CC BY
35
ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 551.24:550.34(571.56)
Ю. С. Пушкаревский, С. В. Трофименко
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ЭКСПЕРТНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОЛЕКМО-СТАНОВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЗОНЫ
В основу работы положены материалы моделирования сейсмичности Олекмо-Становой зоны. В рамках существующих представлений и теоретических разработок о природе сейсмического процесса построен алгоритм автоматизированного очищения каталога от землетрясений дуплетов, афтершоков и отбраковки данных техногенной сейсмичности. Методом визуального отображения повторяемости землетрясений для выбранной области формируется каталог представительных классов землетрясений. Последовательная реализация алгоритма позволяет представлять динамику сейсмичности в едином информационном пространстве, проводить ретроспективный анализ характеристик сейсмического процесса и отображать сейсмологическую информацию в удобном для интерпретации виде.
Ключевые слова: региональная сейсмичность, сейсмический процесс, визуальное отображение моделей сейсмической активности, моделирование динамики землетрясений, информационные технологии.
Yu. S. Pushkarevsky, S. V. Trofmenko
Development of the information and expert appendix for displays of seismic activity of Oliokmo-Stanovaya seismic zone
Materials of seismicity modeling of Oliokmo-Stanovaya zone were put in the basis of the work. Within the existing ideas and theoretical development of seismic process nature the algorithm of the automated clarification of the catalog from earthquakes of doublets, aftershocks and rejection of data of technogenic seismicity was constructed. With a help of the method of visual display earthquakes repeatability for the chosen area the catalog of representative classes of earthquakes is formed. Consecutive algorithm realization allows to represent seismicity dynamics in a common information space, to conduct a retrospective analysis of seismic process characteristics and to display seismological information in a look convenient for interpretation.
Key words: regional seismicity, seismic process, visual display of seismic activity models, modeling of earthquakes dynamics, information technology.
Современные геоинформационные технологии (ГИС) предполагают отображение информации моделей реальных процессов и состояния геофизической среды в определенные моменты времени. Фактически это статические модели геофизической среды либо
ПУШКАРЕВСКИЙ Юрий Сергеевич - заведующий учебно-научной лабораторией Технического института (филиал) ФГАОУ ВПО “Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова”, г. Нерюнгри.
ТРОФИМЕНКО Сергей Владимирович - доктор геологоминералогических наук, доцент Технического института (филиал) ФГАОУ ВПО “Северо-Восточный федеральный университет имени М. К. Аммосова”, г. Нерюнгри.
E-mail: urovsky@yandex.ru
структуры геологических объектов, отображенных на данный момент времени.
Для отображения геодинамических характеристик геофизических процессов ГИС технологии не приспособлены. Чтобы отобразить изменения процесса в любой системе ГИС, необходимо создавать графические объекты на разные моменты времени.
Создание динамических объектов в существующих геоинформационных системах связано с определенными трудностями в связи с дискретностью отображения информации, ограниченностью объема предоставления информации и, следовательно, с увеличением времени обработки и невозможностью интерпретации динамических характеристик исследуемого объекта.
Для преодоления указанных трудностей
предлагается метод динамического программирования с использованием геоинформационных технологий, в которых последовательность событий отображается в виде некоторых точек графика, реализуемых в пространственно временном масштабе.
Логическая структура разработанного приложения представляет собой совокупность трех взаимодействующих между собой программных блоков: сейсмологических баз данных, блоков анализа данных и географической подсистемы для отображения информации.
Разработанное приложение можно рассматривать как информационно-экспертную систему в виде автоматизированного рабочего места исследователя
сейсмогеодинамического режима Олекмо-Становой зоны.
Алгоритм разработанной информационноэкспертной системы позволяет отрабатывать как существующие технологии анализа [1], так и параллельное включение в нее новых методов математической обработки сейсмологических данных [2] с возможностью введения в анализ геолого-геофизических характеристик сейсмогенной среды [3-5] с отображением результатов в различных геоинформационных системах (MapInfo, Global mapper, ARC GIS и др.) для наглядного представления результатов. Структура системы экспертного анализа представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема информационно-экспертной системы анализа сейсмологических данных
Ю. С. Пушкаревский, С. В. Трофименко. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ЭКСПЕРТНОГО ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ОЛЕКМО-СТАНОВОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЗОНЫ
Сейсмологическая база данных, составляющая основу системы, содержит каталог современных землетрясений Геофизической службы РАН Северо-Востока Азии и региональный каталог Якутского филиала ГС СО РАН по Олекмо-Становой зоне. В базе существует возможность добавления и удаления каталогов. Для этих целей используется первая группа модулей «вспомогательных», предназначенных для сбора информации из различных форматов данных (рис. 1, модули 3, 4). Эти модули позволяют очистить выбранный каталог от афтершоков [4] путём разбиения его на четыре подкаталога: все сейсмические события, сильные землетрясения, афтершоки, каталоги фоновой сейсмичности, очищенные от взрывов [5]. Такой подход позволяет более качественно проводить анализ результатов сейсмологического мониторинга.
