Особливості часових змін аномального магнітного поля та векторів індукції у Закарпатському сейсмоактивному прогині

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна

Автореферат

дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Спеціальність 04.00.22. - Геофізика

Особливості часових змін аномального магнітного поля та векторів індукції у Закарпатському сейсмоактивному прогині

Климкович Тамара Анатоліївна

Київ 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Городиський Юрій Михайлович, Карпатське відділення Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна, НАН України, старший науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук Рокитянський Ігор Іванович Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України,

старший науковий співробітник кандидат фізико-математичних наук Рева Микола Васильович, Київський Національний університет ім. Т. Шевченка, доцент.

Вчений секретар спеціалізованої ради, доктор геологічних наук М.І. Орлюк.

Анотація

сейсмічність малоамплітудний аномалія

Климкович Т.А. Особливості часових змін аномального магнітного поля та векторів індукції у Закарпатському сейсмоактивному прогині - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена вивченню особливостей динаміки аномального магнітного поля і векторів індукції у зв`язку з сейсмотектонічними процесами у Закарпатті. Для підвищення якості та оперативності цих досліджень було розроблено методи відбраковування некондиційних даних, метод кореляції з синус-функцією на асиметрично заданому півперіоді для виявлення малоамплітудних аномалій у рядах спостережень геомагнітного поля, методику та програмне забезпечення обробки великих масивів цифрових магнітоваріаційних спостережень. Це дозволило виявити нові особливості у часових рядах геомагнітного поля та векторів індукції.

На основі співставлення з сейсмічним режимом показано що у Закарпатському сейсмоактивному прогині крім класичних бухтоподібних аномалій провісникового типу тектономагнітні аномалії можуть проявлятися також у вигляді довготривалих трендових змін, різких змін рівня поля та суттєвого підвищення дисперсії у часових рядах. Виявлено просторово-часову кореляцію аномальних проявів компонент векторів індукції та аномальних змін геомагнітного поля з розташуванням епіцентрів близьких землетрусів. Збільшення щільності часових рядів векторів індукції дозволило вказати на існування закономірностей їх сезонних та добових змін.

Ключові слова: аномальне магнітне поле, сейсмічний режим, тектономагнітні аномалії, вектори індукції.

Аннотация

Климкович Т.А. Особенности временных изменений аномального магнитного поля и векторов индукции Закарпатском сейсмоактивном прогибе - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена особенностям динамики аномального магнитного поля и векторов индукции в связи с сейсмотектоническими процессами в Закарпатье. Исследовались тонкие эффекты во временных изменениях разностного геомагнитного поля и векторов индукции, а так же проводилось сопоставления их аномального поведения с сейсмичностью Закарпатского прогиба. Для повышения информативности геомагнитного мониторинга сейсмотектонических процессов разработан метод отсеивания некондиционных измерений, при условии, что их объем составляет до 25% от общего количества данных. Проведено исследование его эффективности. Предложено метод корреляции синус-функции на ассиметрически заданом полупериоде с рядами наблюдений для надежного выявления малоамплитудных аномалий.

По результатам непрерывных режимных наблюдений выявлено аномальные временные изменения магнитного поля разной продолжительности и происхождения, а именно: длительные изменения Т тектонического происхождения, связанные с периодами сейсмического затишья, когда происходит постепенное приращение напряжений и их накопление на региональном уровне, эпизодические изменения Т, вероятно вызванные подготовкой отдельных сейсмических событий в регионе и сезонные аномальные изменения Т, которые являются следствием квазипериодических годовых изменений метеорологических параметров. Кроме классических бухтоподобных аномалий предвестникового типа продолжительностью от нескольких дней до нескольких месяцев выделено новые типы аномалий: резкие изменения уровня поля; квазилинейные тренды и области существенного повышения дисперсии поля Т, которые наблюдаются на протяжении 5-15 суток.

Разработано метод, алгоритм и программное обеспечение обработки больших массивов магнитовариационных наблюдений, что позволило автоматизировать процесс вычисления векторов индукции и повысить качество их мониторинга. Сопоставление аномальных временных изменений векторов индукции и сейсмического режима в Закарпатском прогибе позволило выявить особенности пространственно-временной корреляции аномалий компонент векторов индукции и землетрясений, близких к РГС „Н. Селище”. Увеличение плотности рядов векторов индукции, получаемых по цифровым данным дала возможность уверенно выявить их сезонные и суточные изменения и указать на закономерный характер этих изменений. Из анализа среднегодовых значений модуля вектора индукции получено наличие долгопериодной составляющей, коррелирующей с 11-летним циклом солнечной активности.

Ключевые слова: аномальное магнитное поле, сейсмический режим, тектономагнитные аномалии, векторы индукции.

Annotation

Klymkovych T.A. Peculiarities of temporal variations of anomalous magnetic field and induction vectors in the Transcarpathian seismic-active trough - Manuscript.

Thesis for candidate degree of physical-mathematical sciences by speciality 04.00.22 geophysics. S.I.Subbotin Institute of Geophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

The work is dedicated to investigations peculiarities of anomalous magnetic field and induction vectors time changes in relation with seismic-tectonic processes in the Transcarpathians. To upgrade quality and efficiency of this investigations were developed methods of non-conditioned data detecting, correlation method with sine-function given with asymmetric half-period for determining the low-amplitude anomalies in geomagnetic field time series, method and software for processing of large data arrays of digital magnetic-variation observations.

Using this methods we defined new peculiarities in temporal changes of geomagnetic field and induction vectors. By comparison with a seismic regime it was shown, that in Transcarpathian active-seismic trough besides classic bay-like anomalies of precursor type tectonic anomalies also can became apparent as long-term trend variations, sudden changes of a field level and considerable increasing of dispersion in time series. Spatial-temporal correlation of anomalous induction vectors components and anomalous variations of geomagnetic field with location of close earthquakes epicenters was defined. Increasing of density for induction vectors time series allows to register an existence of regularity of their season and daily variations.

