Подсистема гис для решения задач сейсмического мониторинга и прогнозирования

      Комментарии к записи Подсистема гис для решения задач сейсмического мониторинга и прогнозирования отключены

Подсистема гис для решения задач сейсмического мониторинга и прогнозирования

№3(8), 2010 г.

И. В. Степанов

ВВЕДЕНИЕ

Неприятность прогноза землетрясений так же, как и прежде остается тайной за семью печатями, т. е. однозначного ответа на триаду вопросов «В то время, когда? Где? Какой силы?» нет. Природа весьма нехотя открывает человечеству собственные тайны, даже если они связаны с огромными жертвами. Исходя из этого обнаружение любой закономерности либо показателя, разрешающих немного открыть завесу тайны с запуска землетрясений и механизма подготовки (ЗМТ), можно считать важным шагом в ответе неприятности прогноза землетрясений.

Много возможностей раскрываются благодаря применению космических средств мониторинга Земли и околоземного пространства и анализа и геоинформационных технологий обработки приобретаемых геофизических данных. Но эффективность любого анализа и мониторинга приобретаемых данных сильно зависит от целенаправленного применения средств, выбора признаковой базы, критериев и параметров оценивания замечаемого явления, в нашем случае запуска и механизма подготовки ЗМТ.

В Научном центре своевременного мониторинга Почвы (НЦ ОМЗ) подобные задачи решены благодаря созданной концепции сейсмогенеза. Эта концепция положена в базу ответа задач прогнозирования и сейсмического мониторинга.

Концепция является совокупностью закономерностей, отражающих взаимодействие и последовательность процессов в механизмах запуска и подготовки ЗМТ. Перечислим эти закономерности с кратким описанием их физической сущности [1].

  1. Перемещение весов в теле Почвы (геооболочках) обусловлено внешними космическими и внутриземными обстоятельствами и отражается в информационных составляющих — комплексах частот — градиента гравиполя [2].
  2. Миграция водорода в геооболочках и его сотрудничество с геосредой изменяет физико-химические и механические особенности последней, составляя базу протонного тектогенеза [3, 4].
  3. Глобальный электроротационный контур электронов и миграции протонов снабжает сохранение их баланса в геооболочках по принципу «какое количество пришло — столько ушло» и механизм запуска и подготовки ЗМТ.
  4. Причинно-следственная сообщение гравианомалий, нестабильностей обращения и вращения Почвы, протонной диффузии в геооболочках, аномалий электро- сейсмотектонических процессов и теллурического поля обусловливает наличие показателей подготовки ЗМТ. Факт совпадения указанных аномалий по месту либо (и) времени может говорить о приближении замечательных ЗМТ с магнитудой больше М6.0+.
  5. Сейсмотектонические отклики в геооболочках при подготовке и запуске ЗМТ являются локальными проявлениями глобальных геофизических аномалий. Облачные сейсмоиндикаторы (ОС) как одно из проявлений таких аномалий разрешают локализовать территорию потенциального ЗМТ и выяснить вероятную магнитуду [5, 6].
  6. Магнитно-меридиональная направленность запуска сейсмотектонического процесса определяется цепочками ЗМТ на протяжении проекций геомагнитных силовых трубок запуска на геоид.
  7. Триггерный механизм запуска ЗМТ на 14 -е либо 22 -е дни по окончании геоэффективных явлений на Солнце, вызывающих геомагнитные возмущения определенного класса, разрешает вычислить дату вероятного ЗМТ (Дода, 2003).

Закономерности (пп. 1–6) определяют нужные и довольно часто достаточные (п. 7) условия механизма запуска ЗМТ.

На базе данной концепции решена задача среднесрочного прогноза ЗМТ с 2–3-недельным упреждением как обратная задача их запуска и подготовки в классах сейсмоиндуктивных показателей в геооболочках. Второй серьёзной задачей, решаемой в рамках концепции, есть создание сбора и системы мониторинга геофизических данных с показателями подготовки ЗМТ.

СОВОКУПНОСТЬ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОДГОТОВКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Не обращая внимания на то, что сейчас известно более 200 предвестников ЗМТ разной природы, выяснить с приемлемой точностью дату, место и силу ЗМТ не удается. Более того, предвестники в хорошем представлении в действительности таковыми не являются. С позиций приведенной концепции они являются локальные проявления глобальных геофизических аномалий (см. п. 5).