Для анализа динамических характеристик сейсмического процесса формат данных эпицентров землетрясений содержит поля основных параметров, оценивающих очаг землетрясений: момент
возникновения землетрясения (год, день, час, минута, секунда); координаты эпицентра (долгота, широта); сейсмическая энергия (энергетический класс землетрясения или магнитуда). Последовательность заполнения базы данных формируется оператором.
В модуле 6 производится расчет повторяемости землетрясений различных энергетических классов и сейсмической активности. Методика расчетов основана на методе оценок максимального правдоподобия в предположении пуассоновского распределения сейсмических событий по энергиям.
В методе оценок максимального правдоподобия рассматриваются стационарные (подозрительные на экстремум) точки функции правдоподобия - это корни уравнения
д Ца; х) = 0 , д а
(1)
^ ^ А - уАК- ] (2)
где: N. - среднее число землетрясений в заданном интервале энергий (АК=^(АЕ), где Е в Дж), Т -время наблюдений (год), £ - площадь регистрации (в единицах 1000 км2).
Функция правдоподобия (1) будет иметь вид
(3)
}=г 1
где т. - число землетрясений в единичном интервале энергий.
В соответствии с (1), логар фмируя равнение и
д д
вычисляя производные по и , находим
дА ду
системууравнений для ценок максимального правдоподобия параметров А и у. Для статистических
величин N., А получим оценки
г 2
Е т.
Е- ^ .
N. = .р- ■
. 7-гс г 2
ТБ
(4)
Е -
.=г1
Е
.=г1
т.
ТБ
(5)
З=л
Величиь а у определяется из решения полиномиального уравн ия
I
}=г1
(6)
называемого уравнением правдоподобия. Чаще всего проще решать не уравнение (1), а экви-
д
валентное ему [1п Ь(а; х)] = 0 , называемое
д а
логарифмическим уравнением правдоподобия.
Предположим, что сейсмический процесс является стационарным пуассоновским процессом [3] с параметром, X = Т • Б ■ N. , и что события разных энергетических классов независимы. Необходимо определить оценки параметров сейсмической активности А и повторяемости у. Методика расчетов основана на методе оценок максимального правдоподобия (1).
Рассмотрим закон Гуттенберга-Рихтера
где х е (1,0) Уравнение (6) необходимо пронорми-ровгь таюш образом, чтобы при . = 1 суммирование начиналось с минимального энергетического класса Ктт , являющегося представительным в данной вь борке. Кт1п от ределяется по результатам предварительног ) анал за данных по отклонению от линейности графика 1д N. = /(К.), рассчитанного по теоретическим аппроксимирующим уравнениям.
Одним из парамет ов сейсмического режима является изменение графика повторяемости (угла наклона) у во времени. Для изучения динамики сейсмического процесса был использован каталог землетрясений Южной Якутии. Общий объем выборки 4060 значений. График повторяемости рассчитывался по 10-летним циклам со смещением на один год. В каждой серии расчетов использовано от 1000 до 2500 событий.
У
1
У
Рис. 2. Среднестатистическая повторяемость землетрясений различных энергетических классов и динамика количества событий по классам
Для анализа стационарных процессов необходимо установить минимальный энергетический класс Кг1 землетрясений в каталоге землетрясений, который является представительным в данной выборке землетрясений, т. е. с заданной точностью регистрируется на всей исследуемой площади. Причем представительность должна быть выдержана на всем анализируемом периоде.
На рис. 2 представлены графики динамики количества землетрясений и представительность землетрясений по энергетическим классам за период наблюдений с 1969 по 1990 годы. Землетрясения 7-го энергетического класса исключены из дальнейших расчетов, как не являющиеся представительными в данном каталоге (г1=8) за исследуемый период на всей площади, для которой производится анализ графика повторяемости.
Верхний предел статистически значимых данных равен 12 (г2=12). Интегральный параметр сейсмической активности, рассчитанный по формуле
1 1 j=r max i i j=r max
A = - - У N E - = 1 1 У E j , (7)
o T j j s t j
S T10 j=rl S T10 j=rl
равен 6-106 Дж/(км2год). В формуле (7) N f :редне-статисти еское количество зарегистрированных землетрясений в классе j е (rl, r max) за 10-летний цикл, T10- период измерений (годх10), S « 20000 - елощадь
Ткм2) ОСЗ, S0 = 1000 км2 стандартный размерплощади Sи расчете сейсмтеской активноати, Е, = 10 е (Дж), Ej ■ суммарная энергия землетрясений J го энерге-
ического класса. E
По средним значениям величин повторяемости землетрясений рассматриваемых энергетических
классов получено уравнение линейной регрессии в логарифмическом масштабе по десятилетним циклам. Это позволило составить ряд соотношений для прогнозирования сейсмической активности в различных вариантах регистрируемых классов землетрясений (экстраполяцией в низкоэнергетическую область землетрясений):
lg(N) = -0.5998(е - К7) + 2.6126 .
(8)
В ра личных вариантах аппроксимации предельная величина энергии (8), которая рассеивается в виде землетрясений в течение года, с учетом нере-гистрируемых классов микроземлетрясений (от К=1), составляет ЕГод =1012 - 10125 Дж. Версий предел
статистического энергетического параметра Е^0^- 10125 Дж можно определить как предельную энергетическую насыщенность упругой геологической среды в стационарной фазе развития сейсмического процесса.
Таким образом, использование информационноэкспертной системы позволяет проводить оперативный анализ сейсмичности по разработанному алгоритму, выбирать анализируемые участки с экспресс-отображением результатов в виде графических приложений. При этом вся процедура анализа (выбор критериев оценок, решение уравнений, отбраковка не представительных классов землетрясений, очищение каталогов) остается невидимой интерпретатору, что способствует более качественному анализу.
Разработанный алгоритм и методика анализа представленной информационно-экспертной системы позволяет в дополнение к отображению результатов расчетов в различные периоды наблюдения использовать многооконный режим для сравнения результатов анализа различных областей изучаемой Олекмо-
Е. Г. Старостин, Е. Е. Петров, С. В. Николаев. ВЛИЯНИЕ ТЕМПА ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПОРОВОЙ ВОДЫ В ГРУНТАХ
Становой сейсмической зоны в одни и те же временные промежутки времени.
Все расчеты и графические объекты формируются в консолидированную базу данных, что позволяет также использовать имеющиеся данные без повторных расчетов методом запросов.
Л и т е р а т у р а
1. Имаев В. С., Имаева Л. П., Козьмин Б. М. Сейсмотектоника Якутии. - М.: ГЕОС. - 2000. - 226с.
2. Трофименко С. В. Динамика сейсмического режима
Олекмо-Становой сейсмической зоны // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о земле. К 40-летию создания М. В. Гзовским лаборатории тектонофизики в ИФЗ РАН. Материалы конференции. - М.: Изд-во ИФЗ РАН, 2009. -Т. 2. - С. 403-410.
3. Садовский М. А., Писаренко В. Ф. Сейсмический процесс в блоковой среде. - М.: Наука. - 1991. - 96 с.
4. Sykes L. Aftershock zones of great earthquakes, seismicity gaps, and earthquake prediction for Alaska and the Aleutians // J. Geophys. Res. 1971. 76. N 32. - P. 8021-8041.
5. Николаев А. В. Проблемы наведенной сейсмичности // Проблемы наведенной сейсмичности. - М.: Наука, 1994. -С. 5-15.
УДК 551.343.74
Е. .. Старостин, Е. Е. Петров, С. В. Николаев
ВЛИЯНИЕ ТЕМПА ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ПОРОВОЙ ВОДЫ В ГРУНТАХ
Представлены результаты исследования переохлаждения поровой воды в грунтах. Эксперименты проведены на дифференциальном сканирующем калориметре. Выявлено влияние темпа охлаждения на переохлаждение поровой воды в глинистых грунтах. Повышение темпа охлаждения вызывает увеличение переохлаждения поровой воды.
Ключевые слова: грунт, поровая вода, лед, зародышеобразование, кинетика, темп охлаждения, переохлаждение, дисперсность, дифференциальный сканирующий калориметр.
E. G. Starostin, E. E. Petrov, S. V Nikolaev
Effect of freezing rate on subcool of porous water in the soil
Researches results of soil water subcool in the article are presented. The experiments were conducted on differential scanning calorimeter. An influence of the freezing on porous water subcool in the clay soil was determined. Increasing of the freezing rate causes the increase of the soil water subcool.
Key words: soil, porous water, ice, nucleation, kinetics, freezing rate, subcool, dispersion, differential scanning calorimeter.
СТАРОСТИН Егор Гаврильевич - д. т. н., ведущий научный сотрудник отдела тепломассообменных процессов Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.
E-mail e.g.starostin@iptpn.ysn.ru
ПЕТРОВ Егор Егорович - член Академии наук Республи-
ки Саха (Якутия), д. т. н., профессор кафедры информационных технологий Института математики и информатики СВФУ им. М. К. Аммосова.
НИКОЛАЕВ Сергей Васильевич - ведущий инженер отдела тепломассообменных процессов Института физикотехнических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.