Key words: anomalous magnetic field, seismic regime, tectonomagnetic anomalies, induction vectors.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення просторово-часової структури геомагнітного поля та його варіацій має важливе значення для вирішення фундаментальних проблем фізики Землі (розвиток теорії земного магнетизму, його вікових варіацій та вивчення геодинамічних процесів в земній корі і верхній мантії) і прикладних задач розвідувальної геофізики. В останні десятиліття сформувався і успішно розвивається новий напрям геомагнітних досліджень - динаміка аномального магнітного поля Землі, який вивчає часові зміни геомагнітного поля, викликані фізико-хімічними процесами в земній корі і верхній мантії.

Розвиток досліджень динаміки аномального магнітного поля пов`язаний з аналізом сейсмотектонічних процесів і пошуками провісників землетрусів. Цим напрямом активно займалися магнітологи США, Японії, Китаю та інших країн. На території колишнього СРСР сейсмопрогностичні дослідження виконувались практично в усіх сейсмоактивних районах на багатьох геодинамічних полігонах: Гармському, Карпатському, Ферганському, Алма-Атинському, Ашхабадському, Байкальському та інших. Випадки успішного прогнозу сейсмічних подій за геомагнітними даними мали місце на сейсмопрогностичних полігонах Узбекистану, Туркменії та Китаю.

В Карпатському регіоні понад 40 років проводяться дослідження динаміки аномального магнітного поля з метою вивчення геодинамічних процесів і провісників землетрусів. Оскільки Закарпаття відноситься до району з помірною сейсмічністю (інтенсивність місцевих землетрусів не перевищує 7 балів за шкалою MSK-64, глибина вогнищ 5-10 км), аномалії провісникового типу мають невеликі амплітуди, співрозмірні з шумами природного та техногенного походження. У зв`язку з цим виникає потреба в розробці методів та алгоритмів їх достовірного виділення. Великої уваги при проведенні сейсмопрогностичних робіт заслуговують дослідження варіацій зовнішнього змінного магнітного поля Землі. За варіаціям з періодами від кількох хвилин до 1.5-2 годин здійснюється неперервний моніторинг. параметрів векторів індукції на низці магнітних обсерваторій у сейсмоактивних регіонах. На актуальність таких досліджень вказує велика кількість робіт в цьому напрямі у Китаї, Японії, колишньому СРСР. На Карпатському полігоні неперервні магнітоваріаційні спостереження і розрахунки векторів індукції проводяться вже понад 20 років. Попередні дослідження векторів індукції базувалися на аналізі аналогових магнітограм. З 1999 р. такі дослідження проводяться за даними цифрових магнітоваріаційних спостережень, при використанні яких набуває актуальності удосконалення методики розрахунків та автоматизація процесів обробки вихідних даних, що дає можливість значно ущільнити ряди векторів індукції і підвищити якість моніторингу.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконувалась в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна у відділі Динаміки магнітного поля Землі у рамках таких держбюджетних тем:

„Теоретико-експериментальні дослідження варіацій геофізичних полів та їх зв`язку з сейсмотектонічними процесами (на прикладі Карпатського регіону)” (І кв. 1996-ІV кв. 2000). № держреєстрації 0193U024080 (керівники теми - к.г.-м.н. Т.З. Вербицький, к.т.н. В.Г. Кузнєцова).

„Теоретико-експериментальні дослідження динаміки геомагнітного поля для вивчення сучасних геодинамічних процесів та прогнозування зон нафтогазоносності” (І кв.2001-ІV кв. 2005). № держреєстрації 0101U000375 (керівник теми - д.ф.-м.н. В.Ю. Максимчук).

„Дослідження зв`язків просторово-часових характеристик геомагнітного поля з структурно-тектонічними і геодинамічними особливостями земної кори Карпатського регіону” (1.01.2006-31.12.2010), № держреєстрації 0106U000975 (керівник теми - д.ф.-м.н. В.Ю. Максимчук).

„Розробка фізико-геологічних основ і нових технологій комплексного геофізичного прогнозування покладів вуглеводнів в Україні” (І кв.2002-ІV кв. 2006) № держреєстрації 0102U002513 (керівник теми- д.ф.-м.н. В.Ю. Максимчук).

“Виконання режимних електромагнітних спостережень на Карпатському сейсмопрогностичному пункті” (1.01.2006-31.12.2005), № держреєстрації 0100U004733 (керівник теми - к.т.н. В.Г. Кузнєцова).

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження часових змін аномального геомагнітного поля та векторів індукції і встановлення їх зв'язків з сейсмічністю Закарпатського прогину та іншими геофізичними факторами.

Для досягнення поставленої мети потрібно було розв`язати наступні задачі:

розробка методів обробки результатів спостережень з метою відбракування некондиційних вимірів;

розробка методики виявлення малоамплітудних аномалій у часових рядах;

вивчення аномальних ефектів у часових рядах геомагнітного поля та встановлення їх зв`язків з місцевою сейсмічністю;

розробка методів, алгоритмів і програм автоматизації обробки даних цифрових МВС та обчислень векторів індукції;

аналіз особливостей часових змін параметрів векторів Візе у зв`язку з сейсмічним режимом Закарпатської сейсмоактивної зони;

аналіз добових та сезонних змін векторів індукції.

Об`єктом дослідження є геомагнітне поле та його варіації.

Предметом дослідження - локальні особливості часових змін аномального магнітного поля та параметрів векторів індукції у зв`язку з сейсмотектонічними процесами у Закарпатті.

Методи дослідження. Для розв`язування поставлених задач використовувались статистичні методи, спектральний та кореляційний аналізи, математичне моделювання магнітного поля.