Но при таких условиях, на каких правилах нужно строить совокупности мониторинга и каковы критерии отбора аномальных показателей? Экспертам НЦ ОМЗ с сотрудниками удалось организовать совокупность, включающую следующие главные структурные элементы:

  • станции гравиметрических измерений Центра «Прогноз» Тульского национального университета (генеральный директор и разработчик д.т.н. О.В. Мартынов);
  • станции подземных протонных измерений дистантной школы «Космометеотектоника» в г. Петропавловске-Камчатском (научный руководитель и разработчик к.ф.-м.н. Д.А. Кузнецов, директор к.т.н. В.С. Бобровский);
  • станции электротеллурических измерений Какиока, Мемамбецу, Каноя в Японии и Пиргос, Хиргос, Афины в Греции. Данные в открытом доступе на сайтах http://www.kakiokajma.go.jp; earthquakepredction.gr;
  • спутниковые совокупности дистанционного зондирования METEOSAT, MT SAT, GOES на геостационарной и низкой орбите TERRA, AQUA, «Ресурс-ДК», «Метеор-М» с тематической обработкой и наклонением данных в НЦ ОМЗ;
  • базы данных Парижского центра вращения Почвы http://www.hphiers.obspm.fr/eop-pc; базы данных гелиогеофизических параметров разных государств: NOAA/NWS (http://www.swpc. noaa.gov), Solar Terrestrial Activity Report (http:// www.solen.info/solar/index.html), ATC Technologies Solar (http://www/lmsal.com).

Перечисленные три группы станций, и базы гелиогеофизических разрешённых позволяют регистрировать отклики глобальных геофизических аномалий, предваряющих наступление сейсмических событий. Обработанные и проанализированные по соответствующим методикам эти измерений разрешают распознать причинно-следственную связь между процессами в соответствии с закономерностью сейсмогенеза.

По факту пространственно-временного совпадения аномалий в регистрируемых процессах возможно делать выводы о приближении замечательных ЗМТ и вычислить их параметры — дату, место, силу. В этом содержится главное содержание работы экспертной совокупности ГИС, о которой будет сообщено потом.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОГНОЗИРУЕМОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

Вычисление даты сейсмического события основано на связи солнечной, геомагнитной и сейсмической активности. Запуск ЗМТ происходит по 7-дневной гармонике в среднем на 14-е либо 22-е дни по окончании геоэффективных явлений на Солнце, т. е. явлений, вызывающих геомагнитные возмущения.

Вероятные территории ЗМТ определяются в местах пересечения совокупности возмущенных геомагнитных силовых трубок с границами тектонических плит, блоков либо разломов, накопивших достаточный для сброса упругой энергии потенциал механических деформаций и напряжений. Совокупность отмеченных силовых трубок образует сейсмомагнитный меридиан запуска, что рассчитывается по методикам и определённым формулам. Магнитуда ЗМТ рассчитывается на базе облачных сейсмотектонических индикаторов (ОС). Установлена логарифмическая связь между большой протяженностью облачной структуры, трассирующей активизированный сейсмотектонический участок, и потенциальной магнитудой:

M = lnD/D0                                                  (1)

где М — магнитуда вероятного ЗМТ;

D — большая протяженность ОС [км] над активной сейсмотектонической областью;

D0 — эталонное облако протяженностью 1 км, полученное теоретически и подтвержденное модельными опытами.

ОС употребляются кроме этого для локализации в сторону повышения либо уменьшения распознанной по сейсмомагнитным меридианам 7-градусной территории вероятного ЗМТ. В базе данных НЦ ОМЗ накоплены тематически обработанные спутниковые эти облачных структур с сейсмопризнаками по самый мощным и катастрофическим ЗМТ 2002–2010 гг. Приведенные формулы, логические схемы, методики обнаружения показателей употребляются в экспертной совокупности ГИС.

СИСТЕМА ГИС КАК ИНСТРУМЕНТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗМТ

Методика обнаружения сейсмопризнаков, расчет параметров вероятного ЗМТ, планирование получения средств и применения мониторинга данных осуществляются в НЦ ОМЗ в среде созданной автором системы ГИС. В ней анализируется гелиогеофизическая ситуация, направленность сейсмического процесса, положение сейсмомагнитных меридианов довольно сейсмотектонических территорий. Особенную роль играется анализ ОС на базе снимков со спутников Meteosat, MTSAT, NOAA, Terra, Aqua и др.

