Разработка математических методов выделения и анализа низкочастотных естественных электромагнитных полей внутреннего происхождения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.22 ВАК РФ

Академии наук СССР Ордена Ленина ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗКМЛИ км. О.Ю.ШИИЛТА

На правах рукописи

ПКИИНОВ ЛПККСЛНПР ИГОРКП5М

РАЗРАБОТКА КЛТЯКЛТИЧКСКИХ ККТОДОО ПЬЩИ/ШТиН И АНАЛИЗА НИЗКОЧАСТОТНЫХ ВСТЕ-СТБКШ1НХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ гопяя ВНУ7РКННКГ0 ПГОИСХОШШИЯ

Специальность 01.04.22 - геофизика

АятороОорат

якссертацик на соискание ученой степени кандидата опзияо-кптекптических наук

носкрл 10!) 1

Работа выполнена в ©илиале института физики Земли (ИФЗ) им. О.Ю.Шмидта АН СССР в городе Троицке.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ь. О. Спетов.

Официальные оппонента:

доктор технических наук В.А.ЗеСгаркик.

кандидат ©изико-матаматических наук И. М. Варенцов.

Ведущее предприятие: Московский госудэр; »генный университет им. М. С. Ломоносова.

Защита состоится 25 декабря 1991 года в 14 часов на эаседаниии специализированного совета по геофизике и геотектонике К.0С2.08.02 при ИФЗ АН СССР

Отзыв на автореферат в двух заверь:.нкх -.экземплярах просьба направлять по адресу: 123610 ГСП, Москгзч, Д-242 , Б. Груз::искав. 10, учеком> секретарю.

С диссертацией моино ознакомиться г, библиотеке института о 10 до 17 часов.

Автореферат разослан 20 ноябри 1991 года.

Ученый секретарь социализированного совета доктор Физико-математических наук В. й. Дубровский

'.'ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ'«

Актуальность проблемы. Ни один из известных предвестников землетрясений в отдельности не позволяет решить задачу прогноза землетрясений з целом» я только использование рационально выбранной их совокупности з анализе предстоящего события многократно увеличивает вероятность правильного прогноза. Для практической реализации такой возможности з сейсмоопасных районах необходимо организовать непрерывное слежение (мониторинг) за изменением представляющих прогностический интерес параметров. Такой мониторинг включает з себя регистрацию, сбор» обработку з реальном времени и комплексный анализ совокупности геофизических и иных прогностических параметров.

К настоящему времени физические основы геофизического мониторинга сейсмотектонических процессов представляются на принципиальном уровне достаточно ясными. Однако с той же степенью определенности молю утверкдать, что отвечающий современным представлениям такой мониторинг ни у нас, ни за рубежом до сих пор не реализован. Как правило,в сейсмоопасных районах ограничиваются сейсмологическими наблюдениями» которые иногда в отдельных точках дополняются наблюдениями квазипостоянных электромагнитных полей» гидрологических в геохимических параметров. Низкая достоверность используемых прогностических признаков не позволяет удовлетворительно прогнозировать время, силу и место предполагаемого землетрясения» поэтому, несмотря на огромный объем проведенных во всем мире прогностических исследований, задача прогноза по-прежнему далека от завершения, а эффективность прогностических наблюдений очень низка. Особенно это касается краткосрочного прогноза, где необходим регулярный, проводимый в речльиом вре'мпп, комплексный анализ данных мошпсрнпг-г.

ч

Вагшая составляющая часть комплексного мониторинга - пассивный электромагнитный мэкиторчнг, основанный на выделении в реальном масштабе времени электромагнитных полей, генерация которых связана с различными, в том числе и сейсмотектоническими, процессами, протекающими внутри Земли. Поля, генерируемые такими процессами, з работе называются полями "внутреннего" происхождения, в противоположность "внешним" полям, которые зозбув-даются токами в ионосфере. К настоящему времени накоплен обширный оксперементальннй материал, свидетельствующий о зысокой прогностической эффективности электромагнитных предвестников. Поэтому создание отвечающего современным представлениям пассивного электромагнитного мониторинга, являющегося основой для выявления таких предвестников, стало насущной необходимость». Организационно пассивный электрокапштнц;; ыоннторивг сейсмотектонических процессов строится как двухуровневая сеть сбора и обработки информации. Здесь и в дальнейшем термин •,ce:V" (в отличие от более общего термина •'с."сте.ма") используется ¿яя подчеркивания вахиостк роли передачи данных кэдду читчиками г компьютера?«. (а не для обозначения простравствешю!; cctj-, :¡edííj,;;.iüüi.

Диссертация посзяпенг разработке математических методов выделения а анализа лазкочастотниг. электромагнитных полей внутреннего происхождения Т=0,03 с - 200 час. а разработке математического и программного обеспечения sacoiisnoro электромагнитного мониторинга, ссЛсхогектохшческих лрсцессол. Без pese:.»!« стих задач невозможно построить эффективную сеть мониторинга, :: это определяет актуальность работы.