Наукова новизна одержаних результатів:

Розроблено ефективний метод відбракування некондиційних даних в часових рядах геомагнітного поля на основі аналізу міжквартильних інтервалів, який дозволив здійснювати фільтрацію часових рядів з високим відсотком неякісних спостережень;

Розроблено метод кореляції рядів спостережень геомагнітного поля з синус-функцією на асиметрично заданому півперіоді для виявлення малоамплітудних аномалій;

Встановлено, що у Закарпатському прогині сейсмотектонічні процеси можуть відображатися в різницевому геомагнітному полі як класичними бухтоподібними аномаліями, так і довготривалими трендами, різкими змінами рівня а також значним підвищенням дисперсії різницевого поля протягом 5-15 діб;

Розроблено метод, алгоритм та програмне забезпечення обробки великих масивів магнітоваріаційних спостережень, що дозволило автоматизувати процес обчислення векторів індукції та підвищити якість їх моніторингу;

Виявлено просторово-часові кореляції аномальних змін параметрів векторів індукції з розташуванням епіцентрів близьких до РГС „Н. Селище” землетрусів;

Вперше виявлено та проаналізовано характер сезонних та добових змін компонент векторів індукції.

Достовірність отриманих результатів забезпечується застосуванням математично строгих методів аналізу; використанням достовірно встановлених закономірностей в інших галузях; перевіркою правильності програм чисельного математичного моделювання на прикладах, що допускають аналітичні розв'язки; порівнянням отриманих результатів з даними інших методів, ретельним тестуванням створених програмних засобів. Практичне значення отриманих результатів полягає в підвищенні рівня надійності виділення і оцінки аномальних часових змін модуля геомагнітного поля. Це розширює перспективи застосування високоточних геомагнітних методів при моніторингу активних геодинамічних зон. Застосування запропонованих методів, алгоритмів та програм обробки геомагнітних та магнітоваріаційних спостережень дали змогу проводити обробку великих масивів неперервних даних і використовуються відділом динаміки аномального магнітного поля КВ ІГФ для аналізу часових рядів режимних геомагнітних та магнітоваріаційних спостережень на Карпатському геодинамічному полігоні. Розроблені методи виділення малоамплітудних аномалій використовувались також для аналізу профільних спостережень, які проводились КВ ІГФ НАН України при нафтопошукових роботах.

Результати аналізу часових рядів використовуються Карпатською дослідно-методичною геофізичною партією для комплексної інтерпретації даних геофізичного моніторингу у сейсмоактивному Закарпатському прогині.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, представлені в дисертації, отримані автором особисто. Автор приймала участь в польових спостереженнях, обробці та аналізі експериментального матеріалу геомагнітного моніторингу на РГС „Нижнє Селище”, „Тросник”, „Брід”, „Берегове”, розробці методів відбракування некондиційних даних та виділення малоамплітудних аномалій. Особисто автором запропоновано метод та розроблено алгоритм автоматизації процесу обробки великих масивів цифрової інформації і створено на його основі систему програм. Проведено співставлення часових рядів аномального магнітного поля та векторів індукції з сейсмічним режимом Закарпаття, що дозволило виявити залежності аномальних змін цих параметрів від локалізації епіцентрів близьких землетрусів. Виявлено та досліджено добові, сезонні і довгоперіодні складові векторів індукції.

Апробація роботи. Основні результати, викладені в роботі, доповідались на Міжнародній геофізичній конференції (Санкт-Петербург, 2000), III International Workshop on Magnetic, Electric and Electro Magnetic Methods in seismolody and Volcanology MEEMSV-2002 (Москва, 2002), Міжнародних науково-технічних симпозіумах “Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища GPS i GIS технології” (Алушта, 2002, 2004, 2008), Міжнародних конференціях “Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища” (Київ, 2002-2007), конференціях «Нові геофізичні технології прогнозування та моніторингу геологічного середовища» ( Львів, 2005-2008), конференціях Наукового Товариства ім. Шевченка (Львів, 2000-2007 рр.), семінарі на геологічному факультеті Київського університету ім. Т.Г. Шевченка (2005 р.), семінарах КВ ІГФ НАНУ.

Публікації. Основні положення і результати включених в дисертаційну роботу досліджень викладені у співавторстві у 26 публікаціях (в тому числі 1 монографія, 8 статей у наукових журналах, 1 стаття у збірнику наукових праць, 15 тез доповідей).

Структура і об`єм роботи. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, переліку посилань із 125 найменувань, включає 86 рисунків і 18 таблиць. Повний обсяг роботи викладено на 196 сторінках, з них 165 сторінок основної частини.

Автор висловлює щиру подяку своєму науковому керівникові - старшому науковому співробітнику КВ ІГФ НАН України Ю.М. Городиському за допомогу і поради при виконанні цієї роботи, директору КВ ІГФ НАН України В.Ю. Максимчуку та старшому науковому співробітнику КВ ІГФ НАН України В.Г. Кузнєцовій за сприяння і допомогу при виконанні роботи, зав. відділом регіональних геофізичних робіт УкрДГРІ В.І. Трегубенку за можливість користуватися матеріалами магнітоваріаційних спостережень і консультації.

2. Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи: розкрито сутність і стан вивчення наукової проблеми, обґрунтовано доцільність напрямку досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету, основні методи і задачі досліджень, відзначено наукову новизну отриманих результатів, їх зв`язок з науковими програмами, планами та темами, наведено дані щодо їх практичної цінності й апробації.

Розділ 1. Дослідження динаміки аномального магнітного поля та часових змін параметрів векторів індукції для вивчення сучасних геодинамічних процесів і пошуку провісників землетрусів. Геомагнітний моніторинг геодинамічних процесів полягає у дослідженні часових змін аномального магнітного поля, викликаних коровими джерелами. Тектономагнітні дослідження на високому рівні проводяться вже понад півстоліття в Японії, Китаї, США та інших тектонічно активних регіонах планети. На теренах колишнього СРСР такі дослідження охоплювали Карпати, Крим, Кавказ, Урал, Середню Азію, Сибір, Камчатку, Сахалін. Значний внесок в цей напрям геомагнетизму зроблено працями В.П. Орлова, I.М. Пудовкiна, В.А. Шапiро, К.Н. Абдуллабекова, Ю.П. Сковородкіна, В.Г. Кузнєцової, I.М. Завойської, В.А. Ларiонова та інш. Результати повторних геомагнітних спостережень в сейсмоактивних регіонах, експерименти на водо- та газосховищах, тощо вказують, що тектономагнітні аномалії можуть викликатися низкою явищ. Основні з них наступні: змiна напружено-деформованого стану гiрських порiд; змiна температури гiрських порiд в природних умовах, в т.ч. перемiщення поверхні Кюрi; виникнення електричних струмiв (електрокiнетичнi явища, термоелектричнi струми та iнш.); зміни магнітних властивостей порід внаслідок зміни їх хiмiчного складу та фазових переходів речовини.

