ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 2, с. 82-96
УДК 550.837.2:550.34.113
МНОГОМЕРНЫЙ ВЕЙВЛЕТ-АНАЛНЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ЭЛЕКТРОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕННЙ НА КАМЧАТКЕ
© 2004 г. А. А. Лшбушин (мл.)1, Г. Н. Копылова2
1Институт физики Земли им. Г.А. Гамбурцева РАН, г. Москва 2Камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия ГС РАН, г. Петропавловск-Камчатский
Поступила в редакцию 25.07.2002 г.
В статье представлены результаты совместного многомерного вейвлет-анализа трех временных рядов наблюдений за вариациями электротеллурических потенциалов на Камчатке, пункт наблюдений Верхняя Паратунка, за период 01.10.1996-23.06.2001. Целью анализа является выделение общих компонент анализируемых сигналов и сопоставление их с сейсмическим режимом и вариациями метеорологических параметров. Для анализа был использован метод робастных вейвлет-агрегированных сигналов, разработанный одним из авторов для задач мониторинга. Проведена оценка средней прогностической силы выделенных аномалий. Выделен эффект частотной миграции всплеска меры коллективности поведения анализируемых рядов в направлении от низких частот к высоким, имевший место в течение всего интервала наблюдений. Особенности подобного рода в поведении геофизических характеристик в последнее время все чаще рассматриваются как принципиально новый класс предвестников сильных землетрясений.
ВВЕДЕНИЕ
Современные представления о сейсмотектонических (в более общем смысле геодинамических) процессах, происходящих в земной коре при подготовке землетрясений или вулканических извержений, дают основание полагать, что эти процессы могут быть прослежены на основе наблюдений естественного электромагнитного поля на поверхности Земли. В качестве физических оснований для электромагнитного мониторинга геодинамических процессов рассматриваются, во-первых, изменения электрических свойств геологической среды (ее удельного сопротивления, электропроводности и поляризуемости) под воздействием тектонических процессов и, во-вторых, механоэлектри-ческие преобразования энергии тектонических процессов и появление связанных с ними электромагнитных полей [Электромагнитные..., 1982; Гох-берг и др., 1988; Соболев, 1993; Светов и др., 1997].
В течение нескольких десятилетий в различных сейсмоактивных регионах, в т.ч. на Камчатке, проводится регистрация электротеллурического поля (ЭТП) с целью обнаружения предвестников землетрясений [Соболев, 1993; Мороз и др., 1995; Балеста и др., 1999; Иуеёа, 1996]. Но, несмотря на многочисленные сообщения о регистрации разнообразных вариаций ЭТП в связи с землетрясениями, до настоящего времени не имеется ясных представлений о механизме образования таких сигналов. Это связано, в первую очередь, с трудностью интерпретации временных рядов ЭТП из-за разнообразного и комплексного влияния различных внешних и внутренних факто-
ров. В результате ионосферных, метеорологических, техногенных и др. воздействий перед любым землетрясением могут проявляться разнообразные вариации ЭТП, которые усложняют выделение сигналов, связанных с развитием современных геодинамических процессов и подготовкой сильных землетрясений.
Одним из возможных способов выделения аномалий в изменениях ЭТП, обусловленных сейсмотектоническими процессами, может быть применение таких методов обработки данных наблюдений, которые позволяют диагностировать скрытые в уровне сильных помех "полезные" сигналы формализовано, основываясь на их общих статистических свойствах. Ниже для обработки данных используется робастный метод многомерного анализа вейвлет-коэффициентов разложений исходных временных рядов. Используемый алгоритм является некоторой разновидностью метода агрегированных сигналов [Любушин (мл.), 1998; 2000; 2001; 2002; ЬуиЪшЫп (Гг.), 1999].
Агрегированный сигнал строится в два этапа. На первом этапе исходный многомерный ряд заменяется на многомерный же ряд т.н. канонических компонент, которые сохраняют общие сигналы и освобождены от локальных. На втором этапе общие сигналы дополнительно усиливаются путем построения одного скалярного ряда - их первой главной компоненты, который и назван агрегированным сигналом исходного многомерного временного ряда. Эти операции могут быть произведены либо в пространстве Фурье-коэффициентов, либо в пространстве вейвлет-коэффи-
циентов разложений исходных данных. Каждый этап агрегирования реализуется как последовательность проекций многомерных преобразований Фурье (или вейвлет-преобразований) на собственные вектора различных спектральных матриц (или ковариационных матриц). Подробно все этапы вычислительной технологии описаны в [Лю-бушин (мл.), 1998; 2000; 2001; 2002; ЬуиЪшЫп (1г.), 1999]. Использование ортогональных вейвлетов [ВаиЪесЫез, 1992; Ма1М, 1998] позволяет анализировать сильно нестационарные и негауссовы временные ряды, анализ которых с помощью Фурье-методов хотя формально и возможен, но малоэффективен. В данной статье используется робаст-ная модификация метода вейвлет-агрегированных сигналов [Любушин (мл.), 2002], обладающая устойчивостью по отношению к сильным выбросам в значениях вейвлет-коэффициентов. Наличие выбросов обусловлено способностью вейвлет-разложений аккумулировать максимум информации в относительно небольшом (в процентном отношении) числе коэффициентов.
ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
Электротеллурические наблюдения с целью поиска предвестников землетрясений проводятся на Камчатке с 60-х годов. Характеристика метода наблюдений и основные результаты, полученные в 60-х - первой половине 90 гг., представлены в работах [Соболев, Морозов, 1974; Соболев, 1993; Мороз и др., 1995].
С 1996 года КОМСП ГС РАН проводит непрерывную регистрацию ЭТП на пункте Верхняя Паратунка (ВП) (рис. 1) с использованием геофизической радиотелеметрической системы [Мороз и др., 1995; Балеста и др., 1999]. Пункт ВП (координаты 52.83 град с.ш., 158.12 град в.д.) расположен в южной части долины р. Паратунки при впадении в нее р. Карымшины. В структурном отношении район наблюдений находится на пересечении Паратунского грабена субмеридионального простирания и Карымшинского грабена северо-восточного простирания. Заложение грабенов произошло в среднеплейстоценовое время, когда на Камчатке началась последняя активизация орогенных неотектонических движений. Грабены образовались в результате компенсационного проседания блоков пород при быстром воздымании окружающих горных хребтов [Камчатка..., 1974]. В южной части Паратунского грабена орогенные процессы продолжаются в настоящее время и проявляется в периодическом возникновении роев слабых тектонических землетрясений.
В районе распространены сверху вниз рыхлые отложения четвертичного возраста, нижнеплейстоценовая толща туфогенных конгломератов и алевролитов, вулканогенно-осадочные породы палеоген-неогенового возраста. Геологическое строе-
ние района осложнено внедрениями дацитовых интрузий и липаритовых экструзий неогенового возраста. Район находится в пределах Карым-шинского участка Паратунской гидротермальной системы [Манухин, Ворожейкина, 1986]. На расстоянии 30 км к юго-западу от пункта ВП расположен вулкан Горелый, в 45 км к югу - вулкан Мутновский. Оба вулкана относятся к действующим. Последние извержения вулкана Горелый происходили в 80-ых гг.; последнее извержение вулкана Мутновского - в 60-ых гг. [Действующие., 1991]. Активность вулканов в период наблюдений проявлялась, главным образом, в фу-марольной деятельности и в редких слабых вул-кано-тектонических землетрясениях.
Пункт Верхняя Паратунка представляет систему из трех измерительных линий длиной 70-100 м, ориентированных в меридиональном (север-юг -линия 1), широтном (запад-восток - линия 3) и диагональном (юго-запад-северо-восток - линия 4) направлениях. В качестве заземления измерительных линий используются свинцовые электроды, помещенные в шурфы на глубину около 2 м. Частота регистрации разности теллурических потенциалов составляет 1 мин., точность - 0.5 мВ. Общая продолжительность наблюдений составляет 4 года 8 месяцев (с 01.10.1996 г. по 23.06.2001 г.).
В предыдущих работах, посвященных результатам электротеллурических наблюдений на Камчатке и в других регионах, отмечался широкий набор аномальных сигналов перед землетрясениями с амплитудами от первых мВ/100 м до десятков и сотен мВ/100м. Их продолжительности составляли от минут до десятков суток. По форме выделялись плавные "бухтообразные" вариации и импульсные сигналы [Соболев, 1993; Мороз и др., 1995; Иуеёа, 1996 и др.]. Вместе с тем, в [Копыло-ва и др., 2001] отмечается, что, большая часть разнообразных вариаций ЭТП на Камчатке имеет, в основном, естественное и закономерное происхождение вследствие влияния внешних ионосферных источников и сезонных, преимущественно гидрологических и гидрометеорологических факторов. Низкочастотные вариации ЭТП включают годовые сезонные изменения с амплитудами до нескольких десятков - первых сотен мВ/100м, а также изменения в форме несимметричных "бухт" с амплитудами от единиц до первых десятков мВ/100 м в результате выпадения осадков в летнее время и зимних оттепелей (их продолжительность от первых суток до десяти и более суток). Наиболее амплитудные изменения ЭТП происходят в апреле-июне во время таяния снега и в октябре-ноябре во время выпадения эффективных осенних осадков (см. рис. 2).
В изменениях ЭТП с периодами от минут до первых десятков часов проявляются, в основном, магнитотеллурические вариации. Среди них вы-
16-, 141210-
1 2 3
(а)
6п
Ь 4-
2-
0J
1.1._и_Ли
(б)
8-, 6
¡*Т 42 0
(в)
365 730 1095 1460 1825 Время, сутки от 01.01.96 г.
Рис. 1. Схема расположения пункта электротеллурических наблюдений Верхняя Паратунка (ВП), эпицентров сильных землетрясений и их афтершоков (1 - 5.12.1997 г., Ы8 = 7.9; 2 - 1.06.1998 г., Ы8 = 6.3; 3 - 8.03.1999 г., Ы8 = 6.9; 4 -8.10.2002 г., Ы8 = 6.6); КК - Курило-Камчатский глубоководный желоб, А - Алеутский глубоководный желоб; (а) -землетрясения 1996-2001 гг. с К5 > 12.0, Н < 100 км, Я < 360 км от п. ВП; (б) - суммарная за сутки деформация в районе п. ВП по [Добровольский, 1991]; (в) - местные слабые землетрясения в районе п. ВП. Горизонтальная пункти
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.