Геофизические процессы и биосфера: статья

Изменения удельного электрического сопротивления горных пород на разных глубинах геоэлектрического разреза и сопоставление их с сейсмичностью
А.А. Бобачев, А.В. Дещеревский, А.Я. Сидорин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Журнал: Геофизические процессы и биосфера
Том: 21
Номер: 4
Год: 2022
Страницы: 215-230
УДК: 550.837.311
DOI: 10.21455/GPB2022.4-15
Ключевые слова: электрическое сопротивление горных пород, многолетний прецизионный мониторинг, сейсмичность, поиск предвестников землетрясений.
Аннотация: Ранее авторами был проведен уникальный эксперимент по многолетнему непрерывному прецизионному мониторингу вариаций сопротивления земной коры в высокосейсмичном районе. Измерения проводились с помощью прецизионной аппаратуры ежедневно в течение 12 лет на стационарной многоэлектродной установке ВЭЗ, включающей 18 разносов. Результат этого эксперимента можно рассматривать как профиль ВЭЗ особого вида, у которого вместо линейной координаты от пикета к пикету меняется дата зондирования. Этот профиль содержит более 4000 пикетов. В результате инверсии данного профиля были построены многолетние временные ряды вариаций УЭС на различных глубинах. Для оценки точности восстановления УЭС в каждом слое была проведена серия численных экспериментов. В ходе этих экспериментов сначала строились синтетические временные ряды вариаций УЭС в разных слоях разреза, имитирующие реальные вариации УЭС. Затем для них решалась прямая задача ВЭЗ и строились временные ряды кажущегося сопротивления. К этим рядам добавлялся псевдослучайный шум со свойствами, аналогичными реальным шумам. После этого решалась обратная задача ВЭЗ и оценивалась точность восстановления исходных синтетических рядов УЭС. В работе проанализированы экспериментальные ряды временных вариаций УЭС в четырех слоях геоэлектрического разреза, полученные в ходе указанного эксперимента. Эти ряды длительностью около 10 лет восстановлены с беспрецедентной для полевых зондирований точностью. Проведена декомпозиция рядов УЭС на сезонную и остаточную (фликкер-шумовую) составляющие и оценены их статистические характеристики. Изучена зависимость амплитуды сезонных эффектов от глубины слоя. Рассчитан степенной параметр спектров для фликкер-шумовых компонент и обнаружено его систематическое уменьшение по мере увеличения разноса AB для кажущихся сопротивлений и глубины – для удельных. Обсуждается возможность изменения УЭС под влиянием близких неглубоких сейсмических событий, а также процессов их подготовки. Рассматриваются землетрясения, очаги которых располагались в ближайшей окрестности зондируемого объема или даже частично захватывали его (отношение линейного размера очага к эпицентральному расстоянию не менее 0.5). Продемонстрировано наличие синхронных сейсмическим явлениям вариаций УЭС в нижних слоях геоэлектрического разреза, однако их значимость нуждается в дополнительном изучении.
Список литературы: Абдуллабеков К.Н. Электромагнитные явления в земной коре. Ташкент: ФАН, 1989. 231с.

Авагимов А.А., Атаев А.К., Сантурян В.А., Эфендиев М.И. Электромагнитный мониторинг на геодинамических полигонах. Ашхабад: Ылым, 1993. 140 с.

Асада Т., Такаги А., Исибаси К., Суйехиро С., Усами Т., Матсуда Т., Йосии Т., Вакита Х., Сато Х., Мидзутани Х. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии. М.: Недра, 1984. 287 с.

Бердыев А.А., Мухамедов В.А. Землетрясения – фликкер-шум? // Докл. АН СССР. 1987. Т. 297, № 5. С. 1077–1082.

Баталева Е.А., Мухамадеева В.А. Комплексный электромагнитный мониторинг геодинамических процессов Северного Тянь‐Шаня (Бишкекский геодинамический полигон) // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9, № 2. С. 461–487. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-2-0356

Бобачев А.А. Комплекс IPI-1D – одномерная профильная интерпретация данных ВЭЗ и ВЭЗ-ВП [Электронный ресурс]. http://geoelectric.ru/ipi2win.htm [Дата доступа: 26.06.2020].