Отримані результати свідчать про можливість використання даних про просторову структуру аномалій вікового ходу для вивчення найбільш загальних особливостей глибинної будови та сучасної геодинаміки земної кори, зокрема при прогнозуванні сейсмічної активності. Проте, незважаючи навіть на окремі випадки прогнозу часу, місця i сили землетрусів, проблема ще далеко не розв'язана. Невдачі у передбаченні землетрусів у кінці ХХ століття у США, Японії, Росії, при наявності досить розгалуженої мережі пунктів спостережень призвели до розвитку песимістичного погляду на проблему прогнозу і гострих дискусій з цього приводу. Але більш оптимістично налаштовані дослідники вважають, що подальший прогрес вимагає поглибленого вивчення сейсмотектонічних процесів і накопичення експериментальних даних у сейсмоактивних регіонах.

Тектономагнітні дослідження проводяться і на Карпатському геодинамічному полігоні, який був створений у середині 60-х років минулого століття в південно-західній частині Українських Карпат (Кузнецова В.Г., 1981, Кузнецова В.Г., Максимчук В.Е., 1984). Полігон охоплює територію, де контрастно і різко диференційовано проявилися новітні тектонічні рухи, а сучасна тектонічна активність характеризується підвищеною сейсмічністю, аномальним тепловим потоком, наявністю регіональної зони аномальної електропровідності.

На полігоні використовувалась диференційна методика спостережень, яка дозволяє виключати варіації геомагнітного поля зовнішнього і глобального походження і отримати різницеве поле Т між парами режимних станцій, які працюють синхронно. За період 1990-2000 рр. у часових рядах Т виділено 11 аномальних ефектів тектономагнітної природи, які мають типові риси притаманні аномаліям провісникового типу і в інших регіонах. Однак були випадки, коли аномальних змін Т перед землетрусами не спостерігалося, разом з тим не всі аномальні зміни поля Т супроводжувались землетрусами. Наявність помітних геомагнітних ефектів, які не супроводжуються землетрусами, спостерігались і в інших сейсмоактивних регіонах. Зафіксовано також чимало випадків, коли геомагнітні ефекти перед сильними землетрусами були відсутні. Поряд з вивченням часових аномальних змін геомагнiтного поля в комплекс сейсмопрогностичних геомагнітних досліджень в Закарпатті входять і неперервні магнітоваріаційні спостереження, які були розпочаті на РГС «Нижнє Cелище» у 1989 році магнітоваріаційною станцією системи В.Н. Боброва з фотореєстрацією H-, Z-,D-,T-компонент геомагнітного поля. Для моніторингу можливих змін геоелектричних параметрів середовища у районі розташування РГС на аналогових магнітограмах систематично виділяються бухтоподібні варіації і обчислюються компоненти векторів індукції, напрям і величина яких визначаються Карпатською аномалією електропровідності.

Аналіз даних неперервних спостережень магнітних обсерваторій, розташованих у сейсмоактивних регіонах, дозволив виявити певні кореляції між аномальною поведінкою векторів індукції та сейсмотектонічним режимом. В Китаї зафіксовані випадки, коли вектори індукції перед землетрусами мали напрями, що вказували на епіцентри землетрусів, які незабаром відбулися (Xіaopіng Zeng et al., 1998). Аномальні зміни векторів індукції перед землетрусами могли проявлятися лише в окремих діапазонах періодів і бути відсутніми в інших (Mogi T., Takada M., 2002). Аналіз довготривалих змін векторів індукції за даними спостережень на РГС „Н. Селище” також у деяких випадках вказував на їх можливі зв`язки з сейсмічністю.

Отже, з огляду результатів попередніх досліджень випливає, що процес підготовки землетрусів може відображатися в аномальних змінах геомагнітного поля та аномальній поведінці векторів індукції. Однак, у регіонах з помірною сейсмічною активністю, до яких належить Закарпатський прогин, питання про однозначність таких зв`язків потребує додаткового вивчення. Крім того вектори індукції, що аналізувалися в попередніх роботах, переважно обчислювалися на основі аналогових магнітограм. Перехід на цифрові магнітоваріаційні спостереження дозволив значно ущільнити ряди компонент векторів індукції, що дає можливість детальніше вивчити особливості їх часової поведінки.

Розділ 2. Методи обробки результатів геомагнітних спостережень та виділення малоамплітудних аномалій. Для аналізу часових рядів геомагнітного поля актуальною є задача виявлення та відбраковування некондиційних даних, кількість яких може бути доволі високою внаслідок посилення техногенних впливів. Критерії відбраковування розроблені здебільшого для випадку наявності у вибірці одного або кількох некондиційних спостережень. Основні вимоги, яким повинен задовольняти метод вибраковки - відділити некондиційні дані від нормальних, допускаючи лише мінімальні втрати останніх. Метод ґрунтується на припущенні, що природна (кондиційна) складова стаціонарного процесу має нормальний розподіл. Допускається, що кількість некондиційних даних може сягати 25% і застосовуються способи квантильної фільтрації. Були проведені дослідження ефективності розробленого методу, які показали, що для відносно великих вибірок ефективність є достатньо високою і значно кращою, ніж у класичних методів.

Розроблений метод використовується при первинній обробці даних для знаходження різницевого поля Т та повного вектора геомагнітного поля Т. На наступному етапі досліджуються відфільтровані часові ряди з метою пошуку аномалій поля Т. На сьогоднішній день існує величезна різноманітність методів і прийомів виділення аномалій в геофізичних полях. Тому при їх застосуванні важливо враховувати характер поставленої задачі, наявність апріорних відомостей про досліджувані об'єкти, а також правомірність використання математичного методу для вирішення конкретної задачі. Методи аналітичного продовження у верхній та нижній півпростір дозволяють як видалити регіональну складову так і виділити локальні аномалії, однак змістовність аналітичне продовження має лише до аналізу просторового розподілу поля.

