Геофизические процессы и биосфера: статья

ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВЕРХНИХ СЛОЕВ ЗЕМНОЙ КОРЫ: АНАЛИЗ КОРРЕЛЯЦИЙ ПО СЕЗОННЫМ И ОСТАТОЧНЫМ КОМПОНЕНТАМ РЯДОВ
А.А. Бобачев
А.В. Дещеревский
А.Я. Сидорин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Журнал: Геофизические процессы и биосфера
Том: 22
Номер: 1
Год: 2023
Страницы: 50-72
УДК: 550.837.311+551.5
DOI: 10.21455/GPB2023.1-4
Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, временны́е вариации, горизонтально-слоистая модель, прецизионный геоэлектрический мониторинг, ВЭЗ, стационарная установка, сезонные вариации, фликкер-шум, экзогенные эффекты.
Аннотация: Статья продолжает серию публикаций авторов с результатами изучения вариаций удельного электрического сопротивления (УЭС) в четырех слоях геоэлектрического разреза. Прецизионное зондирование методом ВЭЗ проводилось на стационарной многоэлектродной установке с максимальным разносом питающих электродов 3 км в центральной части Гармского геофизического полигона в Таджикистане ежедневно в течение 12 лет. В результате наблюдений получен профиль, содержащий около 4500 пикетов. В отличие от обычных зондирований каждый пикет этого профиля соответствует не географической точке, а определенному моменту времени. Для инверсии полученного временно́го профиля использованы специально разработанные прецизионные алгоритмы с дополнительной регуляризацией обратной задачи. Погрешность решения контролировалась методами численного моделирования, в ходе которого решалась сначала прямая, а затем обратная задача ВЭЗ для профилей, имитирующих экспериментальный профиль, и оценивались фактические ошибки решения. Результаты проведенного анализа показали, что погрешность расчета сезонной составляющей вариаций УЭС в слоях 1–4 составляет 1–2 %, а фликкер-шумовой – от 1.3 до 3 %. При этом полная амплитуда сезонных вариаций УЭС в верхнем слое составляет более 50 %, а во втором – 5.5 %; амплитуда вариаций фликкер-шумовых составляющих для тех же слоев оценена как 54 и 24 % соответственно. В настоящей работе анализируется влияние внешних (экзогенных) факторов на вариации УЭС на различных глубинах. Установлен факт значимого влияния уровня грунтовых вод и температуры почвы на УЭС верхнего слоя разреза мощностью 1.5 м. Для температуры усредненный по всему слою коэффициент пропорциональности равен –0.580.12 %/град., для уровня грунтовых вод – –0.8 %/см. Для второго слоя разреза (глубина 1.5–10.2 м) обнаружено точное совпадение формы сезонной вариации УЭС и атмосферного давления. Это совпадение вряд ли является случайным, поскольку и для атмосферного давления, и для УЭС во втором слое характерна аномальная форма сезонной вариации с двумя максимумами и двумя минимумами в течение года, что совершенно нетипично для сезонных изменений УЭС. При этом для относительно более высокочастотных вариаций (периоды от нескольких суток до нескольких недель) корреляционный эффект отсутствует. Возможную причину наблюдаемого эффекта авторы связывают с барическим регулированием конкурентных источников поступления подземных вод в приуроченный ко второму слою разреза водоносный горизонт. Предполагается, что минерализация и проводимость воды в конкурирующих источниках резко отличаются, что вполне правдоподобно по геологическим соображениям. Перепады атмосферного давления вызывают изменение притока воды из двух этих источников, что приводит к изменению проводимости слоя. Инерционность процессов водообмена обусловливает отсутствие зависимости УЭС от атмосферного давления на относительно высоких частотах и наличие такой связи для вариаций с характерной продолжительностью 1 мес. или более.
Список литературы: Автоматизированная обработка данных на Гармском геофизическом полигоне / Отв. ред. А.Я. Сидорин. М.; Гарм: ИФЗ АН СССР; Компл. сейсмол. экспедиция, 1991. 216 с.

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

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Особенности неустойчивости решения обрат-ной 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 зада-чи ВЭЗ для прецизионных исследований временных вариаций геоэлектрического раз-реза 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

Бобачев А.А., Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Изменения удельного электрического сопротивления горных пород на разных глубинах геоэлектрического разреза и сопоставление их с сейсмичностью // Геофизические процессы и биосфера. 2022г. Т. 21, № 4. С. 215–230. https://doi.org/10.21455/GPB2022.4-15

Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука. Главная ре-дакция физико-математической литературы, 1983. 416 с.