В качестве средства реализации ГИС употребляется ГИС-приложение ArcGIS 9.3.1, в котором проводится сбор данных, и оценка и анализ сейсмической обстановке, прогнозирование и мониторинг ЗМТ. На рис.1 продемонстрирована структурная схема ГИС для прогноза задач и решения мониторинга ЗМТ, применяемая в НЦ ОМЗ.

Рис.1. Структурная схема ГИС для прогноза задач землетрясений и решения мониторинга

В рамках ответа задач мониторинга землетрясений, оценки и анализа сейсмической прогнозирования и обстановки ЗМТ употребляются следующие пространственные эти (слои ГИС):

  • Цифровые карты:

а) картографическая база в проекции Меркатора, в качестве которой употребляется карта мира, поставляемая с пакетом ArcGIS, на которую наносят все сведенья, используемые для системы ГИС как составной части методики прогнозирования ЗМТ;

б) карты границ литосферных плит разного ранга, и карты разломов. Источником данных помогает векторная карта-модель литосферных плит (Plate Boundary Model PB2002) П. Берда, векторизованная схема глубинных разломов территории бывшего СССР (карта 1977 г.), векторизованные карты вторых территорий Почвы.

  • Систематично пополняемая и поддерживаемая база данных (БД) ЗМТ. В ней находятся сведения о случившихся ЗМТ; источник: сайт Геологической работы США (USGS) и Европейского сейсмологического центра (EMSC).
  • Цифровые космические снимки облачного покрова с разных спутников (Terra, Aqua, Meteosat, MTSAT-1R и др.), по которым исследуются способом визуального компьютерного дешифрирования облачные сейсмотектонические индикаторы.
  • База данных сейсмомагнитных меридианов, которая употребляется для расчета потенциальных территорий риска ЗМТ. В НЦ ОМЗ систематично создаются карты магнитных меридианов для всего мира на конкретные даты. Согласно этой информации выявляются предварительные территории вероятных ЗМТ.
  • База данных наземных измерений, содержащая гравиметрические, теллурические, протонные эти.

К продуктам ГИС для прогнозирования задач и решения мониторинга ЗМТ относятся карты-схемы кратковременного прогноза на расчетные даты. Эти карты-схемы, кроме главной карты территорий потенциальной сейсмической опасности, включают врезки в виде графиков геофизических данных с выделенными странностями, космические снимки с ОС, сейсмомагнитные меридианы, разломов границ и карты плит.

ЭКСПЕРТНАЯ СОВОКУПНОСТЬ

Интеграция ГИС и экспертных совокупностей (ЭС) открывает много возможностей для своевременного анализа разных явлений и процессов [7], в частности при прогнозе ЗМТ. По существу формализация закономерностей (пп. 1–7) концепции сейсмогенеза, обнаружение облачных и других сейсмоиндикаторов составляют алгоритмическую, логико-функциональную сущность разрабатываемой экспертной совокупности.

Наряду с этим выделения и автоматизация поиска на космоснимках облачных структур с сейсмопризнаками есть самая сложной и трудноформализуемой задачей. И это не обращая внимания на то, что математические способы распознавания образов достаточно прекрасно созданы. Вся неприятность содержится в математическом описании и выборе классов показателей ОС и организации соответствующих решающих правил, разрешающих идентифицировать ОС и отнести их к определенному классу.

Специалистами НЦ ОМЗ таких классов показателей организовано более 7. На данном этапе разработки ЭС удается небезуспешно определять места вероятных ЗМТ, рассчитывать потенциальные магнитуды по любому сейсмоопасному региону мира. На рис. 2 приведена сюжетная линия анализа экспертной совокупности.

Рис. 2. Сюжетная линия анализа ЭСмониторинга и прогноза землетрясений

РЕАЛИЗАЦИЯ ГИС В РОССИЙСКО-ТАЙВАНЬСКОМ СЕЙСМОПРОГНОЗНОМ ОПЫТЕ

Как пример применения ГИС, проверки главных закономерностей концепции сейсмогенеза приведем результаты прогнозного опыта по сейсмотектонической территории Юго-Восточной Азии. Опыт проводился группой русских исследователей, в состав которой входил и создатель статьи, с октября 2009 г. по май 2010 г. Результаты опыта поразили кроме того его участников: пять последовательных успешных реализаций заявленных в прогнозах сейсмических событий с магнитудой М6.0+, попавших в прогнозную территорию радиусом, равным 7°, при одном пропуске события — 19.12.2009 г. с магнитудой М6.4.

На рис. 3 представлена своевременная прогнозная карта перед ЗМТ 03.10.2009 г. на о. Тайвань с магнитудой М6.0, полученная посредством созданной системы ГИС. Расшифровка главных условных обозначений приведена в легенде карты.