Нель работ;.; состоит в обосновании п разработке математических методов обработки дачных пассивного электромагнитного мониторинга сейсмотектонических процессов и егс программного обеспечения, опробовании всей технологии на натурных данных.

По сравнению с ныне применяемыми вариантами электромагнитного мониторинга предлагается существенно повысить его информативность на основе:

1) извлечения полезной информации из естественных электромагнитных полей е широком диапазоне низких частот (0,03 с - 200 часов).

2) подавления электромагнитных полей внешнего происхождения, которые могут в несколько раз превышать полезный сигнал, связанный с сейсмотектоническими процессами.

Задача подавления полей внешнего происхождения решается на основе использования линейных связей между компонентами магнч-тотеллурического поля. Особенность решаемой в диссертации задачи -получение ее решения во временной области. Задача решается в два этапа: на первом этапе, выбирается достаточно спокойный в сейсмотектоническом отношении и достаточно активный в смысле интенсивности электромагнитного поля отрезок записей ЭМ вариаций, который используется для расчета передаточной функции среды зо временной области с помощью метода интегральных уравнений. Второй этап - из наблюденной компоненты электромагнитного поля вычитается синтезированная, рассчитанная по другим компонентам поля на основе найденных передаточных функций. Поэтому задача подавления полей внешнего происхождения связана с разработкой методологии определения передаточных функций во временной области и расчета с их помощью синтезированных компонент также во вр зменной области.

Доугая задача - разработка технологии обработки данных в широкой полосе частот, преобразования и сжатия полезной информации. Она связана с необходимостью хранения и обработки больших объемов информации. На исследовательском этапе алгоритмы обработки должны быстро перестраиваться и дополняться. Таким образом необходимо создать гибкуо научно-исследовательскую базу данных со

всеми основными элементами системы обработки.

Научная новизна:

1. Разработана и реализована на практическом материале система ослабления вариаций естественного электромагнитного полк Земли внешнего происхождения в широком спектре частот во временной области. Установлена долговременная стабильность передаточных ЫТ-функций, позволяющая производить ослабление внешних полей в течении длительного периода времени, удовлетворявшего требованиям краткосрочного прогноза. Показано существенное повышение эффективности исключения внешних полей при обработке МТ-данных за счет использования передаточных функций конечной длительности по сравнению с обычно применяемым способом определения разности модулей или отдельных компонент магнитно*-.- поля в двух точках.

2. Разработана и опробована на модельных и экспериментальных данных новая кодификация метода интегральных уравнений, основанная нэ аппроксимации передаточных функций в узлах псевдологарнфмичес-кой сетки на временной оси и привлечении робастиых методов решения СЛАУ. Показано значительное повышение 3;тойчивостл рес.угьтатов при применении дифференциального фильтра дьл ;редварительной обработки МТ-данных. Показано, что величина максимального периода Т , на

тах

котором может быть определен импеданс по низкочастотным вариациям ЫТ-поля, может достигать 0.8*Т - длины реализации. Разработан простой и эффективный способ моделирования вариаций МТ-полей.

Практическая значимость:

1. Модифицирован и доведен до стадии практического использования метод интегральных уравнений для расчета кривых МТЗ в частотной области и устранения МТ-полей из наблюдаемых данных во временной области. Создана программа определения импедансных переходных характеристик передаточной функции.

2. Разработаны эффективные методы контроля достоверности определяемых передаточных МТ-функций и оценки их погрешностей, основанные на многократном возмущении данных "логарифмическим" шумом и экспертных оценках всего результата.

3. Создано математическое и программное обеспечение для пассивного электромагнитного мониторинга сейсмотектонических процессов, обеспечивающее ослабление в наблюденных данных UT-полей з широкой полосе частот» преобразование я снатяе информации.

4. Разработан мощный и гибкий инструмент исследований - база электромагнитных данных, позволяющая эффективно управлять даннкгш, содержащая значительные графические возможности н обеспечивания удсбноа осуи.еотале:ше ряда операций с даннъйги, например» их хоррзкцию, сггатле» интерполяция, разрешение, поворот на ке:со-торь;Й угол, йияьтргцив к выполнение арифметических операций а рядами данных. Все перечисленные выше программы увязаны с базо!» данных единую систему, ггаеэг удобный интерфейс с ней.

