Статистический анализ прецизионных данных наблюдений за уровнем подземных вод…

Статистический анализ прецизионных данных
наблюдений за уровнем подземных вод
в сейсмоактивном регионе
(на примере скважины ЮЗ-5, Камчатка)

1 Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук»,

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук,

Автор для переписки: Г.Н. Копылова, e-mal: gala@emsd.ru

Представлен новый метод статистического анализа уровнемерных данных, нацеленный на выделение кратковременных возмущенных состояний наблюдательной скважины, на примере данных наблюдений в скважине ЮЗ-5, Восточная Камчатка. Используемые данные примечательны своей детальностью – интервал измерений уровня и атмосферного давления составлял 5 мин, чувствительность регистрации уровня воды ±0.1 см, атмосферного давления – ±0.1 гПа, а также тем, что в течение наблюдений в 2012–2018 гг. произошли пять сильных землетрясений с Mw=6.5–8.3 на эпицентральных расстояниях de=80–700 км. Применение факторного и кластерного анализа к последовательности многомерных векторов восьми статистических свойств ряда наблюдений за уровнем воды в последовательных временных окнах длиной 1 сут, после адаптивной компенсации влияния атмосферного давления, позволило выделить четыре различных статистически значимых состояния временного ряда, между которыми происходят переключения во времени. Три из выделенных состояний временного ряда, проявляющиеся с суммарной вероятностью 0.987, рассматриваются в качестве фоновых. Геофизическая интерпретация проявлений “аномального” состояния временного ряда уровня воды, возникающего с вероятностью 0.013, проводится в сопоставлении с сильными землетрясениями, техническими условиями наблюдений и другими факторами. Показано, что применение представленного метода обработки экспериментальных данных позволяет выделять скрытые в шуме кратковременные аномалии гидрогеодинамического режима скважины, что является существенным дополнением к традиционной обработке уровнемерных данных, нацеленной в основном на выделение низкочастотного тренда в изменениях уровня воды. Представленный метод может найти применение в задачах геофизического мониторинга сейсмоактивных территорий и поиска предвестников землетрясений при оперативной обработке данных уровнемерных наблюдений в скважинах.

Ключевые слова: скважина, уровень воды, землетрясение, Камчатка, временной ряд, адаптивная фильтрация, факторный анализ, кластерный анализ

Цитируйте эту статью как: Копылова Г.Н., Любушин А.А., Болдина С.В. Статистический анализ прецизионных данных наблюдений за уровнем подземных вод в сейсмоактивном регионе (на примере скважины ЮЗ-5, Камчатка) // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55, № 1. C.5–28. https://doi.org/10.21455/si2019.1-1

Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989. 607 с.

Болдина С.В., Копылова Г.Н. Косейсмические эффекты сильных камчатских землетрясений 2013 г. в изменениях уровня воды в скважине ЮЗ-5 // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 2. Вып. 30. С.66–76.

Болдина С.В., Копылова Г.Н. Эффекты Жупановского землетрясения 30 января 2016 г., Mw=7.2, в изменениях уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1, Камчатка // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8, № 4. С.863–880. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0321

Виноградов Е.А., Горбунова Э.М., Кабыченко Н.В. и др. Мониторинг уровня подземных вод по данным прецизионных измерений // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2011. № 5. С.439–449.

Киссин И.Г. Гидрогеологический мониторинг земной коры // Физика Земли. 1993. № 8. С.58–69.

Киссин И.Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты. М.: Наука, 2009. 328 с.

Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине Елизовская-1, Камчатка, вызванные сильными землетрясениями (по данным наблюдений в 1987–1998 гг.) // Вулканология и сейсмология. 2001. № 2. С.39–52.

Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка, вызванные землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2006а. № 6. С.52–64.

Копылова Г.Н. Сейсмичность как фактор формирования режима подземных вод // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2006б. № 1. Вып. 7. С.50–66.

Копылова Г.Н. Оценка информативности уровнемерных наблюдений в скважинах для поиска гидрогеодинамических предвестников землетрясений (на примере Камчатки) // Геофизические исследования. 2009. Т. 10, № 2. С.56–68.

Копылова Г.Н., Болдина С.В. Оценка пороупругих параметров резервуара подземных вод (по данным уровнемерных наблюдений на скважине ЮЗ-5, Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2006. № 2. С.17–28.

Копылова Г.Н., Болдина С.В. О механизме гидрогеодинамического предвестника Кроноцкого землетрясения 5 декабря 1997 Г., Мw=7.8 // Тихоокеанская геология. 2012. Т. 31, № 5. С.104–114.

Копылова Г.Н., Болдина С.В., Смирнов А.А., Чубарова Е.Г. Опыт регистрации вариаций уровня и физико-химических параметров подземных вод в пьезометрических скважинах, вызванных сильными землетрясениями (на примере Камчатки) // Сейсмические приборы. 2016. Т. 52, № 4. С.43–56. https://doi.org/10.21455/si2016.4-4

Копылова Г.Н., Любушин А.А., Малугин В.А., Смирнов А.А., Таранова Л.Н. Гидродинамические наблюдения на Петропавловском полигоне, Камчатка // Вулканология и сейсмология. 2000. № 4. С.69–79.

Копылова Г.Н., Стеблов Г.М., Болдина С.В., Сдельникова И.А. О возможности оценок косейсмической деформации по данным уровнемерных наблюдений в скважине // Физика Земли. 2010. № 1. С.51–61. https://doi.org/10.1134/S1069351310010040

Любушин А.А. Анализ данных систем геофизического и экологического мониторинга. М.: Наука, 2007. 228 с.

Любушин А.А. Тренды и ритмы синхронизации мультифрактальных параметров поля низкочастотных микросейсм // Физика Земли. 2009. № 5. С. 15–28.

Любушин А.А. Статистики временных фрагментов низкочастотных микросейсм: их тренды и синхронизация // Физика Земли. 2010. № 6. С.86–96.

Любушин А.А. Прогностические свойства случайных флуктуаций геофизических характеристик // Биосфера. 2014. № 4. С.319–338.

Любушин А.А., Лежнев М.Ю. Анализ изменчивости функции отклика уровня подземных вод на баровариации на Южных Курилах (о. Шикотан) // Физика Земли. 1995. № 8. С.79–84.

Любушин А.А., Малугин В.А. Статистический анализ отклика уровня подземных вод на вариации атмосферного давления // Физика Земли. 1993. № 12. С.74–80.

Любушин А.А., Малугин В.А., Казанцева О.С. Мониторинг приливных вариаций уровня подземных вод в группе водоносных горизонтов // Физика Земли. 1997. № 4. С.52–64.

Любушин А.А., Малугин В.А., Казанцева О.С. Выделение “медленных событий” в асейсмическом регионе // Физика Земли. 1999. № 3. С.35–44.

Любушин А.А., Фарков Ю.А. Синхронные компоненты финансовых временных рядов // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9, № 4. С.639–655. https://doi.org/10.20537/2076-7633-2017-9-4-639-655

Медведев С.В., Шпонхойер В., Карник В. Шкала сейсмической интенсивности MSK-64. М.: МГК АН СССР, 1965. 11 с.

Малла С. Вейвлеты в обработке сигналов. М.: Мир, 2005. 671 c.

Сильные камчатские землетрясения 2013 года / Под ред. В.Н. Чеброва. Петропавловск-Камчатский: Холд. комп. “Новая книга”, 2014. 252 с.

Чебров В.Н., Кугаенко Ю.А., Абубакиров И.Р., Дрознина С.Я., Иванова Е.И., Матвеенко Е.А., Митюшкина С.В., Ототюк Д.А., Павлов В.М., Раевская А.А., Салтыков В.А., Сенюков С.Л., Серафимова Ю.К., Скоркина А.А., Титков Н.Н., Чебров Д.В. Жупановское землетрясение 30.01.2016 г. c Ks=15.7, Mw=7.2, I=6 (Камчатка) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 1. Вып. 29. С. 5–16.

Чебров В.Н., Салтыков В.А., Серафимова Ю.К. Прогнозирование землетрясений на Камчатке. По материалам работы Камчатского филиала Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска в 1998–2009 гг. М.: Светоч Плюс, 2011. 304 с.

Чебров Д.В., Кугаенко Ю.А., Абубакиров И.Р., Ландер А.В., Павлов В.М., Салтыков В.А., Титков Н.Н. Ближне-Алеутское землетрясение 17.07.2017 г. с Mw=7.8 на границе Командорской сейсмической бреши // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2017. № 3. Вып. 35. С.22–25.

Фирстов П.П., Копылова Г.Н., Соломатин А.В., Серафимова Ю.К. О прогнозировании сильного землетрясения в районе полуострова Камчатка // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 4. Вып. 32. С.106–114.

Anderson T.W., Rubin H. Statistical inference in factor analysis. Proc. 3rd Berkley Symp. on Math. Statistics and Probability, 1956. V.5. P.111–150.

Box G.E.P., Jenkins G.M. Time series analysis. Forecasting and control. Holden-Day. San Francisco, Cambridge, London, Amsterdam, 1970. 537 p.

Bredehoeft J.D. Response of well-aquifer systems to earth tides // J. Geophys. Res. 1967. V. 72, N 12. P.3075–3087.

Cramer H. Mathematical Methods of Statistics. Princeton University Press. 1999. 575 p.

Donoho D.L. and Johnstone I.M. Adapting to Unknown Smoothness via Wavelet Shrinkage // Journal of the American Statistical Association. 1995. V. 90, N 432. P.1200–1224.

Duda R.O., Hart P.E. Pattern classification and scene analysis. John Wiley & Sons, N.Y., London, Sydney, Toronto, 1973. 527 p.

Harman H.H. Modern factor analysis. Chicago: University of Chicago Press, 1967. 474 p.

Huber P.J., Ronchetti E.M. Robust Statistics, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc, 2009. 354 p. https://doi.org/10.1002/9780470434697.ch1

Igarashi G., Wakita H. Tidal responses and earthquake-related changes in the water level of deep wells // J. Geophys. Res. 1991. V. 96, N B3. P.4269–4278.