Прогнозные параметры были следующими: дата до 5-го октября, территория радиусом 7°, вероятная магнитуда М6.5. Прогноз передан тайваньским сотрудникам за чемь дней до события, по окончании чего начался совместный опыт.

Рис. 3. Прогнозная карта по Тайваньско-Окинавской территории, созданная в системе ГИС

ПЕРВАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГНОЗА

О напряженной геофизической обстановке на Филиппинской плите сигнализировала серия из 4 тайфунов в сентябре-октябре и ЗМТ на о. Рюкю 30.10.2009 г. с М6.8. Совокупность аномальных показателей на Тульской гравиметрической станции, электротел-лурики в Греции, георотационных протонов и параметров на Камчатской станции, распознанных в один момент 27.10.2009 г., указала на подготовку замечательного ЗМТ. Облачные сейсмоиндикаторы, параметры и динамика которых представлены на рис.

4 по космоснимкам MTSAT за 31.10.2009 г. над Филиппинской плитой, кроме этого говорили о подготовке сильного ЗМТ.

Рис. 4. Динамика облачных сейсмоиндикаторов в Тайваньско-Филиппинской территории

Первая несколько ОС показалась 31.10.2009 г. над северной оконечностью главного филиппинского сдвига в 02:00 -05:00 UT (снимки 1–4). ОС появлялись над Филиппинами 02-03.11.2009 г. в промежутке 22:30-02:00 UT. Протяженность ОС на протяжении северного участка Манильского желоба, равная 400 км, давала потенциальную магнитуду M = ln 400 ~5.9.

Настоящая магнитуда по различным источникам (USGS, EMSC, CWB) была 5.8- 6.0, что появилось в пределах точности способа ±0,2 для прогнозируемых магнитуд. Вероятными датами событий в расчетах по сейсмо-магнитным меридианам (проекциям геомагнитных силовых трубок на моменты начала 23.10.2009 г. и 30.10.2009 г. геомагнитных возмущений) в соответствии с закономерностью 7 концепции могли быть числа 6, 13 либо 20 ноября ±2 дней. Настоящее событие случилось 5 ноября, совпав в пределах точности способа по дате.

Так, прогноз оправдался по дате, магнитуде и месту. Этот прогноз был выставлен на сайте НЦ ОМЗ 3 ноября 2009 г. и представлен в виде упреждающего доклада-презентации в Тайнаньском университете 4 ноября 2009 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданная система ГИС разрешает разрабатывать тематические продукты сейсмопрогнозного профиля по заявкам потребителей фактически для любого сейсмоопасного региона Почвы. В будущем предполагается создать web-оболочку ГИС на сайте НЦ ОМЗ, которая предоставит возможность удаленному пользователю не только приобретать фактически готовые тематические продукты, но и самому создавать в интерактивном режиме прогнозные или ретроспективные карты на любую заявленную сейсмоопасную территорию. При появлении новых геофизических данных либо объектов анализа в системе ГИС имеется возможность наращивания информационных слоев с целью получения новых показателей или других элементов для прогноза и анализа сейсмической обстановки.

Перечень литературы:

  1. Дода Л., Новикова Н., Пахомов Л., Степанов И. Космический мониторинг предвестников землетрясений//Наука в Российской Федерации, 2009, № 6, с. 30-37.
  2. Мартынов О.В. Концепция прогноза природных трагедий и практические результаты, полученные на базе аппарата нелинейной физики, математики и данных совокупности//Нелинейный мир, 2008, № 10, т. 6, с. 579-615.
  3. Ларин В.Н. Догадка изначально гидридной Почвы.–М.: Недра, 1980, 216 с.
  4. Кузнецов Д.А. Протонно-запуск и электрическая подготовка полиморфного вскипания протонов в очаге землетрясения. Деп. в ВИНИТИ, 28.03.91, № 1371-В91, 40 с.
  5. Морозова Л.И. Спутниковый мониторинг землетрясений. – Владивосток: Дальнаука, 2005, 137 с.
  6. Дода Л.Н. Геосейсмическое эхо солнечных бурь, либо землетрясения рождаются на Солнце.// Новости космонавтики, 2003, № 6, с. 56-59.
  7. Лурье И.К. Базы геоинформатики и создание ГИС. М.: Изд-во ООО ИНЭКС-92, 2002, 140 с.

Мониторинг и прогнозирование ЧС


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: