УДК 550.343.3+550.34.016
ПАРАМЕТРЫ ОТКЛИКА ПОЛЯ ОБЪЕМНОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ
© 2013 г. А. С. Черепанцев
Южный федеральный университет г. Таганрог E-mail: s6319a@mail.ru Поступила в редакцию 24.08.2012 г.
Для анализа свойств динамической системы, формирующей наблюдаемые данные геофизических полей различной природы, актуально расширение амплитудного диапазона регистрации на основе контроля воздействующих факторов на различных временных масштабах. Данные вариаций объемной деформации, полученные в рамках проекта PBO (Паркфилд, Калифорния), позволяют построить корректную регрессионную модель внешних воздействующих приливного и барического факторов, а также фактора осадков. В работе рассмотрены особенности выделения компонент деформации, обусловленных внешними источниками, включающие в себя учет связности барического и приливного воздействий и присутствие дополнительной компоненты, отражающей внутреннюю динамику деформационного процесса. Для снятия сезонных вариаций деформации во временном диапазоне T < 10 суток рассмотрен фактор кумулятивного ряда выпадения осадков. Оценка погрешности значений амплитуд, выделенных по предложенной методике компонент, оказалась близкой к точности исходных данных. Неоднородная сложная структура геологической среды в зоне, прилегающей к разлому Сан-Андреас может определять различие в характере деформационных процессов и отклика на внешние воздействия в рассмотренных точках наблюдения.
DOI: 10.7868/S000233371306001X
ВВЕДЕНИЕ
Наряду с пространственно-временным анализом сейсмичности в широком энергетическом диапазоне, одним из направлений исследования и контроля состояния верхних слоев литосферы является анализ комплекса геофизических полей, чувствительных к напряженно-деформированному состоянию среды в локальной области пространства. В качестве физически наблюдаемых величин, рассматриваются как непосредственные параметры — объемная, поверхностная, линейная деформации и напряжения, так и параметрически чувствительные к напряженно-деформированному состоянию геофизические поля: наклоны и вертикальное смещение поверхности, уровень воды в скважине, активность радона, электропроводность, кажущееся электрическое сопротивление, и ряд других полей. Имеется большое число публикаций, в которых указывается на аномальный характер поведения характеристик наблюдаемых полей в различных фазах сейсмичности, что, во многом, обуславливает интерес к подобным исследованиям.
Выделение аномального поведения затрудняется как сложным характером структуры геологической среды, формирующей наблюдаемое поле, так и сложной структурой сигнала, включающей компоненты различной природы.
Имеющиеся данные указывают на мозаичный характер аномальных проявлений в различных пространственных точках. В ряде точек такие проявления присутствуют, а в ряде точек они не наблюдаются. Данную особенность принято объяснять сложным строением верхних слоев литосферы с различным характером взаимодействия между отдельными элементами структуры. Неоднородность напряженно-деформированного состояния является фундаментальным свойством дискретной структуры горных пород. Устойчивый характер проявления неоднородности демонстрирует наблюдаемое пространственное распределение сейсмичности. Она имеет закономерный характер и описывается пространственным распределением с параметром фрактальной размерности d ~ 1.5 [Кейлис-Борок и др., 1989]. При сложном характере связи отдельных элементов среды может оказаться, что даже близкий блок слабо связан и не отражает динамику состояния соседнего элемента, и вместе с тем, более удаленный элемент может находиться в состоянии, близком к состоянию рассматриваемого элемента и соответственно проявлять синхронное поведение. Как следствие рассматриваемой особенности пространственной организации геологической среды, поведение локально наблюдаемых геофизических полей может быть слабо связанным между собой и не отражать эволюцию на-
пряженно-деформированного состояния на более старших масштабах даже в относительно близко расположенной области.
Необходимым элементом анализа вариаций является решение задачи выделения в регистрируемом сигнале компоненты, связанной с внутренним деформационным процессом, протекающем в геофизической среде. При этом уровень компоненты может быть существенно меньшим уровней компонент, обусловленных внешними процессами иной природы. Так уровень компонент приливного и барического воздействий в вариациях объемной деформации при скважинных наблюдениях в тектонически активном регионе в диапазоне частот меньше 0.1 1/суток составляет более 80% и имеет еще большую величину в асейсмических областях [Roeloffs et al., 2004; Smith, Gomberg, 2009]. В основе снятия внешних факторов лежит, как правило, контроль и регистрация их источников. Однако и в случае применения процедур факторного анализа, полное выделение внешних компонент затруднено как ограничениями физического характера, связанными с нестационарностью свойств среды по отклику на внешнее воздействие в тектонически активных регионах, так и ограничением математического характера, связанным с вопросом корректности использования методик выделения при наличии дополнительных факторов, отличных от чисто случайного процесса.
