Основы теории многодисциплинарного и вибросейсмического мониторинга E-mail
Теория многодисциплинарного вибромониторинга
Добавил(а) Валерий Викторович Ковалевский   
19.01.10 19:23

В статье представлена глава монографии "Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками"
Аавтор: А.С. Алексеев.

В статье представлены основы теории многодисциплинарного и вибросейсмического мониторинга и предложена концепция очаговой и поверхностной дилатансных зон.
Использование при прогнозе землетрясений предвестников разной геофизической природы вызвано стремлением уменьшить вероятность пропуска крупных сейсмических событий. Перед такими землетрясениями за несколько лет возникают аномалии ряда геофизических полей: поля деформаций земной коры, поля сейсмичности, электрической проводимости и других. Зоны проявления таких аномалий мигрируют во времени на территории с радиусом 200–300 км от эпицентра будущего землетрясения. Закономерности миграции аномальных зон различной геофизической природы и их взаимосвязь, по-видимому, отражают эволюцию поля сейсмотектонических напряжений и содержат ценную информацию о подготовке очагов землетрясений. Эта многодисциплинарная информация, имеющая сейчас форму компьютерных баз данных, за последние 30 лет собрана в ряде стран (Китай, Япония, США, Греция, Турция, Россия и т.д.). В Китае она имеется для 100 крупных землетрясений (М>6) по достаточно плотной сети наблюдений.

 

Накопленные сведения используется для исследования проблем прогноза землетрясений путем анализа статистических закономерностей повторяемости пространственных и временных характеристик геофизических аномалий разного типа на различных этапах подготовки землетрясений. Китайские геофизики осуществили ряд успешных прогнозов землетрясений с помощью синтезированных информационных индексов изменения типов поведения аномалий на средне- и краткосрочной стадиях подготовки ранее состоявшихся землетрясений [Mei Shirong, 1992; Zhang Guomin et al., 1992;  Ma Li  et al., 1995].

Однако использование многодисциплинарной концепции прогноза вместе с наметившимися успехами поставило и новые принципиальные вопросы. Они состоят в определении механизма взаимосвязи процессов сейсмичности с вариациями различных геофизических полей и с источниками аномалий этих полей. Как отмечают китайские специалисты [Zhang Guomin et al., 1992; Ma Li et al., 1995], большое число аномалий-предвестников противоречат друг другу, даже если наблюдения относятся к той же самой тектонической области и к той же самой точке наблюдения. У исследователей возникают естественные вопросы: «какой теорией нужно пользоваться, чтобы получить приемлемое объяснение этому феномену?» и «какой метод принятия решений о прогнозе можно сейчас предложить взамен метода простого голосования на основе большого числа предвестников разной физической природы?» [Zhang Guomin et al., 1992; Ma Li et al., 1995;].

Такие вопросы имеют общие корни с вопросами для многопараметрических моделей и многодисциплинарных методов исследования сложных систем, когда речь идет о выборе критериев разделения на физические типы возможных вариантов поведения этих систем.
Сложность процесса сейсмичности в целом и процессов подготовки отдельных землетрясений порождают как принципиальные вопросы о физико-механической природе этих процессов, так и количественные вопросы корректного их описания в условиях многомерности, многодисциплинарности и многопараметричности содержательных математических моделей.
Многодисциплинарность подходов к прогнозу уже в течение 30–40 лет стала важным принципом разработки алгоритмов долго- и краткосрочного прогноза. Значительная часть результатов этих исследований отражена в работах В.И. Кейлис-Борока и его учеников [Кейлис-Борок и др. 1964-2001]).

Тенденция к развитию многодисциплинарных методов прогноза землетрясений в последние годы усиливается и приобретает существенные масштабы в связи с созданием цифровых сетей комплексного мониторинга предвестников различной геофизической природы.
Ниже развивается физико-математическая модель интегрального предвестника, предложенная в виде теоретической схемы ранее в [Alekseev, 1993, Alekseev et al., 1995]. Эта модель, по-видимому, способна снизить остроту противоречий, возникающих при использовании многодисциплинарных предвестников.

Речь идет о синтезированном с помощью численного метода искусственном (непосредственно не измеряемом, но периодически вычисляемом в ходе геофизического мониторинга) предвестнике с использованием многодисциплинарных количественных данных об измеряемых полях-предвестниках. Этот интегральный параметр определяется на основе решения совмещенных обратных задач для соответствующих геофизических полей (поля смещений и деформации поверхности Земли, поля электропроводности, аномалий гравитационного поля, уровня грунтовых вод и т.д.). Как показано в работе [Alekseev, 1993], точность определения интегрального параметра-предвестника может превышать точность определения других характеристик среды на основе индивидуальных геофизических методов.

Одним из основных достоинств такого предвестника должно быть его интегрирующее содержание, свободное от рассогласования показаний предвестников разной физической природы.
У исследователей имеется некоторая свобода выбора физической величины, отображающей вариации интегрального предвестника во времени. Необходимы два основных условия: во-первых, эта величина должна количественно отражать стадию и меру подготовки очага к разрушению, и, во-вторых, она должна определять пространственно-временные вариации различных геофизических полей - предвестников.

В качестве интегрального предвестника мы предлагаем использовать пространственно-временную функцию плотности числа трещин в области готовящегося очага и в зонах аномальных геофизических полей на поверхности Земли.
Такое предложение основывается:
- на результатах кинетической теории разрушения, развитой Журковым С.Н. [1968] со своими сотрудниками [Журков и др.,1977];
- на экспериментальных и теоретических исследованиях процессов подготовки землетрясений, выполненных сотрудниками ОИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта: Мячкиным В.И., Костровым Б.В., Соболевым Г.А., Шаминой О.Г. [Мячкин и др., 1974; Мячкин  и др., 1975];
- на приводимых ниже результатах численного анализа «очаговых» и «поверхностных» зон дилатансии.

Приведем основные факты, относящиеся к механическим свойствам интегрального предвестника. Они включают: обнаруженное в результате вычислительных экспериментов явление образования «пограничного слоя дилатансии» - разуплотнения протяженных зон верхней части земной коры под действием касательных и растягивающих тектонических напряжений вблизи свободной от напряжений дневной поверхности; схему вибросейсмического просвечивания дилатансных зон «очагового» и «пограничного» типов с целью повышения надежности определения интегрального предвестника; структуру модели предвестника и способ оценки функции плотности числа трещин на основе многодисциплинарных данных.

Вложения:
Скачать этот файл (ch-04-a.pdf)Полный текст[pdf]965 Kb