Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Применение спектрального анализа для интерпретации сейсмологических и геофизических данных

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Применение спектрального анализа для интерпретации сейсмологических и геофизических данных"

АКАДЕМИЯ НАУК УЗБЕКСКОЙ ССР ИНСТИТУТ СЕЙСМОЛОГИИ

На правах рукописи

Плышл Вера Васильевна

УДК 550.341

ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ

04.00.22 — геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент-1990

Работа выполнена в Институте сейсмологии АН КазССР

Научные руководители: член-корреспондент АН КазССР,

доктор геолого-ыинералогических наук

A.К.Цурскеев и кандидат технических наук

B.А.Устинов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.П.Головков,

доктор физико-иатеиатических наук Т.У.Артиков

Ведущая организация: ордена Ленина Институт, физики

Земли им. О .Ю .Шмидта АН СССР

Защита состоится "0 " 1990 г. в /У час.

на заседании специализированного совета 2 015.07.01 при Институте сейсмологии АН УзССР, в конференц-зале.

Адрес:700128, Тапкент, Ц-12, ул.Хуриида,3

С диссертацией могно ознакомиться в библиотеке Института сейсмологии АН УзССР.

Автореферат разослан ■_"_ 1990г.

Ученый секретарь

специализированного Совета, д,

кандидат физико-иатеиатических наукС.I.Максудов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту^льность_р_аботы. В настоящее время спектральные методы представляют собой эффективное средство исследования физических процессов. Весьма актуальный является их применение в геофизике и сейсмологии. С помощью методов спектрального анализа удается устанавливать структуру геофизических полей, обнаруживать в них скрытые периодичности, выделять отдельные составляющие, исследовать особенности записей сейсмических событий, сравнивать процессы, основываясь на количественных оценках. Использование ЗЗМ обеспечивает эффективность и открывает широкие возможности для внедрения в эту область математических методов.

Актуальной представляется задача объединения ряда методов в единую совокупность - создание методики. Она должна обеспечить информативность, точность и эффективность научных исследований.

Особенно эффективным применение методов спектрального анализа должно быть для исследования структур и взаимосвязей сложных геофизических процессов. Согласно выводам современной геофизической науки, именно комплексный подход к их изучению является наиболее перспективный. В первую очередь, это можно отнести к сейсмическим процессам. Увязать их с другими процессами, протекающими внутри и вне Земли пытаются в последнее время многие ученые. Здесь необходимы всесторонние исследования, в том числе и статистические.

Применение спектрального анализа для обработки сейсмограмм является традиционным. Однако, как правило, работа велась с аналоговыми записями, для которых возможности машинной'обработки ограничены. &ти ограничения снимаются при работе с цифровыми сейсмограммами, которые к настоящему времени в различных регионах страны накоплены в достаточной количестве. Современный уровень обработки цифровых записей имеет два аспекта: информационный и вычислительный. Система автоматизированной обработки цифровых сейсмограмм реиает задачи ввода, хранения и анализа данных. Для анализа сейсмических записей существует и интенсивно разрабатывается широкий круг матеаэтичсзких методов, в том числе и на основе спектрального анализа. Их внедрение в практику должно вывести сейсмологические исследования на новый качественный уровень.

Цель_р^боты - разработка и применение методики корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа геофизических и сейсмологических -временных рядов. В связи с этим были постав -лены следующие задачи:

1.Выполнить анализ и разработать методические положения для решения задач прикладного спектрального анализа.

2.Разработать и создать автоматизированную систему обработки цифровых сейсмограмм.

3.Применить разработанную методику и систему обработки для решения ряда сейсмологических задач и оценить эффективность предлагаемой технологии обработки.

4.На основе статистического анализа цифровых сейсмограмм станции "Недео" (близ Алма-Аты) выявить связь преобладающего периода в максимальной фазе колебаний и ширины сейсмического импульса с магнитудой и эпицентральныи расстоянием с целью дальнейшего оценивания сейсмических воздействий в данном регионе.

5.Уточнить спектральную структуру процесса изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси на основании анализа последних данных об изменениях.длительности суток с разной степенью детальности: среднегодовых, среднемесячных, среднесуточных.

6.В глобальном масштабе земного шара и региональном масштабе Средней Азии и Казахстана исследовать процесс выделения сейсмической энергии, его статистическую связь с процессами изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси и солнечной активности и использовать выявленные закономерности для предсказания периодов -повышенной сейсмической опасности.

Научная новизна. Разработана'методика корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа геофизических и сейсмологических данных, включающая в себя наряду с традиционными методами ряд оригинальных решений:

- разработан метод спектрально-временного анализа, позволяющий выделять из записи отдельные составляющие частотного спектра, либо подавлять их с использованием полоснопропускающего танге-нсного фильтра, который не внося фазовых сдвигов, обладает рядом полезных качеств;

- предложено использовать сплайн-аппроксимацию для локализации спектральных максимумов при малой разрешающей способности;

- для анализа сейсмических записей создана система автоматизированной обработки цифровых сейсмографы;

- предложена методика анализа цифровых сейсмограмм с целью определения доминантных составляющих.

С применением предложенной методики решен ряд актуальных практических задач.

- для района сейсмостанции "Медео" найдена связь преобладающих периодов в максимальной фазе колебаний и ширины сейсмических импульсов с магнитудой и эпицентральным расстоянием, которую мояно использовать для прогнозирования ожидаемых сейсмических воздействий.