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Особенности неустойчивости решения обратной задачи ВЭЗ при прецизионном мониторинге // Наука и технологические разработки. 2020а. Т. 99, № 1. С. 31–58. https://doi.org/10.21455/std2020.1-4

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Алгоритмы регуляризации для повышения устойчивости решения обратной задачи при прецизионном мониторинге удельных электрических сопротивлений методом ВЭЗ // Сейсмические приборы. 2020б. Т. 56, № 3. С. 61–82. https://doi.org/10.21455/si2020.3-4

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Регуляризация решения обратной задачи ВЭЗ методом стабилизации контраста: тестирование алгоритма на модельных данных // Наука и технологические разработки. 2022а. Т. 101, № 1. С. 5–35. https://doi.org/10.21455/std2022.1-2

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Оценка погрешности решения обратной задачи ВЭЗ для прецизионных исследований временных вариаций геоэлектрического разреза с сильным сезонным эффектом // Сейсмические приборы. 2022б. Т. 58, № 4. С. 41–61. https://doi.org/10.21455/si2022.4-3

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Прецизионное решение обратной задачи ВЭЗ для экспериментальных данных многолетнего мониторинга земной коры // Наука и технологические разработки. 2022в. Т. 101, № 4. https://doi.org/10.21455/std2022.4-4

Велихов Е.П., Зейгарник В.А. (ред.). Проявления геодинамических процессов в геофизических полях. М.: Наука, 1993. 158 с.

Встовский Г.В., Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я., Тимашев С.Ф. Поиск электрических предвестников землетрясений методом фликкер-шумовой спектроскопии // Физика Земли. 2005. № 7. С. 3–14.

Гаврилов В.А., Ландер А.В., Морозова Ю.В. Сопоставление данных скважинных геоакустических и электромагнитных измерений с данными по механизмам очагов землетрясений // Докл. Академии наук. 2019. Т. 484, № 6. С. 745–749. https://doi.org/10.31857/S0869-56524846745-749

Гейликман М.Б., Писаренко В.Ф. О самоподобии в геофизических явлениях // Дискретные свойства геофизической среды. М.: Наука, 1989. С. 109–131.

Гравиров В.В., Дещеревский А.В., Кузьмин Ю.О., Лиходеев Д.В., Собисевич А.Л., Широков И.А. Развитие систем прецизионных наклономерных наблюдений в условиях подземной обсерватории // Сейсмические приборы. 2022. Т. 58, № 1. C. 29–52. https://doi.org/10.21455/si2022.1-2

Дещеревский А.В. Фильтрация сезонных компонент вариаций геоэлектрических параметров на Гармском полигоне: Дисс. … к.ф.-м.н. М.: ИДГ РАН, 1996. 175 с.

Дещеревский А.В. Фрактальная размерность, показатель Херста и угол наклона спектра временного ряда. М.: ОИФЗ РАН, 1997. 36 с.

Дещеревский А.В. Корреляция между временными рядами: что может быть проще? [Электронный ресурс]. https://habr.com/ru/post/542638/ [Дата доступа: 05.11.2022].

Дещеревский А.В., Журавлев В.И. Тестирование методики оценки параметров фликкер-шума. М.: ОИФЗ РАН, 1996. 12 с.

Дещеревский А.В., Лукк А.А. Выделение регулярных составляющих во временных вариациях геофизических параметров методом разложения на негармонические компоненты // Вулканология и сейсмология. 2002. № 5. С. 65–78.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Экспериментальные исследования сезонных вариаций кажущегося сопротивления применительно к задачам сейсмологии // Сейсмические приборы. 1999а. Вып. 32. С. 62–75.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Некоторые вопросы методики оценки среднесезонных функций для геофизических данных. М.: ОИФЗ РАН, 1999б. 40 с.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Скрытые периодичности и фликкер-шум в электротеллурическом поле // Физика Земли. 1999в. № 4. С. 56–67.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Двухкомпонентная модель геофизических процессов: сезонные вариации и фликкер-шум // Докл. Академии наук. 2001. Т. 376, № 1. С. 100–105.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Проблема фликкер-шума при изучении причинно-следственных связей между природными процессами // Докл. Академии наук. 2003а. Т. 392, № 3. С. 392–396.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Аномальная зависимость амплитуды сезонных вариаций кажущегося сопротивления от разноса // Докл. Академии наук. 2003б. Т. 388, № 3. С. 387–391.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. О зависимости сезонных вариаций кажущегося сопротивления от глубины зондирования // Физика Земли. 2004а. № 3. С. 3–20.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Исследование значимости корреляции электрической активности рыб и электротеллурического поля // Биофизика. 2004б. Т. 49, № 4. С. 715–722.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Оптимизация алгоритма расчета временных вариаций удельного сопротивления по данным режимных зондирований методом ВЭЗ для повышения точности и надежности результатов // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 1. С. 35–56. https://doi.org/10.21455/std2019.1-3

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Итеративный алгоритм декомпозиции временных рядов на тренд и сезонные колебания и его тестирование на примере вариаций концентрации СО2 в атмосфере // Геофизические процессы и биосфера. 2021а. Т. 20, № 1. С. 128–152. https://doi.org/10.21455/GPB2021.1-11

