ИСТИНА

Целью исследований являются: - Разработка концепции анализа «больших данных» в геофизике, основанной на применении мер синхронизации случайных флуктуаций геофизических полей. Будут расширены исследования случайных флуктуаций микросейсм в более низкочастотную область фоновых вариаций геофизических полей, таких как смещения земной поверхности по спутниковым наблюдениям, вариации уровня и химического состава подземных вод в глубоких скважинах. Эти сигналы являются важными источниками информации о подготовке геокатастроф. Кроме того, важной составляющей частью проекта будет комплексный анализ отечественных данных, полученных на ряде полигонов (Владимирском, в п. Мосрентген, на Камчатке) с целью создания научного и методического обоснования для разработки принципиально новой технологии совместного анализа большого объема многомерных сигналов от систем мониторинга при оценке сейсмической опасности и прогнозе опасных геодинамических явлений. - Будут разрабатываться новые методы совместной интерпретации наземных и спутниковых данных при изучении активных геодинамических процессов, включая землетрясения, вулканическую активность, оползни и техногенные оседания над шахтами, тоннелями и т.д. В качестве натурных данных будут использованы данные о смещениях земной поверхности, получаемые с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА интерферометрия), а также данные спутников Грейс о временных вариациях гравитационного поля. Главный методический подход здесь состоит в совместной интерпретации всех имеющихся геологических и геофизических данных на основе математических моделей изучаемых природных и техногенных процессов. Этот подход является весьма эффективным, поскольку решение обратных задач сводится к определению конечного набора параметров, описывающих физические свойства среды и исследуемого геодинамического процесса. Это позволяет решать проблемы единственности и устойчивости в обратных задачах. Во многих случаях точность решения обратной задачи определяется, в основном, степенью соответствия численной геодинамической модели реальному процессу. - Разработка принципов построения новых образцов аппаратурных средств для геофизических измерений и их экспериментальные исследования: - длиннобазисный гидростатический нивелир (ДГН) для проведения измерений на большой линейной базе, для сбора данных о глобальных характеристиках Земли (неравномерности ее вращения внутри суток; угловых горизонтальных колебаниях блоков литосферы; трансляционных движениях внутреннего ядра Земли; оценка параметров приливных движений земной коры). - одноосный цифровой сейсмоакселерометр, разработанный для измерений в широком диапазоне частот – от квазистатических до классических сейсмических, который позволит получать информацию не только о сейсмических процессах, но и о медленных процессах, связанных с изменением силы тяжести и наклонами земной коры. - горизонтальные крутильные весы для исследования сейсмического фона с целью определения направления на очаг готовящегося землетрясения за несколько суток-часов до его активизации.

The purpose of the research is: - Development of a concept for analyzing “big data” in geophysics, based on the use of measures for synchronizing random fluctuations of geophysical fields. Studies of random fluctuations of microseisms will be expanded into the lower-frequency region of background variations in geophysical fields, such as displacements of the earth's surface according to satellite observations, variations in the level and chemical composition of groundwater in deep wells. These signals are important sources of information about the preparation of geodisasters. In addition, an important component of the project will be a comprehensive analysis of domestic data obtained at a number of test sites (Vladimirsky, in the village of Mosrentgen, in Kamchatka) in order to create a scientific and methodological basis for the development of a fundamentally new technology for the joint analysis of a large volume of multidimensional signals from monitoring systems during seismic hazard assessment and forecast of dangerous geodynamic phenomena. - New methods for joint interpretation of ground-based and satellite data will be developed when studying active geodynamic processes, including earthquakes, volcanic activity, landslides and anthropogenic subsidence over mines, tunnels, etc. As field data, data on displacements of the earth's surface obtained using global navigation satellite systems (GNSS) and satellite synthetic aperture radars (SAR interferometry), as well as data from Grace satellites on temporal variations of the gravitational field will be used. The main methodological approach here is the joint interpretation of all available geological and geophysical data based on mathematical models of the natural and man-made processes being studied. This approach is very effective, since solving inverse problems is reduced to determining a finite set of parameters that describe the physical properties of the environment and the geodynamic process under study. This allows us to solve problems of uniqueness and stability in inverse problems. In many cases, the accuracy of solving the inverse problem is determined mainly by the degree of correspondence of the numerical geodynamic model to the real process. - Development of principles for constructing new types of equipment for geophysical measurements and their experimental studies: - long-baseline hydrostatic level (LDH) for carrying out measurements on a large linear base, to collect data on the global characteristics of the Earth (the unevenness of its rotation within a day; angular horizontal vibrations of lithosphere blocks; translational movements of the Earth’s inner core; assessment of the parameters of tidal movements of the earth’s crust). - a single-axis digital seismic accelerometer designed for measurements in a wide range of frequencies - from quasi-static to classical seismic, which will provide information not only about seismic processes, but also about slow processes associated with changes in gravity and tilts of the earth's crust. - horizontal torsion scales for studying the seismic background in order to determine the direction to the source of the impending earthquake several days and hours before its activation.