Були проаналізовані методи з використанням автокореляційної та взаємокореляційної функцій, оптимальної фільтрації, спосіб оберненої ймовірності. Їх застосування вимагає апріорної інформації про основні параметри аномалії. Оскільки аномалії у геофізичних полях часто мають бухтоподібну форму у роботі розроблено метод виділення малоамплітудних аномалій на основі кореляції вихідних даних з синус-функцією на асиметрично заданому півперіоді. Він полягає у наступному:

Знаходиться ділянка максимальної кореляції між спостереженим полем і півперіодом синусоїди, яка зміщується вздовж ряду даних.

Уточнюється форма виявленої аномальної ділянки шляхом кореляції з асиметрично заданою синусоїдою:

, , i=2,...,m-1

де m -- кількість точок півперіоду.

До переваг цього методу слід віднести: простоту реалізації; відсутність необхідності попереднього видалення регіональної (довгоперіодної) складової для виявлення місцеположення аномалії; застосовність як до часових рядів, так і до профільних спостережень. Дана методика використовується для виділення аномалій у часових рядах різницевого поля Т при співставленні поведінки геомагнітного поля та місцевої сейсмічності, а також при виділенні малоамплітудних аномалій Т за даними профільних спостережень.

Розділ 3. Аномальні часові зміни геомагнітного поля та їх зв`язок з місцевою сейсмічністю. Режимні цілодобові геомагнітні спостереження на Карпатському геодинамічному полігоні були організовані у 1982 року. Їхньою метою було вивчення безпосередньо аномальних часових змін поля сейсмотектонічного походження - провісників місцевих землетрусів. Була обґрунтована методика і точність спостережень, що могли забезпечити виявлення аномальних ефектів від місцевих землетрусів та організовано спостереження на чотирьох РГС, які розміщені в виділених раніше за результатами площинних спостережень індикаторних зонах: РГС “Брід” (Вигорлат-Гутинське вулканічне пасмо), РГС “Н. Селище” поблизу Закарпатського глибинного розлому (ЗГР), РГС “Тросник” (зона перетину Виноградівського і Припанонського розломів), РГС “Берегове” (Берегівська горстова зона). Наявність достатньо довгого ряду високоточних спостережень на режимних станціях дозволила досліджувати довгоперіодні часові зміни поля. Наведені часові ряди середньодекадних значень Т між парами станцій, починаючи з 1990 року.

Середньоквадратична помилка визначення середньодобових значень Т лежить в межах ±0.54 ±96. Аналіз графіків Т між парами станцій показує, що існують інтервали майже лінійних змін поля Т в часі. Дуже цікавим є період з кінця 1996 року до початку 1999, коли для різниць Т_Н.С.-Тр. і Т_Бр.-Тр. характерним є плавне квазілінійне зростання, яке за два роки склало у першому випадку 7 нТл, у другому - 5 нТл. У різниці Т_Бр.-Н.С. спостерігається зменшення поля приблизно на 2.5 нТл. Це свідчить про те, що найбільші зміни поля за зазначений період відбулися на РГС Н. Селище і трохи менші на РГС Брід. На станції Тросник трендові довгоперіодні зміни були незначними. У 1997-1998 роках, коли був зафіксований квазілінійний тренд, спостерігався період сейсмічного затишшя, після якого 4 січня 1999 року на стадії відновлення поля на південний захід від РГС Н. Селище (вулканічна зона Келімен-Харгіта (Румунія)) відбувся досить сильний для цього району землетрус з К=10.5, М=3.5. Виділена при цьому величина сейсмічної енергії більше ніж на порядок перевищує Е в період затишшя.

Наведені факти дозволили припустити, що саме зростання тектонічних напружень у період сейсмічного затишшя був причиною виявленої аномалії Т. Чисельна інтерпретація на основі п`єзомагнітного ефекту можливих змін напружень, які могли спричинити зазначений тренд, показала, що повна величина пружної енергії, накопиченої у блоці, що моделює вулканічну зону Келімен-Харгіта в межах порядку відповідає виділеній сейсмічній енергії внаслідок землетрусу 4.01.1999 р. Таким чином, квазілінійні зміни поля Т_Н.С.-Тр. відображають процес нагромадження пружної енергії в земній корі. У часових рядах середньодобових значень Т між парами РГС крім довготривалих змін виділяються бухтоподібні аномалії Т тривалістю 1-6 місяців. За морфологією різницевого поля Т у 2000-2004 рр. виділено 6 бухтоподібних аномалій провісникового типу. При співставленні виділених аномалій з місцевою сейсмічністю використовувались дані про землетруси з К8 у радіусі до 100 км від режимних станцій. Коли епіцентри перебували у безпосередній близькості до РГС, розглядалися землетруси і меншої сили (К6). Аномальними вважались ефекти, амплітуди яких більше ніж у два рази перевищували середньоквадратичні похибки Т для пар станцій.

Крім традиційного виділення аномальних ефектів по морфології аномальних змін геомагнітного поля, використовувався ряд кореляційних методів, а саме метод синус-кореляції, кореляції різницевого ряду з променем та виділення ділянок часових рядів з підвищеною дисперсією. Ці методи дозволили додатково виділити ряд аномальних ефектів, пов`язаних з землетрусами: знакозмінні аномалії; різкі зміни рівня, після яких поле повільно виходить на попередній рівень; області підвищеної дисперсії та короткоперіодні флуктуації поля. Здебільшого виділені аномалії мають бухтоподібну форму.

