УДК 551.24,551.243,550.342
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ В СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИКЕ
© 2014 г. Ю. О. Кузьмин
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: kuzmin@ifz.ru Поступила в редакцию 03.05.2014 г.
Обсуждаются проблемы идентификации результатов геодеформационных наблюдений, обусловленные новыми технологиями измерений, которые приводят к "соотношениям неопределенности" типа "пространственный размер аномалии — густота наблюдательных пунктов" и "длительность аномалий — временная детальность измерений".
Отмечается, что многие "парадоксальные" выводы относительно скоростей и масштабов протекания современных геодинамических процессов снимаются при соблюдении критериев соответствия параметров измерительной системы свойствам исследуемого объекта и учета относительного характера средств наблюдений.
Показано, что изменение одноосного девиаторного напряжения во времени приводит к вариациям объемных деформаций и, как следствие, к вариациям силы тяжести.
Показана неоднозначность в определении векторов смещений земной поверхности методом РСА интерферометрии. Сделан вывод о том, что автономное использование интерферометрических данных приводит к существенным искажениям результатов и невозможно без комплексирования с наземными методами геодезических наблюдений.
Б01: 10.7868/80002333714050044
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, одним из наиболее эффективных методов изучения современных геодинамических процессов является геодеформационный мониторинг. При этом очевидно, что повышенная пространственная детальность измерений позволяет оценивать уровень и масштабы процессов, а повышенная частота опроса надежно устанавливать скорость их изменения.
Однако не всегда пространственно-временная детальность измерений соответствует динамическим свойствам исследуемых объектов. Зачастую локальные объекты изучаются региональными сетями наблюдений, а быстропротекающие процессы измеряют спорадически и с большими перерывами. Кроме того, традиционные методы геодеформационных наблюдений за глубинными природными объектами организованы таким образом, что датчики расположены, либо на земной поверхности, либо в приповерхностном слое. Все это затрудняет однозначную геодинамическую трактовку результатов измерений.
Иными словами основной проблемой адекватной оценки уровня современной геодинамической активности среды является проблема правильной идентификации (выявления) результатов наблюдений за истинными параметрами деформационного процесса.
Проблемы идентификации результатов измерений современных геодинамических (геодеформационных) процессов в последние годы существенно обострились. Это обусловлено тем, что в арсенале исследователей изучающих современные деформации (вертикальные и горизонтальные смещения, наклоны и т.п.) земной поверхности появились спутниковые и скважинные методы измерений, которые внесли свою, подчас проблемную специфику в традиционные методы наземных геодезических и обсерваторских геофизических (наклономерно-деформометрических) наблюдений.
Эта специфика затрагивает такие базовые понятия как "чувствительность", "точность", "пространственно-временное разрешение", "абсолютно и относительно измеренные величины", "адекватность идентификации измеренных данных", которые используются в теории измерения физических (механических) величин. Ситуация усугубляется тем, что некоторые исследователи полагают, что наблюдения не являются измерениями в строгом смысле этого понятия, т.к. "полевая" специфика налагает ограничения, которые не свойственны строгим лабораторным методам. Это дает им основание на не корректное обращение с оценками точности результатов наблюдений и про-
51
4*
странственно-временными характеристиками наблюдаемых параметров.
Кроме того мониторинговые, повторные во времени измерения, не воспроизводимы, т.к. повторить их в тех же условиях уже не возможно. Это действительно так, но, по мнению автора, процедура наблюдения должна максимально приближаться к процедуре измерения. Для этого необходимо проводить тщательный метрологический анализ системы "измерительный датчик—вмещающая среда". Причем это касается не только тривиальных оценок статистической значимости получаемых результатов с позиции теории погрешности наблюдений.
Наблюдения только тогда становятся измерениями, когда удовлетворяют основным принципам метрологии. Только в этом случае результаты наблюдений могут быть сравнимы, адекватно идентифицируемы и, следовательно, репрезентативны.
ТОЧНОСТЬ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Как следует из физических основ теории измерений, чувствительность (или разрешение) метода — это его способность к выявлению сигнала определенной амплитуды. Точность — это способность прибора (метода) выявлять полезный сигнал на фоне помех. Так, например, самым чувствительным методом измерения геодеформаций является наклономерно-деформометрический. Для того, чтобы в полной мере выявить полезный сигнал на уровне максимальной чувствительности приборов — 10-9—10-10 в единицах относительных деформаций, необходимо их заглублять (на 20 м и более) и помещать в специально оборудованные бункеры (камеры, штольни), а в идеале организовывать скважинные наблюдения. Естественно, что только в этом случае "точность" и "чувствительность" наблюдений будут совпадать.