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Алгоритм адаптивной оценки сезонных колебаний временных рядов и его тестирование на примере вариаций концентрации СО2 в атмосфере // Геофизические процессы и биосфера. 2021б. Т. 20, № 4. С. 147–174. https://doi.org/10.21455/GPB2021.4-10

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Признаки фликкер-шумовой структуры во временных реализациях электрометрических параметров // Изучение природы вариаций геофизических полей. М.: ОИФЗ РАН, 1994. С. 5–17.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Линейность спектров несезонных компонент геофизических временных рядов // Докл. Академии наук. 1996. Т. 346, № 6. С. 815–818.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Спектрально-временные особенности сезонных изменений кажущегося сопротивления // Физика Земли. 1997а. № 3. С. 53–63.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Признаки фликкер-шумовой структуры во временных реализациях геофизических полей // Физика Земли. 1997б. № 7. С. 3–19.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Исследования на Гармском полигоне и их влияние на эволюцию представлений о прогнозе землетрясений // Очерки геофизических исследований. К 75-летию Объединенного института физики Земли им. О. Ю. Шмидта / Отв. ред. А.О. Глико. М.: ОИФЗ РАН, 2003а. С. 111–129.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. О новой парадигме прогноза землетрясений // Докл. Академии наук. 2003б. Т. 388, № 2. С. 233–236.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Флуктуации геофизических полей и прогноз землетрясений // Физика Земли. 2003в. № 4. С. 3–20.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 2. WinABD – пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. 2016а. Т. 52, № 3. С. 50–80.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Проблемы анализа временных рядов с пропусками и методы их решения в программе WinABD // Геофизические процессы и биосфера. 2016б. Т. 15, № 3. С. 5–34.

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Метод построения модели геоэлектрического разреза с учетом сезонных вариаций по данным многолетнего мониторинга методом ВЭЗ для поиска предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 4. C. 61–80. https://doi.org/10.21455/si2017.4-5

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Построение оптимальной модели геоэлектрического разреза по данным режимных ВЭЗ на примере центральной части Гармского полигона // Геофизические процессы и биосфера. 2018а. Т. 17, № 3. С. 109–140. https://doi.org/10.21455/GPB2018.3-7

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Сезонные вариации удельного электрического сопротивления в верхних слоях земной коры // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018б. Т. 43, № 3. C. 68–83. https://doi.org/10.21455/VIS2018.3-6

Дещеревский А.В., Идармачев Ш.Г., Идармачев И.Ш. Влияние сезонного изменения уровня воды в Чиркейском водохранилище на кажущееся сопротивление пород Хадумского купола, расположенного в его окрестности // Геология и геофизика Юга России. 2020. Т. 10, № 4. С. 101–112. https://doi.org/10.46698/VNC.2020.69.97.006

Заборовский А.И. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 423 с.

Иванов В.Э., Червякова М.В. Генератор фликкер-шума на основе упрощенной модели лавинного процесса // Вестник ТОГУ. 2022. № 1 (64). С. 17–28.

Идармачев Ш.Г., Барсуков О.М. «Плотинные» землетрясения и вариация электросопротивления массива пород в районе Чиркейского водохранилища // Докл. АН СССР. 1978. Т. 240, № 2. С. 302–305.

Идармачев Ш.Г., Черкашин В.И., Алиев И.А., Идармачев И.Ш. Вариации электрических параметров массива горных пород в районе высотной плотины Чиркейской ГЭС как индикатор неустойчивого состояния среды // Надежность и безопасность энергетики. 2013. № 4 (23). С. 37–40.

Короновский Н.В., Захаров В.С., Наймарк А.А. Краткосрочный прогноз землетрясений: реальность, научная перспектива или проект-фантом? // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4: Геология. 2019. № 3. С. 3–12.

Куфуд О. Зондирование методом сопротивлений. М.: Недра, 1984. 270 с.

Левитан Ю.С., Панченко Н.Н., Синкевич O.A. К природе фликкер-шума // Докл. АН СССР. 1988. Т. 32, № 6. С. 1359–1363.

Лукк А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я., Сидорин И.А. Вариации геофизических полей как проявление детерминированного хаоса во фрактальной среде. М.: ОИФЗ РАН, 1996. 210 с.

Лысенко В.Б., Писаренко В.Ф. Низкочастотная асимптотика спектра как характеристика нестационарности некоторых геофизических процессов // Геодинамика и прогноз землетрясений. (Вычисл. сейсмология. Вып. 26). М., 1994. С. 45–57.

Мандельбаум М.М., Эпов М.И., Морозова Г.М., Неведрова Н.Н., Ельцов И.Н. Сейсмическая активность и динамика электропроводности земной коры на Байкальском прогностическом полигоне // Геология и геофизика. 1996. Т. 37, № 6. С. 88–94.