Використання методу кореляції з синус-функцією на асиметрично заданому півперіоді та оцінки апостеріорних ймовірностей виділених таким чином аномалій дали змогу конкретизувати задачу про вплив окремих сейсмічних зон на характер аномальних часових змін магнітного поля на різних РГС. Проведено кількісну інтерпретацію на основі електрокінетичного ефекту часових змін різницевого поля Т_Н.С.-Тр. у зв`язку з землетрусами, що відбулися протягом 2000-2004 рр. у зоні ЗГР. Інтерпретація проводилась з використанням моделі вертикального контакту, яка добре описує електрокінетично-активні зони розломів. З результатів випливає, що прийнята модель адекватно описує аномалії локального геомагнітного поля провісникового типу в зоні ЗГР і може бути використана для оптимізації розташування пунктів спостереження при розширенні їх мережі. Крім аномальних ефектів, які, імовірно, викликані місцевими землетрусами, в різницевому полі Т, переважно весною, спостерігаються аномалії, не пов`язані з сейсмічними подіями. Ці ефекти, вірогідно, мають сезонний характер, оскільки вони корелюють зі зміною рівня ґрунтових вод, обумовленою весняними дощами, таненням снігу і підсиленням фільтраційних процесів у верхніх осадових шарах. Останнє викликає аномальні зміни квазіпостійного магнітного поля за рахунок електрокінетичних явищ.

За результатами неперервних режимних спостережень виявлено аномальні часові зміни магнітного поля різної тривалості і походження, а саме:

квазілінійні довгоперіодні трендові зміни Т тектонічного походження, які можуть бути пов'язані з періодами сейсмічного затишшя, коли відбувається поступовий приріст напружень і їх накопичення на регіональному рівні;

локальні зміни Т, ймовірно викликані підготовкою окремих сейсмічних подій у регіоні, які можуть проявлятися у вигляді бухтоподібних аномалій провісникового типу, знакозмінних аномалій, різких змін рівня поля та різкого підвищення дисперсії у часових рядах;

аномальні зміни Т викликані сезонними особливостями метеорологічних параметрів.

Переважно величина і напрям векторів індукції в Закарпатському прогині зумовлені добре відомою Карпатською аномалією електропровідності (А.П. Бондаренко і ін., 1972). Однак, в окремі періоди спостерігаються аномальні зміни їх параметрів. Було зроблено припущення (Харін Є.П. та ін., 1996), що причиною аномальних змін векторів Візе є розташування станції спостережень „Н. Селище” в зоні так званих “параметричних аномалій” та обґрунтовувалось, що такою „аномалією” є Данилово-Тереблянська геологічна структура. Оскільки вектори індукції обчислювалися для півмісячних-місячних інтервалів, то їх статистика була недостатньою для встановлення зв`язків аномальних значень цих векторів з місцевою сейсмічністю.

Встановлення відділом регіональних геофізичних робіт УкрДГРІ (зав.відділом В.І. Трегубенко) у 1999 році на РГС “Нижнє Селище” цифрової магнітоваріаційної станції типу ЛЕМАД дозволило значно деталізувати часові ряди векторів Візе. На основі цифрових даних вектори індукції обчислювалися для кожного дня, а для короткоперіодних варіацій ще з більшою щільністю. Обчислення компонент векторів Візе за цифровими даними проводяться з використанням методики та програми обробки даних МТЗ (Семенов В.Ю., 1985). Однак для отримання щільних часових рядів компонент векторів індукції виявилося необхідним автоматизувати процес обробки. Основними вимогами до алгоритму автоматизації були: можливість задавати довільні інтервали усереднення початкових даних та однозначна прив'язка моменту початку усередненої вибірки до періоду доби. Крім того розроблені методики мінімізації втрат інформації внаслідок техногенного браку, а також правила розподілу результатів обчислень векторів Візе по діапазонах періодів залежно від вибраного інтервалу усереднення. Це дозволило проводити аналіз змін векторів індукції для варіацій невеликих періодів як в розрізі доби, так і в розрізі року для тих самих часових інтервалів доби.

На основі розробленого алгоритму створено систему програм зі зручним графічним інтерфейсом, які склали оболонку до програми В.Ю. Семенова. Використання цього програмного комплексу збільшило ефективність обчислень індукційних стрілок більш ніж у 100 разів. Для аналізу часових змін векторів Візе були вибрані такі діапазони періодів: до 2.5 хв., 2.5-5 хв., 5-10 хв., 10-20 хв., 20-40 хв. та 40-60 хв. Напрям і величина неаномальних векторів індукції, отриманих за цифровими даними, практично не відрізняються від відповідних параметрів, розрахованих за аналоговими магнітограми. Але завдяки збільшенню щільності рядів векторів індукції виявилось, що інтервали їх аномальної поведінки здебільшого становлять одну або декілька діб. останньому випадку аномальність проявляється кількома послідовними різкими відхиленнями або значним збільшенням дисперсії однієї або обох компонент. Досліджено амплітудно-частотні характеристики векторів індукції, які узгоджуються з результатами інших авторів: зі збільшенням періоду величина модуля дійсного вектора індукції зростає, набуває максимуму в діапазоні 20-40 хв., а уявного - спадає, переходячи через нуль у цьому ж діапазоні.

Виявилось, що для множини найбільш аномальних (візуальних) значень векторів індукції кореляція з місцевою сейсмічністю в цілому регіоні є незначною. Тому на наступному кроці досліджень були розглянуті лише найближчі до пункту спостереження землетруси (відстань до епіцентрів яких становила не більше 30 км). Аномальними (статистично) вважалися вектори індукції, хоча б одна з компонент яких відхилялася від середньорічного значення для всіх періодів від 2.5 до 60 хв. (на всіх інтервалах усереднення) на три середньоквадратичні відхилення. В 10 випадках групи днів з аномальними значеннями векторів індукції передували сейсмічним подіям.

У нічний час ця область має еліпсоподібну форму, подовженість якої починає збільшуватися зі сходом сонця і досягає максимуму в полуденні години. Крім того від ранкових до полуденних годин відбувається також поворот великої осі фігури. В ранкові і вечірні години азимут напряму цієї осі приблизно -40, в полуденні години - близький до меридіонального. Після полудня процес зміни форми відбувається в зворотному напрямі. Подібні зміни форми характерні і для сезонного ходу. Найбільша подовженість і найменше відхилення від меридіонального напряму області розподілу вершин векторів індукції на площині спостерігається в літній період. Виявлено також цікаву особливість змін середньорічних значень модулів векторів індукції, а саме тенденцію їх збільшення протягом 2000 - 2006 рр., і для цифрових, і для аналогових даних. При тому, що протягом 1990-2000 рр. існувала тенденція зменшення середньорічних значень модулів (за аналоговими даними). Оскільки 1989 і 2000 рр. були роками максимумів сонячної активності, то монотонні зміни тривали протягом цілого 11-річного циклу сонячної активності. Ймовірно, існує кореляція довгоперіоних змін модулів векторів індукції з періодом інверсії геліомагнітного поля.

Означені вище особливості є наслідком процесів в іоносферних шарах. Не виключено, що ці процеси можуть бути причиною відхилення від умов адекватного визначення вектора індукції (вертикально падаюча плоска хвиля як збудник). В.М. Шуман розвинув теорію фундаментальних співвідношень імпедансного типу в магнітотелуричних і магнітоваріаційних методах (Шуман В.М., 2004, 2007), які є більш універсальними, ніж вектори індукції, однак отримані ним співвідношення містять просторові похідні. Для реалізації цієї теорії та для покращення інтерпретації отриманих результатів необхідно створити мережу пунктів магнітоваріаційних спостережень.

В результаті проведених досліджень виявлено просторово-часову кореляцію розташування епіцентрів близьких землетрусів відносно РГС „Н. Селище” та аномальних проявів векторів індукції; сезонний і добовий хід індукційних стрілок, який безпосередньо корелює з сонячним інтервалом доби; можливий зв'язок середньорічних значень модуля вектора індукції з циклом сонячної активності.

Висновки

В дисертації розроблено методи, алгоритми та програми обробки даних геомагнітних та магнітоваріаційних спостережень. Ці методи було використано при аналізі експериментальних даних, отриманих на РГС Карпатського полігону для дослідження динаміки аномального геомагнітного поля і векторів індукції та встановлення їх зв'язків з сейсмічністю Закарпатського прогину.

Основні результати полягають в наступному.

Розроблено метод відбракування некондиційних даних на основі аналізу міжквартильних інтервалів, що дозволило здійснювати фільтрацію часових рядів з високим відсотком неякісних спостережень;

Запропоновано метод виявлення малоамплітудних аномалій провісникового типу в часових рядах геомагнітного поля на основі кореляції даних спостережень з синус-функцією на асиметрично заданому півперіоді;

Встановлено існування довготривалих змін аномального геомагнітного поля, викликаних накопиченням тектонічних напружень у періоди сейсмічного затишшя;

Виявлено, що у Закарпатському сейсмоактивному прогині крім довготривалих трендових змін і бухтоподібних аномалій провісникового типу тектономагнітні аномалії можуть проявлятися також у вигляді різких змін рівня поля та суттєвого підвищення дисперсії у часових рядах;

Результати математичного моделювання часових змін Т зроблені на основі п`єзомагнітного ефекту узгоджуються з гіпотезою, що довготривалі квазілінійні трендові зміни Т викликані накопиченням напружень в період сейсмічного затишшя у зоні Вигорлат-Гутинського вулканічного пасма.

Зроблена кількісна інтерпретація на основі електрокінетичного ефекту дозволяє стверджувати, що модель вертикального контакту адекватно описує аномалії локального геомагнітного поля провісникового типу для землетрусів, які готуються в зоні Закарпатського глибинного розлому.

Розроблено методику, алгоритми і програмне забезпечення автоматизації обробки і обчислень векторів індукції, що дозволило суттєво ущільнити часові ряди цих векторів;

Встановлено просторово-часову кореляцію аномальних проявів векторів індукції з розташуванням епіцентрів близьких землетрусів;

Досліджено сезонний та добовий хід векторів індукції, який безпосередньо корелює з сонячним інтервалом доби;

Виявлено можливий зв'язок середньорічних значень модуля вектора індукції з циклом сонячної активності.

Список праць за темою дисертації

1. Городиський Ю. Метод сортування часових рядів з помітною кількістю некондиційних даних / Юрій Городиський, Євген Струк, Тамара Климкович // Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології. - 2000. - № 392. - С. 141-145.

2. Городиський Ю. Деякі особливості векторів Візе в Закарпатському прогині та їх інтерпретація / Юрій Городиський, Валентина Кузнєцова, Тамара Климкович // Геодинаміка. - 2000. - 1(3). - С. 112-117.

3. Kuznetsova V. Application of high-accuracy magnetometry to study recent geodynamic processes and earthquake precursors / V. Kuznetsova, T. Klymkovych // Contributions to Geophysics and Geodesy. - Geophyzcualy ustav SAV. - 2001. Bratislava. - Vol. 31/1 - P. 283-288.

4. Кузнєцова В.Г. Довготривалі часові зміни геомагнітного поля та їх зв'язок з сейсмотектонічними процесами / В.Г. Кузнєцова, Ю.М. Городиський, Т.А. Климкович // Науковий вісник Національної гірничої академії України. -2001. -№ 4. С. 112-113.

5. Городиський Ю. Деякі кореляційні методи виділення малоамплітудних аномалій / Юрій Городиський, Євген Струк, Тамара Климкович // Комп'ютерна інженерія та інформаційні технології: Вісник НУ «Львівська політехніка». - № 450. Львів. - 2002. С. 155-161.

6. Кузнецова В.Г. Изучение связи аномальных эффектов в геомагнитном поле с сейсмическим режимом Карпат / В.Г. Кузнецова, В.Е. Максимчук, Ю.М. Городыский, Т.А. Климкович // Физика Земли. - 2005. - № 3. С. 61-67.

7. Городиський Ю. Виділення малоамплітудних аномалій геомагнітного поля методами аналітичного продовження / Юрій Городиський, Тамара Климкович // Праці наук.тов. ім. Шевченка. - 2006. - Т. ХVІІ. Геофізика. - С. 47-60.

