УДК 550.837.311 + 550.8.056              с.61-80.   DOI: 10.21455/si2017.4-5

 

Метод построения модели геоэлектрического разреза
с учетом сезонных вариаций по данным
многолетнего мониторинга методом ВЭЗ
для поиска предвестников землетрясений

 

© 2017 г. А.В. Дещеревский1, И.Н. Модин2, А.Я. Сидорин1

 

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.Я. Сидорин, e-mail: al_sidorin@hotmail.com

 

Главное

·         Анализируются данные прецизионных ВЭЗ с разносами от 2 до 650 м

·         Наблюдения проводились на Гармском полигоне ежедневно в течение 12 лет

·         Предложен новый подход к интерпретации более 3000 повторных ВЭЗ в одном пункте

·         Построена модель геоэлектрического разреза, учитывающая его сезонные вариации

·         На порядок уменьшены невязки подбора и резко сужена область эквивалентности разреза

 

Аннотация

Анализируются данные высокоточных наблюдений кажущегося сопротивления на стационарной многоэлектродной установке ВЭЗ, включающей 12 питающих и 4 приемные линии с разносами от 2 до 650 м. Наблюдения проводились на Гармском полигоне ежедневно в течение 12 лет в рамках эксперимента по прогнозу землетрясений. Использование специальных технических приемов при проведении измерений позволило обеспечить аппаратурную погрешность порядка 0.01 %; реальная погрешность каждого отдельного измерения кажущегося сопротивления (с учетом всех возможных шумов) составляла 0.1–0.2 %. Наличие более 3000 кривых ВЭЗ, снятых в разные сезоны года, позволяет предложить новый подход к построению модели геоэлектрического разреза. Для решения обратной задачи ВЭЗ анализировался массив из 36 среднедекадных кривых ВЭЗ, каждая из которых получена осреднением приблизительно 100 индивидуальных кривых ВЭЗ, снятых в один и тот же 10-дневный период годового (сезонного) цикла в разные годы. Сравнительный анализ этих кривых позволил рассчитать и включить в модель поправки за стационарный геологический шум. В результате удалось существенно (на порядок) уменьшить невязки подбора и резко сузить область эквивалентности. По результатам анализа построена модель 4-слойного горизонтально-слоистого геоэлектрического разреза Хазор-Чашминской котловины, адекватно описывающая не только усредненный разрез, но и его сезонные изменения в течение года. Изучена устойчивость оценки параметров модели; для еще большего уменьшения области эквивалентности предложено зафиксировать мощности слоев. Построенная модель может использоваться не только для изучения осредненных характеристик разреза, но и для мониторинга временных вариаций удельного сопротивления в отдельных его слоях. Это существенно улучшит разрешающую способность систем выявления временных изменений геоэлектрического разреза, в том числе при поиске предвестников землетрясений.

 

Ключевые слова: геоэлектрический мониторинг, ВЭЗ, интерпретация, геоэлектрический разрез, сезонные вариации, Гармский полигон, предвестники землетрясений.

 

Цитируйте эту статью как: 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. DOI: 10.21455/si2017.4-5.

 

 

Литература

 

Барсуков О.М., Краснюк П.Д., Листов Н.А., Сорокин О.Н. Ориентировочная оценка размеров зоны подготовки землетрясения по изменениям электрического сопротивления горного массива // Предвестники землетрясений. М.: ИФЗ АН СССР, 1973. С.207–214. Деп. в ВИНИТИ, № 5498-73.

Бектемиров А.И., Романов В.П. Режимные электрометрические наблюдения на Фрунзенском прогностическом полигоне // Прогноз землетрясений. 1988. № 9. С.95–108.

Богданов М.И., Калинин В.В., Модин И.Н. Применение высокоточных низкочастотных электроразведочных комплексов для ведения длительного мониторинга опасных инженерно-геологических процессов // Инженерные изыскания. 2013. № 10/11. С.110–115.

Дещеревский А.В. Фильтрация сезонных компонент вариаций геоэлектрических параметров на Гармском полигоне: Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. М.: ОИФЗ РАН, 1996. 18 с.

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

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

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Две модели сезонных вариаций геофизических полей // Физика Земли. 2000а. № 6. С.3–12.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Корреляция сезонных вариаций геоэлектрических параметров с режимом гидрометеорологических элементов // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М.: ОИФЗ РАН, 2000б. С.87–99.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Сезонная и прогностическая составляющие вариаций кажущегося сопротивления // Докл. РАН. 2000в. Т. 370, № 4. С. 529–533.

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

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

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Проблема фликкер-шума при изучении причинно-след­ственных связей между природными процессами // Докл. РАН. 2003б. 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., 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, 1994а. С.5–17.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Сезонные вариации кажущегося электрического сопротивления на Гармском полигоне // Изучение природы вариаций геофизических полей. М.: ОИФЗ РАН, 1994б. C.37–59.

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 // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С.61–79.

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. 2016а. Т. 15, № 3. С.5–34.

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

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD – универсальный инструмент для анализа данных режимных наблюдений // Наука и технологические разработки. 2016в. Т. 95, № 4. С.35–48. (Тематический выпуск “Импортозамещение в геофизике”. Ч. 2. Аппаратура и программное обеспечение). DOI: 10.21455/std2016.4-6.

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

Идармачев Ш.Г. Изменения кажущегося сопротивления горных пород и “плотинные землетрясения” // Сейсмичность и гидрогазогеохимия территории Дагестана. Махачкала: Дагестанский филиал Ин-та геологии АН СССР, 1978. Вып. 2(17). С.89–94.

Идармачев Ш.Г., Абдулаев Ш.С. Оценка тензочувствительности электрического сопротивления горных пород в сейсмоактивных районах // Докл. РАН. 1998. Т. 361, № 5. С.682–684.

Идармачев Ш.Г., Алиев М.М. Вариации кажущегося электрического сопротивления горных пород в период Кизилюртовского землетрясения 1999 г. в Дагестане // Геофизические исследования. 2013. Т. 14, № 2. С.15–24.

Идармачев Ш.Г., Черкашин В.И., Мусаев М.А., Идармачев И.Ш. Оценка деформации земной коры в районе Чиркейской гэс от сезонной нагрузки водохранилища по геофизическим данным // Геофизика. 2015. № 2. С.31–37.

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

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Аппаратура для динамической геоэлектрики. М.: ИФЗ АН СССР, 1990. 208 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.

Пономарев А.В. Изучение вариаций электрического состояния горных пород применительно к поискам предвестников землетрясений: Дис. … канд. физ.-мат. наук. М.: ИФЗ АН СССР, 1987. 300 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.; Гарм: ИФЗ АН СССР, 1990. 240 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Автоматизированная обработка данных на Гармском геофизическом полигоне. М.; Гарм: ИФЗ АН СССР, 1991. 216 с.

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

Сидорин А.Я., Журавлев В.И. Оценка размеров зон подготовки землетрясений по данным электрического зондирования // Моделирование предвестников землетрясений. М.: Наука, 1980. С.45–54.

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

Трапезников Ю.А., Вольхин А.М., Щелочков Г.Г.,Зейгарник В.А., Брагин В.Д., Кошкин Н.А., Туровский П.С., Геллер Е.Л., Орленко Н.Н. Основные результаты электромагнитных исследований по прогнозу землетрясений на полигонах ИВТАН // Прогноз землетрясений. 1989. № 11. С.264–274.

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.

Fitterman D.V., Madden T.R. Resistivity observations during creep events at Melendy Ranch, California // J. Geophys. Res. 1977. V. 82, N 33. P.5401–5408.

Fuye Q., Yulin Z., Tongchun X. An analysis of the seasonal variation of disturbance in georesistivity // Acta seismologica Sinica. 1988. V. 1, N 3. P.69–83.

Honkura Y. Pertrubation of the electric current by a resistivity anomaly and its application to earthquake prediction // J. Geomag. and Geoelectr. 1976. V. 28, N 1. P.47–57.

Loke M.H., Dahlin T., Rucker D.F. Smoothness-constrained time-lapse inversion of data from 3D resistivity surveys. Near Surface Geophysics. 2014. N 12. P.4–24.

Milne J. Earthquakes in connection with electric and magnetic phenomena // Trans. Seismol. Soc. Japan. 1980. V. XV. P.135–162.

Morrison H.F., Corwin R.F., Chung M. High-accuracy determination of temporal variations in crustal resistivity in earth's crust. Amer.Geophys.Union Monograph. 1977. V. 20. P.67–83.

Morrison H.F., Fernandez R., Corwin R.F. Earth resistivity, self-potential variations and earthquakes: a negative result for M-4.0 // J. Geophys. Res. Lett. 1979. V. 6, N 3. P.139–142.

Morrison H.F., Fernandez R. Temporal variations in the electrical resistivity of the Earth's crust // J. Geophys. Res. 1986. V. 91, N B11. P.618–628.

Qian J. Regional study of the anomalous change in apparent resistivity before the tangshan earthquake (M=7.8, 1976) in Chaina // Pure and Appl. Geophys. 1985. V. 122. P.901–920.

