зон. Одновременно по результатам аэронаблюдений производится выбор точек установки наземных станций. Выполняются обработка и комплексная интерпретация данных для оценки внутренней структуры очаговых зон и выбора маршрутов для мониторинга (таблица).
Дальнейшее укрупнение масштаба аэрогеофизических съемок (до 1:50 000) с уменьшением высоты полета до 0,1-1 км служит для детального картирования и мониторинга очаговых зон и обнаружения краткосрочных предвестников землетрясений.
Наземные наблюдения (район исследований и сети) планируются по результатам интерпретации аэронаблюдений, которая в свою очередь выполняется с целью выделения
Сети комплексных геофизических наблюдений сейсмоактивных территорий и акваторий1
Наименование съемки Масштаб Вид съемки Высота Цель Примечание
Глобальная (мировая) 1:50000000 1:25000000 Спутниковая 100-200 км КОЗ, ДсП, КсП при М
Мелкомасштабная 1:25000000 1:10000000 Аэро 8-10 км ДОЗ, ДсП
Среднемасштабная 1:500000 Аэро 4-6 км КОЗ, КО
Крупномасштабная 1:100000 1:25000 1:25000 1:10000 Аэро Наземная 0.2-0.5 км 0-2 м КО, ДсП, КсП при М
Профильные и точечные станции в зоне поиска 1:5000 1:1000 Наземная 0-10 м 0 (—п км) (скваж.) КО ДсП КсП М
Обсерватории Наземная, подводная (+10 м)-(—п км) Региональный М ДсП КсП МО
1КОЗ — картирование очаговых зон, КО — картирование очагов, ДсП — долгосрочные предвестники, КсП — краткосрочные предвестники, М — мониторинг, МО — мониторинг на обсерваториях.
объектов, районирования и оценки глубинных неоднородностей и оценки распространения квазиоднородных масс геологических образований в очаговых зонах и вокруг них. При интерпретации делается попытка наметить вероятные области очага и его оболочки, оценить вероятные спусковые механизмы и пути (зоны) их связи с удаленными обсерваториями.
Наземные пункты наблюдения выбираются так, чтобы они были связаны волноводами с очагом и/или принадлежали одной и той же геофизической (однородной) среде и/или не имели на пути следования сигнала от очага слишком много неоднородностей. Если такие связи не вполне удовлетворяют требуемым условиям, наземные и воздушные маршруты мониторинговой системы должны их улучшить либо заменить сами условия путем выхода в очаговую зону от наземного пункта наблюдений или проведения наблюдений на протяженных маршрутах.
Наземные наблюдения осуществляют непрерывный мониторинг очаговых зон и выполняются системами, состоящими, например, из трех сейсмографов, трех магнитометров и трех датчиков электромагнитного излучения и других параметров, установленных в вершинах треугольной сети для регистрации градиентов исследуемых полей и их аномалий по любым направлениям. Все измерения в этом случае будут записаны в базы данных экспертных самообучающихся систем, идентифицирующих очаги землетрясений, осуществляющих обнаружение предвестников и прогнозирующих время наступления сейсмического события и прихода цунами в реальном масштабе времени.
Мониторинг проводится по сети отдельных разновысотных площадных съемок, аэромаршрутов, наземных маршрутов и отдельных пунктов.
Принятие решения на любом этапе развития сейсмических событий сопровождается
оценкой его надежности.
Заключение и выводы.
В работе предложены технологии аэрометодов картирования очагов землетрясений на суше и акваториях по аномалиям геофизических полей и создания аэро- и наземных сетей мониторинга сейсмоактивных зон и систем оповещения о цунами. Выполнение этой задачи осуществляется путем разработки аэро- и наземной аппаратуры, создания аэро- и наземных геофизических комплексов на базе разработанных и существующих геофизических приборов на основе компьютерных технологий, создания методики наблюдений (сети, высоты, период и продолжительность наблюдений и др.), способов обработки и интерпретации полученных данных, в том числе в реальном масштабе времени и с использованием экспертных самообучающихся систем.
Технология аэрометодов, разработанная для акваторий, может быть применима и на суше.
Аэронаблюдения, включающие в себя измерения геомагнитного поля, его компонентов и градиентов, гравитационного поля, естественного и искусственного электромагнитного поля и других параметров, выполняются с помощью аэрогеофизической лаборатории, установленной на борту самолетов типа ИЛ-18Д (АН-30, АН-74), вертолетов типа МИ-8, КА-24 и др. По мере накопления информации и в зависимости от условий конкретной решаемой задачи комплекс аэрогеофизических исследований может изменяться. Аэролаборатория при этом должна оснащаться аппаратурой спутниковой навигации.
Мониторинг может быть надежным, если к его выполнению привлечь население (школы, местные органы власти) и широко использовать гражданскую авиацию и суда рыболовецкого и торгового флота, на борту которых установлены минимальные комплексы автоматической аппаратуры, позволяющие попутно исследовать состояние сейсмоопасных зон.
Список литературы
[1] Гохберг М. Б., Моргунов В. А., Аронов Е. Л. О высокочастотном электромагнитном излучении при сейсмической активности. Докл. АН СССР, 248, №5, 1979, 1077-1081.
[2] Мигулин В. В, Ларкина В. И. Обнаружение эффектов воздействия землетрясения на ОНЧ-КНЧ шумы во внешней ионосфере. ИЗМИРАН, М., препринт №25 (390), 1982.
[3] Паламарчук В. К. Учет вариаций геомагнитного поля и увязка наблюдений при высокоточных аэромагнитных съемках. Геология и геофизика, №10, 1983.
[4] Электромагнитные предвестники землетрясений (Под ред. акад. М. А. Садовского). Наука, М., 1982.
[5] Яновский Б. М. Земной магнетизм. Изд-во Ленингр. гос. ун-та, 1964.
Поступила в редакцию 15 апреля 1995 г.