8. Т.А. Климкович Результати досліджень часових змін векторів індукції в Закарпатському сейсмоактивному прогині. / Т.А. Климкович, В.Г. Кузнєцова, Ю.М. Городиський, В.Ю. Максимчук // Геодинаміка 1(6) 2007, Львівське Астрономо-геодезичне тов. - С. 41-48.

9. Городыский Ю.М. Элементы алгоритма первичного статистического анализа временных рядов геомагнитных наблюдений / Ю.М. Городыский, Т.А. Климкович / Международная геофизическая конференція: тезисы докладов. -Санкт-Петербург. - 2000. - С. 513-514.

10. Kuznetsova V. Results of Geomagnetic monitoring for studying seismotectonic processes in the Transcarpathian frough / V. Kuznetsova, V. Maksymchuk, Yu. Gorodisky, T. Klymkovych //Moscow Workshop. III International Workshop on Magnetic, Electric and Electro Magnetic Methods in seismolody and Volcanology MEEMSV-2002. - Moscow-2002. - Р. 182-183.

11. Городиський Ю. Дослідження часових змін векторів Візе в системі геомагнітного моніторингу в сейсмоактивному Закарпатському прогині / Юрій Городиський, Валентина Кузнєцова, Валентин Максимчук, Тамара Климкович // Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища GPS i GIS технології: VII Міжнародний науково-технічний симпозіум, 7-14 вересня 2002. - Алушта. - С. 79-80.

12. Кузнєцова В. Результати геомагнітного моніторингу в сейсмоактивному Закарпатському прогині / Валентина Кузнєцова, Валентин Максимчук, Юрій Городиський, Тамара Климкович //Геофізичний моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища: зб.доп. ІІІ між народ. конф. - Київ: КНУ ім. Т. Шевченка, 7-9 вересня 2002. - С. 53-55.

13. Городиський Ю.М. Деякі результати аналізу часових змін векторів Візе в сейсмоактивному Закарпатському прогині за даними цифрових магнітоваріаційних спостережень та проблеми обробки цих даних / Ю.М. Городиський, В.Г. Кузнєцова, В.Ю. Максимчук, Т.А. Климкович // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища: тези доповідей IV Міжнародної наукової конференції, 9-11 жовтня 2003 року, Київ. - С. 61-63.

14. Городиський Ю.М. Компонентні геомагнітні вимірювання в Закарпатті (методика та деякі результати) / Ю.М. Городиський, В.Г. Кузнєцова, В.Ю. Максимчук, І.В. Панькевич, Т.А. Климкович // Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища - GPS i GIS технології. Матеріали IХ Міжнародного науково-технічного симпозіуму 6-11 вересня 2004. Крим, Алушта. - C. 65-67.

15. Городиський Ю.М. Результати тектономагнітних досліджень в районі східної частини Вигорлат-Гутинського пасма / Ю.М. Городиський, В.Г. Кузнєцова, В.Ю. Максимчук, Т.А. Климкович, І.В. Панькевич // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища. Матеріали V Міжнародної наукової конференції. - 7-9 жовтня 2004 р. - Київ. - 2004. - С. 63-64.

16. Климкович Т.А. До проблеми виділення малоамплітудних аномалій геомагнітного поля / Т.А. Климкович, Ю.М. Городиський // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища. Матеріали VІ Міжнародної наукової конференції - 6-8 жовтня 2005 р. - Київ-2005. - С. 64-65.

17. Климкович Т.А. Автоматизація обчислень векторів Візе за даними цифрових магнітоваріаційних спостережень у сейсмоактивному Закарпатському прогині / Т.А. Климкович, Ю.М. Городиський, В.Г. Кузнєцова // Нові геофізичні технології прогнозування та моніторингу геологічного середовища, тези доповідей наукової конференції, присвяченої пам'яті першого керівника Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, доктора г.-м. наук, професора Я.С. Сапужака. 5 жовтня 2005 р. Львів-2005 С. 35-37.

18. Кузнєцова В.Г. Результати моніторингу динаміки аномального магнітного поля на Карпатському геодинамічному полігоні / В.Г. Кузнєцова, Т.А. Климкович, Ю.М. Городиський, В.Ю. Максимчук // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища. Матеріали Всеукраїнської наукової конференції, 21-24 вересня 2006 р. Київ-2006. - С. 105-106.

19. Климкович Т.А. Часові зміни параметрів векторів Візе та їх можливий зв`язок з сейсмічним режимом Закарпаття за даними цифрових магнітоваріаційних спостережень / Т.А. Климкович, Ю.М. Городиський, В.Г. Кузнєцова // Нові геофізичні технології прогнозування та моніторингу геологічного середовища. Матеріали наукової конференції до 75-річчя від Дня народження першого керівника Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, доктора геол.-мін. наук, професора Я.С. Сапужака, 5 жовтня 2006 р. Львів-2006. - С. 53.

20. Климкович Т.А. Особливості часових змін векторів індукції в сейсмоактивному Закарпатському прогині / Климкович Т.А., Городиський Ю.М., Кузнєцова В.Г., Максимчук В.Ю. // Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища. Матеріали VIII Міжнародної наукової конференції, 20-23 вересня 2007 р., Київ-2007. - С. 57-58.

21. Климкович Т. Результати неперервних довготривалих досліджень векторів індукції в Закарпатському прогині / Тамара Климкович, Юрій Городиський, Валентина Кузнєцова, Валентин Максимчук // Нові геофізичні технології прогнозування та моніторингу геологічного середовища. Матеріали наукової конференції, присвяченої пам`яті фундаторів Карпатського відділення Інституту геофізики ім.С.І. Субботіна НАН України Тараса Зиновійовича Вербицького і Ярослава Станіславовича Сапужака, 9-11 жовтня 2007 р. Львів. - С. 37-40.

22. Maksymchuk V. Geomagnetic monitoring sn the Transcarpathians / Maksymchuk V, Kuznetsova V. Gorodisky Yu. Klymkovych T. // The 3-nd Anniversary symposium GeObMag 2008 Surlari national geomagnetic observatory “liviu Constantinescu”, Bucharest, Romania, 16-18 October 2008. - Р. 14.

Размещено на Allbest.ru

...