Задача надежного выделения компонент с малой амплитудой вариаций оказывается актуальной при исследовании свойств динамической системы, формирующей наблюдаемые геофизические временные ряды [Смирнов и др., 2005; Черепанцев, 2008b]. Результаты оценок при этом критичны к возможным амплитудным искажениям, так как применяемые при этом методики основываются на анализе амплитуд вариаций в широком динамическом диапазоне в логарифмическом масштабе представления. Такие искажения могут быть обусловлены не только точностью измерительной аппаратуры, но и последующей процедурой предварительной обработки данных. Стандартная процедура для анализа вариаций, обусловленных состоянием среды, как правило, включает в себя снятие искажений регистрирующей аппаратурой, составляющей тренда, устойчивых сезонных и суточных компонент, а также компонент, обусловленных влиянием внешних процессов, таких как барические, приливные, температурные и т.д. воздействия. Применяемые методики компенсации основываются на различных допущениях к свойствам анализируемого временного ряда, и как правило, являются некоторыми упрощающими предположениями. Корректность таких допущений не всегда строго обоснована и может приводить к искажению выделяемых временных рядов.
Являясь помехой при выделении компоненты, связанной с процессами в геологической среде, внешние источники можно рассматривать и как зондирующее воздействие на исследуемый объект. Выделенный отклик среды может содержать информацию о деформационных процессах. Так в ряде работ [Латынина, Кармалеева, 1978; Wu, 1988] указано на аномальность коэффициента передачи приливных воздействий в наблюдаемое поле объемной деформации перед землетрясением. Полученное значение изменения параметра передачи составляет величину около 5%. Для надежного выделения столь малых значений необходимы повышенные требования к метрологическому обеспечению и процедурам обработки. Таким образом, общим требованием при решении задач выделения аномального поведения вариаций в различных пространственных точках наблюдения, исследования параметров динамической системы выделенной компоненты, чувствительной к напряженному состоянию, а также анализа отклика среды на зондирующее воздействие, является надежное выделение внешних компонент в наблюдаемых вариациях, включающее определение амплитудного уровня искажения выделенной компоненты.
В предлагаемой работе по данным скважин-ных наблюдений вариаций объемной деформации в различных пространственно разнесенных точках регистрации проведен анализ применяемых методик предварительной обработки и условия их корректности.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Выбор в качестве исходных данных временных рядов вариаций геофизических полей, полученных американскими учеными в ходе многолетних наблюдений на полигоне Северной Калифорнии — в районе разлома Сан-Андреас (сегмент Паркфилд) обусловлен прежде всего накопленным большим объемом информации о характере тектонических процессов в данном регионе, широкой сетью долговременных режимных наблюдений исследуемого поля, сопутствующих внешних факторов, а также открытостью источников данных [Рге8еоИ й а1., 2001].
Для анализа взяты временные ряды скважин-ных наблюдений поля объемной деформации. Дополнительно в точках наблюдения проводилась регистрация атмосферного давления. В табл. 1 представлены основные характеристики выбранных временных рядов. Пространственное расположение точек наблюдения позволяет провести сравнительный анализ для близкорасположенных станций, находящихся по одну сторону разлома (РКУС^ PKFLT), по разные стороны разлома (PKDLT, PKFLT), удаленные на значи-
Таблица 1. Параметры временных рядов наблюдений объемной деформации
Точка наблюдения Время наблюдения (год, день года) Интервал дискретиз. (мин) Длина ряда (точек) Число пропусков (точек) Разрешение по амплитуде
PKDLT 1990.1-2006.319 10 865536 15196 ~0.4 nStrn
PKFLT 1990.1-2006.319 10 865536 4925 ~0.2 nStrn
PKJCN 1990.1-2006.319 10 865536 28783 ~0.2 nStrn
PKVCN 1990.1-2006.319 10 865536 14772 ~0.9 nStrn
тельное расстояние вдоль разлома (PKDLT, РЮС^ - рис. 1.
Измерения деформации осуществлялись объемным деформометром Сакса-Эвертона в скважинах на глубине около 200 м. Исходные измерения представляют деформации относительно произвольного начального значения в условных единицах. Указанное в табл. 1 разрешение соответствует единичному разряду условных единиц после калибровки по компоненте М2 приливных деформаций.
Исходные данные представлены набором файлов с отсчетами значений объемной деформации и сопутствующего поля барического давления с указанием даты и времени первого отсчета в системе иТС^МТ. Наличие пропущенных данных определяется рядом факторов:
1. Несовпадение времени последнего и первого отсчетов в файлах фрагментов данных;
2. Пропуски отсчетов, определяемые кодом проп
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.