Гармский геофизический полигон / Отв. ред. А.Я. Сидорин. М.; Гарм: ИФЗ АН СССР; Компл. сейсмол. экспедиция, 1990. 240 с.

Гусева Т.В., Лукк А.А., Певнев А.К., Сковородкин Ю.П., Шевченко В.И. Геодинамика района Гармского полигона в Таджикистане // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. № 7. С. 10–26.

Дещеревский А.В. Фильтрация сезонных компонент вариаций геоэлектрических параметров на Гармском полигоне: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. 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? [Элек-трон. ресурс]. https:// habr.com/ru/post/542638/. Дата обращения: 16.02.2021 г.

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

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Экспериментальные исследования сезонных вариаций кажущегося сопротивления применительно к задачам сейсмологии // Сейсмические при-боры. 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: Се-зонные вариации и фликкер-шум // Докл. Акад. 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. Акад. наук. 2003. Т. 392, № 3. С. 392–396.

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

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Оптимизация алгоритма расчета временных вариаций удельного сопротивления по данным режимных зондирований методом ВЭЗ для по-вышения точности и надежности результатов // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 1. 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 времен-ных 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. Акад. 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., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Организация банка данных геоэлектрического мониторинга на Гармском полигоне и свойства временных рядов // Сейсмиче-ские приборы. 1998. Вып. 30. С. 61–79.

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. 45, № 3. С. 68–83. https://doi.org/10.21455/VIS2018.3-6

Дещеревский А.В., Мухин В.М., Сидорин А.Я. Локальная модель сезонных вариаций поступления атмосферных осадков в почву на Гармском полигоне. М.: ОИФЗ РАН, 2001. 36 с.

Дещеревский А.В., Мухин В.М., Сидорин А.Я. Модель влияния атмосферных осадков на гео-физические процессы // Моделирование геофизических процессов. М.: ОИФЗ РАН, 2003а. С. 82–103.

Дещеревский А.В., Мухин В.М., Сидорин А.Я. Учет атмосферных осадков при мониторинге природных процессов // Докл. РАН. 2003б. Т. 389, № 6. С. 807–809.

Дещеревский А.В., Мухин В.М., Сидорин А.Я., Гаврилов В.А., Яковлева Ю.Ю. Опыт определения коэффициента таяния снега при расчетах водного баланса в почве на Камчатке и в Средней Азии // Геофизические исследования. 2006. Вып. 6. С. 71–84.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа гео-физических рядов. Ч. 1. Требования к программе обработки // Сейсмические приборы. 2016а. Т. 52, № 1. С. 61–82.

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. 2016б. Т. 52, № 3. С. 51–80.

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. 2016в. Т. 15, № 3. С. 5–34.

Ельцов И.Н., Манштейн А.К., Морозова Г.М., Неведрова Н.Н., Сидорин А.Я. Электромагнит-ные зондирования на Гармском полигоне методом становления полей // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М.: ОИФЗ РАН, 2000. С. 183–192.

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

Коновалов Ю.Ф., Сидорин А.Я. Геоэлектрическая параметризация Гармского полигона в связи с мониторингом и прогнозом землетрясений // Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: Инф.-аналит. бюл. 1996. Т. 3, № 4. С. 12–32.

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

Лукк А.А., Шевченко В.И. Характер деформирования земной коры Гармского района (Таджикистан) по геологическим и сейсмологическим данным // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1986. № 7. С. 16–33.

Лукк А.А., Леонова В.Г., Шевченко В.И. Сейсмотектоническая характеристика северного крыла и осевой части Таджикской депрессии (Гармский геодинамический полигон) // Физика Земли. 2008. № 12. С. 24–64.

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.

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 земле-трясений. М.: Наука, 1991. С. 182–199.

Сидорин А.Я. Вариации электрического сопротивления верхнего слоя земной коры // Докл. АН СССР. 1984. Т. 290, № 1. С. 81–84.

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

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

Электрическое зондирование геологической среды. В 2 т. / Под ред. В.К. Хмелевского, В.А. Шевнина. М.: Изд-во МГУ, 1988. Т. 1. 176 с.

Электрическое зондирование геологической среды. В 2 т. / Под ред. В.К. Хмелевского, В.А. Шевнина. М.: Изд-во МГУ, 1992. 200 с.

Электроразведка методом сопротивлений / Под ред. В.К. Хмелевского, В.А. Шевнина. М.: Изд-во МГУ, 1994. 160 с.

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

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