Если, расположить эти приборы в неглубоком (3—5 м) подвале, то уровень метеорологических и антропогенных воздействий существенно снизит точность наблюдений (до 10-5—10—6 единиц относительных деформаций), в то время, как чувствительность датчиков останется, естественно, неизменной. Иными словами, по мере заглубления высокочувствительного датчика, которое увеличивает его помехозащищенность, точность прибора приближается к его чувствительности.
Поэтому характеристики "точности" измерительных инструментов, декларируемых в рекламных проспектах фирм-изготовителей геодезического и геофизического оборудования — это, на самом деле, "чувствительность" измерительных устройств. Истинная точность этих методов (ин-
струментов) будет объективно определяться конкретными условиями установки и режимом эксплуатации измерительного оборудования. Это тем более актуально в режиме полевой эксплуатации приборов.
Современная геодинамика — это многофакторное явление, которое обусловлено совокупностью природных и техногенных, эндогенных и экзогенных воздействий, изменяющихся в пространстве и во времени. В этом случае возникает ситуация, когда более чувствительный прибор (метод), измеряющий современные геодинамические процессы, будет более эффективно регистрировать не только полезный сигнал, но и помехи.
Кроме того, следует иметь в виду, что стандартное геодезическое (наземное и спутниковое) и геофизическое оборудование предназначено, в первую очередь, для стационарных, "однократных" съемок. Так, геодезическое оборудование используется для определения пространственных характеристик местности, а геофизическое для определения геологического разреза при поиске месторождений полезных ископаемых.
Задачи мониторинга, в первую очередь, требуют наличие многократных, повторных (в идеале непрерывных) измерений. А это накладывает дополнительные требования к фильтрации переменных во времени помех различной природы. Кроме того, при изучении современных деформаций земной поверхности принципиально важной является проблема закрепления измеряемых точек (реперов) на местности и их сохранность.
Классическая (наземная) геодезия за почти 2 века своего развития накопила значительный опыт по разработке различных типов (конструкций) реперов, которые используются в зависимости от грунтовых, геокриологических и климатических условий местности. При этом предусмотрены "антиван-дальные" мероприятия, сводящиеся к максимально возможному заглублению пунктов наблюдений. Это позволяет одновременно решать и вопросы повышения точности наблюдений и проблемы "маскировки" реперов.
Используя спутниковые системы измерений деформаций земной поверхности, например ОР8/ГЛОНАСС, напротив, стремятся в целях реализации антивандальных мероприятий располагать приемные антенны на крышах зданий и сооружений, что повышает степень сохранности оборудования, но существенно снижает точность наблюдений.
Кроме того, важно отметить, что наземные геодезические методы при всей трудоемкости их полевой реализации, крайне просты и наглядны в методах обработки. В противоположность этому спутниковые наблюдения легче измеряются, но очень сложно, а подчас неоднозначно обрабатываются, что может привести к существенным ис-
кажениям итоговых оценок уровня современного геодинамического состояния недр.
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДЕТАЛЬНОСТЬ МЕТОДОВ
При проведении дискретных (повторных) геодезических наблюдений принципиально важный вопрос заключается в установлении оптимальной пространственно-временной детальности измерений. Как правило, большая пространственная детальность наблюдений характерна для относительно коротких наблюдательных сетей и наоборот. При этом для наземных, например, нивелирных наблюдений, когда существует необходимость пешей передачи отметок между реперами, существует ограниченность по длительности между повторными измерениями. Именно поэтому значительные по пространственному охвату нивелирные наблюдения имеют редкую частоту опроса и малую густоту наблюдательных пунктов.
В этой связи становится очевидна необходимость проводить наблюдения, тщательно соблюдая принцип соответствия между динамическими свойствами объекта и пространственно-временной детальностью измерений. Иными словами, нельзя редкими пространственно-временными сетями производить измерения локальных, быст-ропротекающих процессов.
По всей вероятности именно этими обстоятельствами обусловлены парадоксальные несоответствия в результатах измерения спутниковыми и наземными геодезическими системами наблюдений в зонах разломов таких сейсмоактивных регионов, как Камчатка, Калифорния и Копетдаг [Кузьмин, 2013].
Для учета этих обстоятельств полезно использовать два соотношения неопределенностей, которые известны из теории колебаний и волн. Первое соотношение связыва
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.