Searls C., Poehls K.A., Jackson D.D., Wescott E.M. Change in crustal resistivity near Palmdale, California // Geophys. Res. Lett. 1978. V. 5, N 11. P.928–930. DOI: 10.1029/GL005i011p00928

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Kim J.H., Römer A., Baron I., Pfeiler S., Lovisolo M., Gruber S., Vecchiotti F. Geoelectrical monitoring: an innovative method to supplement landslide surveillance and early warning // Near Surface Geophysics. 2014a. N 12. P.133–150.

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Römer A., Pfeiler S., Kauer S., Keuschnig M., Ita M. Geoelectrical monitoring of frozen ground and permafrost in alpine areas: field studies and considerations towards an improved measuring technology // Near Surface Geophysics. 2014b. N 12. P.93–115.

Wilkinson P., Chambers J., Kuras O., Meldrum P., Gunn D. Long-term time-lapse geoelectrical monitoring // First Break. 2011. V. 29. P.77–84.

 

Сведения об авторах

 

ДЕЩЕРЕВСКИЙ Алексей Владимирович — кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

 

МОДИН Игорь Николаевич доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1. E-mail: imodin@yandex.ru

 

СИДОРИН Александр Яковлевич – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-42-68. E-mail: sidorin@ifz.ru

 

METADATA IN ENGLISH

 

About the journal

SEISMICHESKIE PRIBORY, ISSN: 0131-6230, eISSN: 2312-6965, DOI: 10.21455/si, http://elibrary.ru/title_about.asp?id=25597)

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

https://link.springer.com/journal/11990

 

Method of constructing geoelectric section model taking into account its seasonal variations based on data
of long-term monitoring by VES aimed at searching
for earthquake precursors

 

© 2017 A.V. Desherevskii1, I.N. Modin2, A.Ya. Sidorin1

 

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Corresponding author: A.Ya. Sidorin, e-mail: al_sidorin@hotmail.com

 

Highlights

·         The data of precision VES with spacing from 2 to 650 m are analyzed

·         Observations were carried out at the Garm polygon every day for 12 years

·         New approach to interpretation of more than 3000 repeated VES at one site is proposed

·         Geoelectric section model taking into account its seasonal variations is constructed

·         Residuals and region of model equivalence are reduced by an order of magnitude

 

Abstract. The data of high-precision measurements of apparent resistivity at a stationary multi-electrode vertical electric sounding (VES) system including 12 current  and 4 potential lines with spacing from 2 to 650 m are analyzed. Observations were carried out at the Garm polygon daily for 12 years as part of the earthquake prediction experiment. The use of special technical methods during measurements made it possible to provide an instrumental error of about 0.01 %. The actual error of each individual measurement of the apparent resistivity (taking into account all possible noise) was 0.1–0.2 %. The presence of more than 3000 VEZ curves measured in different seasons of the year allows us to propose a new approach to the construction of a geoelectric section model. To solve the inverse problem of the VES, a set of 36 ten-days averaged VES curves was analyzed, each of which was obtained by averaging approximately 100 individual VES curves obtained in the same 10-day period of the annual (seasonal) cycle in different years. A comparative analysis of these curves made it possible to calculate and include corrections for stationary geological noise in the model. As a result, it was possible to substantially reduce (by an order of magnitude) the residuals of the curves fitting and dramatically narrow the equivalence domain. Based on the results of the analysis, a model of a 4-layer horizontally layered geoelectric section of the Khazor-Chashminskaya depression is constructed, adequately describing not only the averaged section, but also its seasonal variations throughout the year. The stability of estimation of model parameters is studied. To further reduce the equivalence domain, it is suggested that the layer thicknesses be fixed. The model constructed can be used not only to study the aforementioned characteristics of the section, but also to monitor the time variations of the resistivity in its individual layers. This will significantly improve the resolving power of systems for detecting time variations in the geoelectric section, including when searching for earthquake precursors.

 

Keywords: geoelectric monitoring, VES, interpretation, geoelectrical section, seasonal variations, Garm polygon, earthquake precursors.

 

About the authors

 

DESHEREVSKII Alexey Vladimirovich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Researcher. Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, str. 1. Phone: +7(499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

 

MODIN Igor Nikolaevich – Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State University. Lomonosov Moscow State University. 119991, Moscow, Leninskie Gory, 1. E-mail: imodin@yandex.ru

 

SIDORIN Alexander Yakovlevich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of Laboratory. Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences.  123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. Phone: +7(499) 254-42-68. E-mail: sidorin@ifz.ru

 

Cite this article as: Desherevskii A.V., Modin I.N., Sidorin A.Ya. Method of constructing geoelectric section model taking into account its seasonal variations based on data of long-term monitoring by VES aimed at searching for earthquake precursors, Seismicheskie Pribory, 2017, Vol. 53, no 4, pp. 61-80. DOI: 10.21455/si2017.4-5 (in Russ.).

 

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2018, Volume 54, Issue 4.