обработки больших данных современных систем геофизического мониторинга и идентифицированы скрытые связи между явлениями синхронизации случайных флуктуаций геофизических полей, неравномерностью вращения Земли, вариациями климата и подготовкой катастрофических явлений (сильных сейсмических событий и вулканических извержений) на глобальном и региональных уровнях (применительно к условиям России – для Камчатки). Будут разработаны и протестированы на реальных данных новые методы обработки и комплексной интерпретации спутниковых и наземных данных. Будут получены новые данные о геодинамических процессах, включая различные стадии сейсмического цикла, о подготовке вулканических извержений, а также данные мониторинга смещений земной поверхности в областях разработки месторождений и других техногенных процессов.

У научной группы имеется программный комплекс алгоритмов, разработанный руководителем проекта, для анализа многомерных временных рядов систем геофизического и экологического мониторинга. Он является эффективным инструментом обнаружения скрытых связей между геофизическими полями и процессами, в том числе различной физической природы и структуры. Важной составной частью используемых алгоритмов является предварительный анализ разномасштабных временных рядов с целью выделения безразмерных и не зависящих от конкретной физической природы измеряемого сигнала признаков поведения временного ряда в последовательных непересекающихся временных интервалах малой длины. Одной из наиболее перспективных методик в этом направление является использование фрактальных и мульти-фрактальных свойств шумовой компоненты измеряемых величин.

Предложен метод анализа длительных временных рядов наблюдений за магнитным полем Земли с шагом по времени 1 минута, основанный на разложении по ортогональным вейвлетам. Множественный коэффициент корреляции вейвлет-корреляций на основе использования канонических корреляций выделил землетрясение Мауле в Чили 2010.02.27 M=8.8 среди всех сильнейших землетрясений мира, как событие с наиболее сильной как предвестниковой синхронизацией, так и амплитудой всплеска корреляций. Разработан новый метод исследования свойств тремора земной поверхности, измеряемого средствами GPS, основанный на использовании статистик колебаний, описывающих отклонение или близость к свойствам гауссовского белого шума. На основе применения метода главных компонент к оценке плотностей вероятности распределения экстремальных свойств статистик в скользящем временном окне, введены новые понятия активного и пассивного тремора и их сингулярных точек. Представлены результаты детального анализа свойств глобального сейсмического шума. После 2011 года произошел взрывной рост максимальных расстояний, на которых возникают сильные корреляции. Оценка корреляционной функции между логарифмом выделившейся сейсмической энергии и средним откликом сейсмического шума на неравномерность вращения Земли смещена в область отрицательных временных сдвигов, что соответствует опережению максимумами когерентности максимумов выбросов сейсмической энергии. Для оценки прогностических свойств сейсмического шума на Японских островах использовался новый метод расчета гистограмм распределения числа опорных точек, в котором минимум DJ-индекса шума был реализован в скользящем временном окне. Использование модели интенсивности двух взаимодействующих процессов - последовательности землетрясений магнитудой не менее 6 и временных точек наибольших локальных максимумов отклика шума на LOD при оценке в скользящем окне продолжительностью независимо подтверждает гипотезу о том, что Японские острова входят в опасный временной интервал в 2022-2023 годах. Представленная методика обработки непрерывных записей сейсмического шума на сети широкополосных станций в районе полуострова Камчатка в 2011–2022 гг., позволяет диагностировать эффекты увеличения когерентности в изменениях свойств шума по отдельным кластерам сейсмических станций и по всей сети, а также прослеживать пространственно-временную миграцию областей сейсмической опасности на основе проявления экстремальных значений параметров шума. В результате проведенного совместного анализа синхронных записей крутильных маятников, расположенных на базе около 3000 км, удалось количественно подтвердить прогностический эффект одновременного возбуждения движений маятников, предваряющих сильные землетрясения и получить оценку времени запаздывания между всплеском когерентности и сильным выбросом сейсмической энергии. Разработан новый тип гравиметра, включающего датчик, в корпусе которого размещены упругий элемент и пробная масса, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов, отличающийся тем, что он снабжен электродами, установленными на внутренних поверхностях корпуса с зазором относительно верхней и нижней частей пробной массы, приспособлением для подбрасывания корпуса датчика пробной массы. Создано устройство, позволяющее эффективно решать задачи, связанные с определением состояния трубопроводов различного назначения. Кроме того, данное устройство может быть применено для мониторинга состояния металлоконструкций и обеспечения безопасности при критических нагрузках, вызывающих деформации. По разделу 1 в 2023 году опубликовано 7 статей, индексированных в библиографических базах WoS, Scopus и РИНЦ, сделано 3 доклада на конференциях с международным участием и подготовлен 1 патент. Все предусмотренные планом работ на 2023 год по разделу 2 «Изучение геодинамических процессов в поверхностной оболочке Земли путем интерпретации наземных и спутниковых данных и численного моделирования» полностью выполнены. Основные результаты: 2.1 С использованием геодинамических моделей подземного хранилища газа и мульды сдвижения, формирующейся над горной выработкой, оценена точность определения величины и положения областей оседаний, определенных по спутниковым радарным снимкам с одной и двух орбит. Показано, что при использовании снимков с двух орбит точность определения величины оседаний не превосходит первых сантиметров, а продольная и поперечные оси мульды не смещаются. 2.2 Для мониторинга оседаний земной поверхности над горными выработками в г. Березники и Соликамск (Пермский край) разработана технология обработки спутниковых радарных снимков и определения полей смещений земной поверхности эффективная в условиях обширных низкокогерентных областей. С применением разработанной технологий выполнены оценки смещений и анализ динамики их развития за бесснежный период 2020-2022 г. 2.3 По спутниковым радарным снимкам методами DInSAR и офсетов рассчитаны поля смещений земной поверхности в результате землетрясения в Турции, произошедшего 6.02.2023 г., а также постсейсмические смещения. Построена модель поверхности разрыва и оценены величины смещений на различных ее участках. Впервые показано, что на севере разрыв землетрясения 2023 г. перекрывается с областью разрыва землетрясения, произошедшего в 2020 г., что указывает на отсутствие запертого участка между очаговыми областями этих землетрясений. 2.4 С использованием уточненных рядов гравитационных моделей ГРЕЙС выполнена переинтерпретация данных в районе землетрясений в бассейне Вартон (Кокосовая котловина) 11.04.2012, а также исследованы постсейсмические процессы вязкоупругой релаксации и уточнена оценка вязкости астеносферы. 2.5 Подготовлена обновленная карта оползневой активности для Центрального и Адлерского районов Большого Сочи, построенная по снимкам с восходящей и нисходящей орбит. Результаты представлены в виде слоев средних значений скоростей смещений в направлении визирования спутника Vlos на карте, построенной c использованием ознакомительной версии ПО NextGIS QGIS. 2.6. Дальнейшее развитие получили методы F-аппроксимации: разработаны алгоритмы и программы двухэтапного способа вычисления высших производных поля силы тяжести на основе глобальной F-аппроксимации и локальной аппроксимации; алгоритмы и программы совместного анализа гравиметрических и морфометрических данных с использованием аппроксимации в пределах скользящего окна заданной формы и размера; апробированы программы на модельных и реальных геолого-гравиметрических данных показало эффективность предлагаемого метода; выделены перспективные площади, на которых рекомендованы детальные геолого-геофизические исследования.