Kashyap R.L., Rao A.R. Dynamic stochastic models from empirical data. New York, San Francisco, London: Acad. Press, 1976. 377 p.

Lawle D.N., Maxwell A.E. Factor analysis as a statistical method. New York: American Elsevier, 1971. 117 p.

Lyubushin A. Prognostic properties of low-frequency seismic noise // Natural Science. 2012. V. 4, N 8A. P.659–666. DOI: 10.4236/ns.2012.428087

Osorio I., Lyubushin A., Sornette D. Automated seizure detection: Unrecognized challenges, unexpected insights // Epilepsy & Behavior. 2011. V. 22, N 1. P.S7–S17. DOI: 10.1016/ j.yebeh.2011.09.011

Roeloffs E.A. Hydrologic precursors to earthquakes: A review // Pure Appl. Geophys. 1988. V. 126. P.177–209.

Roeloffs E.A., Burford S.S., Riley F.S., Records A.W. Hydrologic effects on water level changes associated with episodic fault creep near Parkfield, California // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. P.12387–12402.

Rojstaczer S., Agnew D.S. The influence of formation material properties on the response of water levels in wells to Earth tides and atmospheric loading. // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. P.12403–12411.

Vogel M.A., Wong A.K.C. PFS Clustering method // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1979. V. 1. P.237–245. https://doi.org/10.1109/TPAMI.1979.4766919

Wang C.-Y., Manga M. Earthquakes and Water. Lecture Notes in Earth Sciences 114. Springer, Berlin, 2010. 249 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-00810-8

КОПЫЛОВА Галина Николаевна – доктор геолого-минералогических наук, доцент, главный научный сотрудник, заведующая лабораторией, Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН». 683006, Россия, г. Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, д. 9. Тел.: 8(4152)431849. e-mail: gala@emsd.ru

ЛЮБУШИН Алексей Александрович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН). 123242, Россия, г. Москва, ул. Б. Грузинская, д. 10, стр. 1. Teл.: 8(499)254-23-50. e-mail: lubushin@ifz.ru

БОЛДИНА Светлана Васильевна – кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН». 683006, Россия, г. Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, д. 9. Тел.: 8(4152)431835. e-mail: boldina@emsd.ru

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

Statistical analysis of precision water level data
observations in a seismically active region
(on example of the YuZ-5 well, Kamchatka)

1 Kamchatka branch of Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences, Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia

Abstract. The results of statistical analysis of the long-term time series of the water level observations in the YuZ-5 well located on the territory of the Petropavlovsk geodynamic site, Kamchatka, are presented. The used data from 27.07.2012 to 01.02.2018 are noteworthy for their detail (the interval of the level and atmospheric pressure registration was 5 minutes, the sensitivity of the water level recording ±0.1 cm, atmospheric pressure – ±0.1 hPa), and the fact that five strong earthquakes with Mw=6.5–8.3 occurred on epicentral distances de=80–700 km during the observations. A good study of the hydrodynamic regime of the observation well over a long period and the high quality of the data observations in conjunction with data on strong seismic events allow us to consider the possibility of using the formalized statistical methods of water level data processing for diagnostics of abnormal conditions of the observed object. As a result of the application of factor and cluster analysis to the sequence of multidimensional vectors of statistical properties of a time series of the water level data in successive time windows in one day after adaptive compensation of atmospheric pressure, four different statistically significant states of the time series were distinguished, between which switching occurs in the time. Geophysical interpretation of the allocated “anomalous” condition of the water level time series is carried out in comparison with the strong earthquakes, the technical actions in the observation well and seasonal features of the hydrodynamic regime of the observation well. It is shown that the presented method of water level data processing can find application in the field of geophysical monitoring and prediction of earthquakes.

Keywords: well, water level, earthquake, precursor, Kamchatka, time series, adaptive filtration, factor analysis, cluster analysis

KOPYLOVA Galina Nikolaevna – Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, docent, Chief scientist, Head of the laboratory, Kamchatka Branch of Geophysical Survey RAS (KB GS RAS), 683006, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky, 9 Piip Boulevard. Tel: 8(4152)431849. e-mail: gala@emsd.ru

LYUBUSHIN Alexey Alexandrovich – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Chief scientist, Head of the laboratory, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, 123242, Russia, Moscow, Bolshaya Gruzinskaya str., 10-1. Tel: 8(499)254-23-50. e-mail: lyubushin@yandex.ru

BOLDINA Svetlana Vasil’evna – Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Senior scientist, Kamchatka Branch of Geophysical Survey RAS (KB GS RAS), 683006, Russia, Petropavlovsk-Kamchatsky, 9 Piip Boulevard. Tel: 8(4152)431835. e-mail: boldina@emsd.ru

Cite this article as: Kopylova G.N., Lyubushin A.A., Boldina S.V. Statistical analysis of precision water level data observations in a seismically active region (on example of the YuZ-5 well, Kamchatka). Seismicheskie Pribory, 2019, Vol. 55, no. 1, pp. 5–28. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/si2019.1-1

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2020, Volume 56, Issue 1.

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. 2019. Том 55. № 1. C.5–28. https://doi.org/10.21455/si2019.1-1