Апробация заботы. Осзовянг результата диссертация дохла-дквалпся ча Зсесог.?яых я жзядукасодкых семинарах :е зколах:

-Ninth Workshop on electronagnetic induction in the Earth and ¡Soon, Dagosnys, USSR, october 1388 - B.R. Autens'nlus, A. I. Denidov, 3,S.Svetov, A.S.Sherbakova, H.I.Shiaelevich. "MT-field variation modelling and afficiesicy of processing programs";

-Всесоюзная конференция no электромагнитный предвестникам землетрясений. Махачкала, СССР» октябрь 1£Г39 - В. В. Агеез, С. Г. Аслибекян, В. М. Бурдельиый, А. И. Демидов, я. С. Светоз. "Выделение естественные электромагнитных полей внутреннего происхождения с целью мониторинга сейсмотектонических процессов";

-Tenth Workshop on electronagnetic induction in the Earth, and Moon, Ensenada, Mexico,, august 1390 - V.V.Ageev» S.G.Aslibekian, V.M. Burdelny, A.I. Denidov, B.S. Svetov. "Reduction of riagneto-

е

telluric noises in observed data";

-Всесоюзная летняя школа-семинар по проблемам прогноза землетрясений. Петропавловск-Камчатский, СССР, 28 июля - 9 июля 1991 - В. В. Агеев, Б. С. Светов. А. К. Демидов, "Методика выделения естественных электромагнитных полей внутреннего происхождения, связанных с сейсмотектоническими процессами";

а так-же на научных семинарах Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (1989 г., 1990 г. ) и Института Физики Земли АН СССР (1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения, содержит 100 страниц машинописного текста, 40 рисунков и список литературы, включающий 66 наименований.

Исследования по теме диссертации выполнены в отделе глубинных электромагнитных исследований ИЗМИРАН (ныне Троицкое отделение ИФЗ АН СССР) под руководством профессора Б. С.Светова, которому автор выражает свои искреннюю благодарность за помощь в постановке задачи, за постоянное заинтересованное обсуждение всех этапов и результатов работы. А£<тор признателен к. ф. -м. н. М. И. Шимелевичу за внимание и ценные обсуждения и рекомендации, особенно на первом этапе работы. Автор также благодарит от всей души сотрудников отдела В.В.Агеева, А. С. Щербакову, В. А. Бурдельного, С. Е. Баландину за практическую помощь и моральную поддержку при выполнении работ. Особую признательность автор приносит С.Д. Каринскому за пристальное внимание к работе и обсуждение ее'аспектов в процессе исследования. Автор испытывает также особую признательность профессору ij. Н. Бедичевсхоыу за обсуждение принципиальных подходов. и доброжелательную критику, а также профессора Э. Б.Файнберга за ценные замечания.

С о ? 3 А 1 I; л Р Л ЙОТЫ Во введения ;;злаг,1егсп работе, ее гступльность. краткий

обзор содержания глаз диссертации. Эти ^ лросы были кратко излояены в начале автореферата.

Дерзая глаза посвящена определение передаточных функций зо зременной области.

Как известно, хоглюиенты магнитотеллуричесхого поля связаны меаду собой сооткоиекияж:

[ г (и) •!! (ы) + г (о) «Н (ы) = Е (и)

XX х ху у X

I 2 (и) «Н (ы) + 2 (и) (ы) = Е (и)

ух х уу у у

(1!

где 2 1и),2 (ы),2 (и) и 2 (ы) элементы тензора иппеданса на

XX ху ух уу

данной частоте и. Соотношение {1) можно записать и зо временной области:

2 (т)Ь (Ь~т)с5т:_ 2 (т)Ь Ц-т)йт= а Ш

хх х _А ху У X

<2>

I Гг (т)Ь и-т)<1т+ ¡2 (т)Ь а-тМт = е (II, [-4 У* х -4 УУ У У

здесь И ,Ь ,е , и е -измененные компоненты поля, а г (Ь), 2 Ш

х у х У хх ху

и г Ш- элементы тензора импульсные переходных характеристик Зег^ли, г(1) и 2 (и) связаны между собой преобразованием Фурье. В качестве ядер интеграла и правой части в (2) могут стоять любые компоненты магнитотеллурического поля, в том числе, и измеренные в разных точках, а 2^(1) монет быть элементом тензора импеданса, теллурического и р^агнитного тензоров, векторов Визе - во временной области и т.д.

Расчет импульсных переходных характеристик среды с помощьп известных компонент МТ-поля непосредственно со временной области

на основе соотношений (2) ,а также использование найденных таким, образом импульсных переходных характеристик для расчета час-

тотных характеристик и) и составляет задачу определения передаточных функций среды во временной области.

Над этой проблемой работали Эрнст, Виладек (1977,81,88), Макмекан, Бародейл (1985). Однако они рассматривали передаточные функции во временной области лишь как промежуточный результат для перехода в частотную область. Устойчивые решения были получены ими для переходных функций, аппроксимированных на сравнительно коротких носителях, вследствие чего такие функции имели низкую разрешающую способность. Какие-либо сведения об исследовании достоверности полученных результатов в этих работах отсутствовали. В нашей стране исследованиями в обсуждаемой области занимаются Б. С. Светов и М. И. Шимелевич, и данная работа представляет развитие их представлений.

Предложенный ими метод интегральна; уравнений сьодится х последовательности следующих основных шагсь:

1. Фильтрация правой части уравнения поля е(1) низкочастотным фильтром { Ш-Г(и);

2. Решение уразиеикя:

о

(в общем случае в векторном варианте с регуляризацией);

3. Преобразование Оурье найденной передаточной функции

g(t) G(w) ;

4. Определение Z(u) - G(w)/F(w).

При практическом решении поставленной задачи важнейшим моментом оказался способ аппроксимации функции g(t). При обычной аппроксимации в узлах равномерной сетки оси t наблюдалась неустойчивость решения в виде резкой изрезанности - "пилы" g(t), особенно на больших временах. Уменьшение количества неизвестных

т

(3)

(узлов сетки) приводит к уменьшению длины рвения и не улучшает ситуации, так как подбор g(t) в этом случае осуществляется на меньшем носителе, ей не свойственном.

Эффективным способом решения данной проблемы является аппроксимация g(t) на логарифмической шкале по оси t. Это вполне логично: g(t), быстро изменяясь в начале оси времени, с увеличением t становится все более гладкой. Повышение устойчивости решения при таком подходе объясняется тем обстоятельством, что при этом фактически Доводится дополнительная регуляризация с внесением в решение априорной-информации о поведении g(t). Такая аппроксимация искомых функций является одной из основных особенностей нового алгоритма и программы ORANGE, реализующих МИУР. Применение подобной аппроксимации обеспечивает к тому же существенную экономию машинного времени.

Еще одним существенным вопросом в МИУР, не решенным до последнего времени, оставалась оценка достоверности (устойчивости) полученных результатов. Для оценки достоверности в нашем случае был предложен метод, который сводится к многократному возмущению синтезированной правой части (поля eQ(t) шумом 5t необходимой мощности) и построению в качестве оценки достоверности огибающих семейств этих решений, которые образуют интервал устойчивого определения Z(w). В качестве шума используется функция с дискретным спектром: H

5L(U= £sin (utk+9k). , (4)

где tc^r член геометрической прогрессии из H элементов от оп)п до Umax' 3 ^k случайная величина, равномерно распределенная в интервале ( —тт, п). Случайная функция 5L<t) имеет спектр мощности, изменяющийся обратно пропорционально частэте, то-есть плотность ее энергии одинакова на участках с одинаковым относительным

приращением частоты:

2 Ь>

8А и) 6ы=сопз1, если-!5-^сопбЬ (5)

ык "к

Кроме того, был предложен и опробован метод оценивания всего результата обработки МТ-поля, основанный на экспертной оценке результата по бальной системе. В эту оценку входят нормированные от нуля до единицы параметры, которые характеризуют:

1) невязку решения в Ц и И*;

2) размер доверительных интервалов для модуля н фазы;

3) степень монотонности модуля главных компонент импеданса;

4) гладкость фазы г(и).

Б модифицированный метод интегральных уравнений также введены робастные итерационные прогедури, которые если зто необходимо, исключают из рассмотрения участки поля чрезмерно искаженные помехой. В §1.3 приведены обширные данные по настройке алгоритма и выбору оптимальных параметров алгоритма.

Для проверки работоспособности нового алгоритма были

подготовлены тесты (§1.4), моделирушда вариации ЦТ-поля для

псевдодвумерной сведи с тензором импеданса: | 0 ' 2 ¿о) |

21 и) = | (6)

1-2 ¡(и) 0 ¡'

В качестве 2а(и) и о) использовались импедансь;, в общем случае различающихся, горизонтально-однородных сред с двумя Б-плоскостями, что эквивалентно 5-ти слойному разрезу. Параметры выбраны таким образом, чтобы в интересующей' нас низкочастотной области кривые кажущегося сопротивления Ра'Т) и РЬ'Т) имели различные низкочастотные асимптотики.

Полученные компоненты векторов модельного электромагнитного поля н ех и еу поворачивал!!сь в горизонтальной плоскости на

Ii

45° и затем зашумлялись помехами с энергией 12% в h и 4% в е. Добавлялся и небольшой линейный тренд.

Отметим, что модельные вариации получены по аналитическим формулам, с машинной точностью и по спектральному составу и внешнему виду близки к реальному МТ-полю. Эти модельные данные были обработаны программой ORANGE и для контроля результата программой - Варенцова И. Н. - Соколовой Е. В., реализующей метод обобщенного гармонического анализа (МОГА). Сравнение результатов обработки тестовых вариаций показывает, что ШУР дает достоверные оценки импеданса в диапазоне периодов от 5Ät до SOOAt по реализации длительностью 1024At.

Для метода интегральных уравнений, в отличие от методов, работающих з частотной области, решающее значение имеет борьба с низкочастотной помехой в данных и определение начальных уровней компонент. Среди способов борьбы с низкочастотной помехой обычнч следующие приемы:

1. Высокочастотная фильтрация МТ-варнации. Аккуратная высокочастотная фильтрация МТ-поля требует фильтр f(t) большой длины.

2. Вычитание тренда из наблюденных данных. В случаях, когда види!лы!1 "тренд" является реальной характеристикой наблюдаемого поля, применение такого способа . приводит к ксгсазению тензора импеданса Z(ü), так как ж правой н левой частям уравнения (1) применяются различные операторы. В этом смысле - это не строгая операция.

3. Вычисление производных (первых разностей) полей h и е. Этот подход сводится к высокочастотной фильтрации фильтром который имеет минимальную длину во временной области - 2 дискрета. Его недостаток - резкое увеличение высокочастотных составляющих помехи, что, по-видимому, и останавливало исследователей. Однако применительно к МТ-полю этот недостаток становится достоинством.

Фильтр обелнвает компоненты МТ-поля, спектр которых падает с увеличением частоты.

Для иллюстрации и сравнения эффективности указанных трех подходов при удалении низкочастотной помехи приведен пример обработки данных ЭМСЛАБ (США, Калифорния, 1985). Наиболее устойчивые результаты получены в случае препроцессинга с дифференцированием Ь и е. Как уае отмечалось, МИУР крайне чувствителен к низкочастотным искажениям данных, и это сдергивало его развитие и применение. Однако, с введением логарифмической шкалы для аппроксимации передаточной функции и дифференциального фильтра метод стал давать устойчивые результаты в широком диапазоне частот при относительно коротких реализациях. Указанный фильтр не только удаляет тренд, не искажая связей меаду компонентами, и обеливает компоненты ИТ-поля, но и удаляет "ступени" в записях.

Полный алгоритм МИУР, расширенный за счет:

1) удаления данных с поуощьп дифференциального фильтра постоянной составляхлцей и тренда;

2) решения векторного интегрального уравнения свертки ' с применением робастной процедуры с аппроксимацией на логарифмической шкале по оси времени;

3) расчета интервала достоверности катодом возмущения исходных данных;

4) экспертной баллышй оцензн результата обработки;

и реализованный в програида ОПАНСЕ, был такие опробован на экспериментальных данных, полученных в Болгарии в 1934 г. Данные Представляют собой девять реалкзацпй объемом по 1440 дискретов • каждая, шаг дискретизации 60 секунд. Результаты расчета шдпедансов по осей девяти реализациям для диапазона периодов от 5Д1 до 800Д1 представлены в §1.5. Не все результаты одинакового качества.

Результаты по некоторым реализациям были отбракованы программой в соответствии с экспертной оценкой качества. Приведено семейство кривых, полученное после отбраковки в соответствии с баллом качества, результат свидетельствует об эффективности работы блоха оценки качества и программы ORANGE в целом.

Проведено сравнение результатов обработки по трем независимым методам: Ш1УР, метод обобщенной математической фильтрации (ШМФ), метод обобщенного гармонического анализа (МОГА). Сравнение кривых показывает, что результаты полученные тремя независимыми методами совпадают с 10% точностью в широком диапазоне частот и что Т

ЕЭ&Х

увеличивается от метода обобщенного гармонического анализа к методу интегральных уравнений.

Итак, исследованный метод в низкочастотной области дает устойчивые и достоверные результаты в интервале от Tnjn=5-8At до Тиах=0.8.Тг, где Тг - длина реализации), что объясняется, в перзуо очередь, тем, что наиболее сложная задача вычисления спектров полей h и е исхлпчается из алгоритма обработки данных, а передаточная функция - импеданс - находится сразу во временной области из интегрального уравнения (3). Быстрый спад импеданса so времени обеспечивает его хорошуа аппроксимации на коротком финитном носителе, а использование априорной информации увеличивает отношение сигнал/шум . и позволяет находить его частотную характеристику з более низкочастотной области.

Вторая глаза посэккэна расчету синтезированных компонент а' подазяешш внешнего ШТ) поля, а такаэ вопросам,связанным с базой данных.

Как уяэ отмечалось, во временной области вариации компонент связаны меяду собой сзерточдаи соотношением (2). Не нарушая общности, дальнейшее обсуадеяив будем проводить ' иа примерз

компоненты е (t):

К

е tt)=h ( t ) *z (t)+h lt)»z (t) . (7)

x x xx y yx

На основе соотношения (7) и полученных в первой части работы передаточных функций во временной области, можно получить величину Ле х{t)„ значительно очищенную от влияния МТ-поля, и имеющую» в основном внутреннее происхоядение:

£е (t)=e (t)-h (U»z (t)-h <t)*z (t) , lfn

X X X XX y yx loi

Это остаточное поле в несколько раз меньше полного внешнего поля и представляет собой тот новый шумовой фон, более низкий уровень которого позволяет рассчитывать на более успешное выделение полей сейсмотектонического происхождения.

Как уже отмечалось,особенностью поставленной задачи является огромный объем поступающего материала. Необходимость уметь упорядочивать и управлять такими потоках» информации и иметь гибкую, особенно на исследовательском этапе, систему обработки данных. С этой цель» была поставлена задача построения специальной базы данных. Такая база MTVS-BASE била построена и отвечала следующим требованиям:

1. Эффективный формат храпения данных с точки зрения экономии памяти и скорости доступа к ним;

2. Обеспечение средств управления и каталогизации данных;

3. Возможность связи прикладных программ с БД;

4. Обеспечение различных средств визуаикзаци.

Важным требованием к БД была и простота общения - удобный интерфейс человек - машина, способный экономить время пользователя. Целесообразно также было ввести в систему и некоторые элементарные операции над данными, обеспечивающими их препроцессинг, например, фильтрацию, коррекцию (удаление ступеней и выбросов), "сшивание" /шух реализаций и т.п.

Кроме того, для системы MTVS-BASE был написан ряд утилит -самостоятельных программ, поддергивающих формат HTVS-BASE и выполняющих специальные функции. Среди них, помимо описанной з первой главе программы ORANGE, имеются: расчет различных фильтров, синтез поля на основе рассчитанных переходных характеристик среды, моделирование МТ-полей, быстрый поиск бракованных участков записей и т- д. HTVS-BASE - это открытая систе5.?а: лобсй ее пользователь мояет расширить ее возможности. Она представляет общкЭ методологический интерес с точки зрения принципов построения больших баз электромагнитных данных зссбп;э, любых заранее ле ограниченных реализаций измерений в :гакн::-г::бо экспериментах. С ее помощью выполнены sce расчеты и гргйяхи для диссертационной работы. Спецпфаха обработки больпшх г'гсс::всз данных я зопросн построения озга данных' Г-ITVS—3ASE, с-э структура, организация данных, сиитахспс рассмотрены в _ §2.3.

Особенностью спнс!зае::ой петодихи обработан :: анализа данпьн режимных наблюдений е ппгрохо.ч спзхтрз частот является предварительное разделение (полсссзой с^льтрацгггЛ; да y.imz ::а четыре поддиапазона: С. 03-3 с, 2-200 с, 2-2СЗ гс::ггут » 2-2С0 тасоз. Дан:;'.'в по каждому поддиапазону рассматривается :ccr. самостоятельнее временные ряды, содерзацкв потеацказь^о незавксхмуэ прогностическую информацию.

В теории НТЗ хороао известно, что суточные варягц-ея свои источники s ргапштосйере. ЛипеР.иъ:о сзязи :.сэ2ду жорятозеитггя поля для них необходимо определять отдельно, Псэтоглу ргзугао эта вариации выделять из исходных данных п гкалсгярэвзть их а очищенное от них поле независимо. Зто ккезт особенное значение дгя последнего четвертого частотного поддг:апазока. я отчастл я д.тя третьего. Кроме того, для удобства анализа результатов н дзл сжатия материалов, проводится расчет огкбая^ля лзтексивзсгтз!

йь

комЬонент поля в соответствующих частотных диапазонах. Таким образом, технология выделения электромагнитных полей внутреннего происхождения на низких частотах включает в себя следующие основные моменты §2.5:

1. Препроцессинг данных, устранение "вьскоков", "ступеней";

2 Разбиение данных на четыре независимых диапазона периодов -фильтрации полосовыми фильтрами, и выделение из низкочастотного диапазона солнечно-суточных вариаций - узкополосную фильтрацию;

3. Определение передаточных функций - метод интегральных уравнений;

4. Синтез компонент поля на основе найденных передаточных функций и вычитание их из наблюденного поля;

5. Нахождение огибающих остаточного поля и переход к другим более низкочастотными стандартным интервалам для удобства анализа;

Кроме того, с целью диагностики выделенных аномалий в АеИ) приведен статистический подход, основанный на вычислении корреляционных функций медду Ае, е-наблюденным и ез-синтези-рованным:

Для опробования описанного алгоритма на реальных полевых материалах были взяты записи магннтотеллурического поля, полученные в ходе эксперимента ЭЫСЛАБ в 1985 г в Калифорнии (США) (компоненты Ь ,е ,е с дискретизаций 16 сек). Эти данные были

х у х у

подвергнуты, по возможности, полному циклу обработки, несколько видоизмененному с учетом конкретной дискретизации. В §2.5 приведена реализация непосредственно наблюденхого поля за 2.5 месяца. Обращает на себя внимание интенсивная аномалия по электрическим компонентам н хорошо выраденные суточные вариации, особенно в магнитном поле. Далее приведено остаточное поле найденное с покощью операции (8) для фрагмента отфильтрованных данных дтатель.но.5,тьо 9;часов в полосе, .д^^йов^/р.Т; 32 .сек до 3200

сек (1 окно). Средкехвадратмчесхое (эффективное) значение интенсивности остаточного электрического поля уменьшалось по сравнению с непосредственно наблюденным (в этой полосе) примерно а 18 раз. Заметных аномальных отклонений нет. Это свидетельствует о высоком качестве измерений и о близости наблюдаемого поля к модели плоской волны.

Графики интенсивности наблюденного - ех(и , синтезированного - е (I), и остаточного - йе И) полей з этом частотном окне.

5 X

полученные в ходе измерений и обработки данных эксперимента "'¿СЛАБ з течение 79 дней приведены на следующем ресунке в §2.5. Новая дискретизация данных проведена через 1 час. График е^И) отравает достаточно длительные изменения интенсивности наблюденного электрического поля в полосе периодов от 32 до 3200 с. На нем отчетливо видно несколько зол резкого возрастания интенсивности поля. На графике Ле^Ш большинство из этик зо:-: исчезают, это свидетельствует о том, что они соответствуют областям резкого увеличения интенсивности уггпптотзпг.ургл'сслог'с <внешнего) поля с неизменными линейными связями меяду его компонентами Ослабление интенсивности электрического поля з величине Да СI! по зсзэт

х

интервалу наблюдений з данном случае равно примерно десяти.

Второй частотный диапазон, который выделялся по данным ЭКСЛАБ, ограничен периодами Т = _ 480 сэк - 4800 сек при дискретизации 240 сек. 3 него уяе попадают гармоники суточных вариаций. Поэтому прежде чем анализировать данные з этом частотном диапазоне, необходимо было сначала выделить з данных суточные гармоники, а затем провести их исключение. Результаты з основных чертах аналогичны результатам з первом окне. Однако в этой полосе после подавления внешнего поля, интенсивность остаточного иола падает по безаномальному фрагменту записи всего в 5 раз, а по общей длине реализации - в 3 раза. Это объективно подтверядает

уменьшение вклада кыдукционксго (внешнего) полк е наблюдаемое электрическое поде с понижением частота. Ещэ хуже обстоит дело в самок низкочастотном диапазоне от 3 до 60 час: Ss исходное и es синтезированное в этом окне сильно отличаются друг от друга. На таких низких частотах уяе перестает работать модель плоской волны, индукционные ■электрические поля крайне слабые, кроиг ^агннтогеялурпческогс источника определяющую роль начинают играть другке процесс;«, аппаратурного и экзогенного происхождения. В этом диапазоне необходимы дополнительные исследования, направленные на ослабление влияния этих фактороз.

S закяпченш леречксяены основные результаты, полученные в диссертации:

1. Разработаны и опр&бовакы ка полевом материале математические методы выделения и анализа низкочастотных электромагнитных полей внутреннего проксхогдеиия с целью выявления предвестникоЕ земхатрясекий в широком спегстре периодов (0.03 сек -200 часов). Комплекс методов включает: подавление магЕнтотеллурической покахн, получение независимой информации в четырех поддиапазонах (0.03-3 сек, 2-200 сек, 2-200 мин, 2-200 часов), слатие информации с покоцьэ определения низкочастотной огибающей б очищенных данных, устранение в ней коррелированной с внешним полем части. Весь цикл обработки проводится с активным .Ессользованием базы данных кодельных и полевых реализаций полей.

2. Разработан и опробован на полевом материале метод подавления магкитотеллуркческой помехи на основе синтеза компонент ИТ-поля, с помощью передаточных функций среды во временной облаете. Показано, что ослабление внешних полей на основе этой процедуры когет достигать десяти к более раз, ухудшаясь однако по мере перехода к более и более низким частотам. Получен ванный •катояэтескиП результат: , долговременная стабильность передаточных

функций.

3. Прэдлолгка и опробована на модальных и экспериментальных данных новая кодификация метода интегральна, уравнений, основанная на аппроксимации передаточных функций в узлах псевдологарифмичесяой шкалы оси t, что эквивалентно дополнительной регуляризации задачи на оскозе внесения информации о свойстзах, этих Зунхций и привлечении робастных методов решения СЛАУ. Показано значительное повышение устойчивости результате© яри применении дифференциального фильтра для предварительной обработки МТ-данных. Разработаны способы оценки интервалов достоверности результатов путем многократного зозмущения данных "логарифмическим" шумом к экспертных оценок зсзго результата в целом. Показано, что величина максимального периода Т . на

* шах

котором кокет быть определен импеданс по низкочастотным вариациям МТ-поля, может достигать 0.8«Т - длины реализации. Разработан простой и эффективный метод моделирования вариаций МТ-полей.

4. Предложена обобщенная схема реализации компьютерной обслуживающей сети и полный цикл обработки эа результатов 2 цэяъю пассивного электромагнитного мониторинга сейсмотектонических процессов с разделением обработки и принятия решения на два уровня - в одной каждой точке сети наблюдений м по всему полигону в целом.

5. Разработана архитектура, написана к отлажена бага данных MTVS-BASE , которая с 1989 года успешно работает в отдал® глубинных электромагнитных исследозаи::й ЙЗЖРАН и Троицкого отделения ИФЗ АН СССР. MTVS-BASE написана на языке Фортрак-77 для ЭВМ NORSK-DATA 500 в? содержит более 15000 операторов. Она молэт испсльзоваться как удобный я мощный инструмент исследований МТ-поля с разнообразными целями. Вся диссертационная работа выполнена с ее помощью.

2.0

• Разработана программа расчета передаточных функций среды во временной области с целью прогноза-синтеза вариаций МТ-полк и вариант программы с переводом результата в часуотную область для МТЗ - ORANGE, Эта программы к ряд других - синтез компонент МТ-поля, расчет разнообразных фильтров, предварительная редакция данных Фурье-анализ к всевозможные графические утилиты,, имеюлдае удобный интерфейс с MTVS-BASE, составляют единый ¡комплекс,

В при/юкении дается подробное описание базы электромагнитных данных MTVS-BASE, ее концепции и архитектуры, структуры данных, синтаксиса к интерфейса человек-машина, скггомы команд, а также описания программ-утямкт к MTVS-BASE.

Основные зацмыаемь;& по^оиекия:

1. На ссйоз;. ярздоскекяой для метода пктэгрпльных уравнений аппроксимации передаточной функции в узлах нсаздологарифмической шкалы на врзке^ой оси,, что эквивалентно доводы ледыюй регуляризации ¡задаче с зкосезнс*- адекватной осо-

• йэккост« этих фукхзш инфоомацл:!, ¡¡де&нзжбзя« робасткь-к мэтодоз реызшш СЛАУ, «траавгеаия ди(деереОДЕаяъкого мидьтрг. дик предварительного о£еязлл£ УТ-даг^ых дсст^.с^уге ажчктьг^по;,' ао-

• sbüesiiit- ^сгойчнвости а уг^лк^й-гае -•гаасюгаяьясге ле-оз^ода Т ( Ш-. которое хоает быть н^садгье, до Т -

так " "

0.8-Т - длийк реализации, Предяожеккг»& хетодн оцанки достоверности, _ основанные на зозмущвякн данных "тоггргфшчаским" иуком, позволяют контролировать качество пояучегг:с?о результата.

2. На основа сиятвса компонент ИТ-иоля, с во.чощыэ передаточных функций среды во зремениой области достигнуто ослабление

_полей внешнего происхондешя в вариациях естественного электромагнитного поля Ззкли в десять и богеа раз, что значительно увеличивает возмогности выделения пол<.й внутреннего происхоадения при электромагнитном мониторинге.

Основное содервание работы излоаеко s следующих работах:

1. Демидов А. И. Повышение глубинности МТЗ. // сб, ИЗЮ'РАН "Электромагнитные процессы в Земле и космосе". Москва. 1989.

2. Демидов А. И. Определение магиитотеллурических переходных характеристик среды методом интегральных уравнений. // Изв. АН СССР, Физика Земли. 9, 1890, стр.35.

3. Демидов А. И., Карикский С. Д. г Светоз Б. С. Повышение отношения сигнал/шум при зондированиях с источником периодических колебаний.// сб. Фундаментальные проблема морских электромагнитных исследований. ИЗШ1РАН, Москва 1S8B, стр. 31-90

4. Агеев В. В., Аслибекян С. Г., Зурдельньй 3. . Л е-!:: дез Л. IS., Светов Б. С. Выделена естественных электромагнитных полей внутреннего происхождения с целью мониторинга сейсмотектопичегт^т. процессов. // Сб. материалов зсессвзпой конференции по электромагнитным предвестникам в Махачкале 1S89 , в печати.

5. Агеез В. В.. Аслибекян С. Г., БурдеяьныЗ 3.'.!. г Демидов А. II., Светоз Б. С. Опыт ослабления по;.?ех зяешпего происхождения при с.тс::-трояагнитном мониторинге се.'5смотектс:::гческтгх 'прспессоз. //Сб. Обработка и интерпретация электромагнитных гоядкрсззнкК, ИЗ'-'ИРЛН 1991

6. Autenshlus B.R., Denidov A. I., Svetov 8.S. et al. "I-field variation nodelling rsnd efficiency of processing programs // Abstracts of Hinth Workshop on electromagnetic induction in the Earth and !ioon. M., 1S83