Мацаев А.С. Физика фликкер-шума и модификация модели транзистора // Журнал радиоэлектроники [Электронный журнал]. 2020а. № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.7.15

Мацаев А.С. Фликкер-шум. Особенности, разнообразие и управление // Журнал радиоэлектроники [Электронный журнал]. 2020б. № 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.10.7

Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Аппаратура для динамической геоэлектрики. М.: Наука, 1990. 206 с.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Многофункциональная станция электрического зондирования и результаты ее использования // Комплексные исследования по прогнозу землетрясений. М.: Наука, 1991. С. 182–199.

Пархомов А.Г. Фликкер-шум как процесс, чувствительный к слабым воздействиям // Стратегия жизни в условиях планетарного экологического кризиса. Т. 2. СПб.: Гуманистика, 2002. С. 112–122.

Разуменко Д.В. Низкочастотные шумы электронных компонентов как инструмент для диагностики внутренних дефектов // Компоненты и технологии. 2008. № 9. С. 168–174.

Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения// Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9–27.

Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979. 388 с.

Сидорин А.Я. Вариации электрического сопротивления верхнего слоя земной коры // Докл. АН СССР. 1984. Т. 278, № 2. С. 330–334.

Сидорин А.Я. Результаты прецизионных наблюдений за вариациями кажущегося сопротивления на Гармском полигоне // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290, № 1. С. 81–84.

Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: Наука, 1990. 240 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Автоматизированная обработка данных на Гармском геофизическом полигоне. М.: Наука, 1991. 216 с.

Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. 192 с.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Методика прецизионного электрического зондирования при поиске предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 1996. Вып. 25–26. С. 189–211.

Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 312 с.

Тимашев С.Ф. О термофлуктуационной природе фликкер-шума в твердых телах // Докл. АН СССР. 1984. Т. 279, № 6. С. 1407–1410.

Тимашев С.Ф. О природе фликкер-шума // Журн. физ. химии. 1993. T.67, № 4. С. 798–799.

Тимашев С.Ф., Костюченко И.Г. Фликкер-шум в процессах солнечной активности // Журн. физ. химии. 1995. Т. 69.

Тимашев С.Ф., Григорьев В.В., Будников Е.Ю. Фликкер-шумовая спектроскопия в анализе флуктуационной динамики электрического потенциала в электромембранной системе при «запредельной» плотности тока // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76, № 3. С. 554–561.

Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков. M.: АН СССР, 1963. 323 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 1. М.: МГУ, 1988. 176 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 2. М.: МГУ, 1992. 200 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электроразведка методом сопротивлений. М.: МГУ, 1994. 160 с.

Шалагинов А.Е., Неведрова Н.Н., Шапаренко И.О. Вариации электрофизических параметров по данным электромагнитного мониторинга как индикатор активности разломных зон // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9, № 1. С. 93–107. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0339

Шустер Г. Детерминированный хаос. М.: Мир, 1988. 240 с.

Якубовский Ю.В. Электроразведка. Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. М.: Недра, 1980. 384 с.

Bobachev A. Ipi2win user’s guide. Moscow: Moscow State University, 2002.

Descherevsky A.V., Lukk A.A., Sidorin A.Y., Vstovsky G.V., Timashev S.F. Flicker-noise spectroscopy in earthquake prediction research // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2003. V. 3, Iss. 3–4. P. 159–164. https://doi.org/10.5194/nhess-3-159-2003

Geller R.J., Jackson D.D., Kagan Y.Y., Mulargia F. Earthquakes cannot be predicted // Science. 1997. V. 275, Iss. 5306. P. 1616–1617. https://doi.org/10.1126/science.275.5306.1616

Mogi K. Earthquake prediction program in Japan // J. Phys. Earth. 1995. V. 43, Iss. 5. P. 533–561. https://doi.org/10.4294/jpe1952.43.533

Ryabinin G.V., Polyakov Yu.S., Gavrilov V.A., Timashev S.F. Identification of earthquake precursors in the hydrogeochemical and geoacoustic data for the Kamchatka peninsula by flicker-noise spectroscopy // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2011. V. 11, Iss. 2. P. 541–548. https://doi.org/10.5194/nhess-11-541-2011

Timashev S.F. Flicker-noise spectroscopy in analysis of chaotic fluxes in distributed dynamical dissipative systems // Rus. J. Phys. Chem. 2001. V. 75, N 10. P.1742–1749.

Wesson R.L., Filson J.R. Development and strategy of the Earthquake Prediction Program in the United States // Earthquake Prediction. An International Review / Eds. D.W. Simpson, P.G. Richards. Washington, D.C., 1981. P. 671–680.