-установлено, что ручная обработка, как правило, дает заниженный период доминантной составляющей.

-уточнена спектральная структура процесса изменения, скорости вращения Земли вокруг своей оси, подтверждено существование ранее обнаруженных составляющих, выявлены новые.

- оценены амплитуды отдельных составляющих процесса изменения длительности суток.

- исследована статистическая связь процесса выделения сейсмической энергии в глобальном масштабе земного шара и региональном масштабе Средней Азии и Казахстана с процессами вариаций скорости суточного вращения Земли и солнечной активности.

- установлено, что наибольшее количество сейсмической энергии выделяется

I) в моменты локального уменьшения длительности суток на фоне их общего увеличения и наоборот (в моменты локального увеличения длительности суток на фоне их общего уменьшения).

'¿) в период пониженного общего уровня солнечной активности в моменты максимумов ее 11-летней составляющей в масштабе земного шара и в моменты ее минимумов в регионе Средней Азии а Казахстана.

Научная и практическая_ценность £аботы_. Разработана иетоди-' ка корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа геофизических и сейсмологических данных, которая может быть использована для широкого круга исследований. Включение в ее сое -тав ряда новых методических разработок повышает точность, информативность и эффективность анализа данных. 1-601

Полученные с помощью разработанной методики данные о спектральном составе процесса изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси и отдельных его составляющих дают информацию для их геофизической и геодинамической интерпретации.

Закономерности, выявленные в результате взаимного анализа процессов выделения сейсмической энергии, изменения скорости суточного вращения Земли и солнечной активности, позволяют выделить периоды повыиенной сейсмической опасности и могут быть использованы Для долгосрочного прогноза землетрясений.

Предложенная для исследования цифровых сейсмограмм методика машинной обработки является более эффективной по сравнению с ручной и дает более точные результаты. Выявленные с ее помощью закономерности могут быть использованы для оценки ожидаемых сейсми-чес.ких воздействий.

Практическая ценность разработанной методики с обеспечивающими ее реализацию программными комплексами подтверждена рядом внедрений:

I. Программный комплекс СПЕКТР-1 внедрен в практику обработки данных на СМ' ЕЗ/.1 на базе архива цифровых сейсмограмм на обсерватории "Ледео".

'¿. Программный комплекс для определения амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик регистрирующей аппаратуры и последующего исключения вносимых аппаратурой искакений внедрен в институте Кэзпромстройниипроект Госстроя КазССР.

3. В этом же институте внедрен программный комплекс СПЕКТР, предназначенный для расчета спектральной плотности мощности, цифровой фильтрации и расчета взвиИных спектральных характеристик:, взаимного энергетического спектра, взаимного фазового спектра и спектра когерентности.

За]вдз^1ше_полокения^

1. Методика корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа геофизических и сейсмологических данных, включающая в себя наряду с традиционными методами ряд оригинальных разработок.

2. Унифицированная методика машинной обработки сейсмических записей на базе автоматизированной системы обработки цифровых сейсмограмм. 1-801

3.Вид формализованной связи периода колебаний почвы в иа-ксииальной фазе и ширины сейсмического импульса с ыагнитудой и зпицентралъным расстоянием для региона Северного Тянь-Шаня и его использование для оценок ожидаемых сейсмических воздействий.'

4. Заключение о полном спектральной составе и амплитудах отдельных составляющих процесса изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси.

5. Выводы о статистических закономерностях, выявленных на основзнии взаимного анализа процессов выделения сейсмической энергии, изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси и солнечной активности и их использование для предсказания периодов повышенной сейсмической опасности в долгосрочном прогнозе землетрясений.

Апробация ¿аботы^ Основные результаты, приведенные в диссертации были доложены и обсуждены на XIX Всесоюзной Школе по автоматизации научных исследований, Новосибирск, 1985 г., заседании рабочей группы МСССС по банкам данных, Алма-Ата, 1986 г., международном семинаре КАПГ "Расчетные и статистические методы изучения сейсмических колебаний в слоистых средах и инзе-нерных сооружениях", Москва, 1989 г.,научных семинарах Института сейсмологии АН КазССР, г.Алма-Ата (1984-1990 гг.), Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта АН СССР, г. Москва (1987 -1990 гг.).

Публикации^ Основное содержание диссертации изложено в 7 опубликованных работах.

Ст£укт^ра и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, раздела, содержащего выводы, списка литературы и двух приложений. Объем работы: 132 страницы текста, 95 рисунков, из них 6 в тексте, 89 - в приложении, 5 таблиц, список литературы содержит 138 наименований.

Автор искренне благодарит научных руководителей чл.-корр. АН КазССР, докт.геол.-мин.наук А.К.Курскеева и канд.техн.наук В.А.Устинова за постоянную помощь и внимание при выполнении данной работы. Особую признательность и о'лагодарность автор приносит докт.физ.-мат.наук В.Ф.Писаренко и докт.физ.-мат. наук А.Ф.Кушниру за помощь и критические замечания при обсух-

дении разрабатываемой методики и результатов исследований. Автор благодарен канд.физ.-мат.наук Н.Н.Михайловой за ценные консультации по анализу цифровых сейсмограмм и докт.физ.-мат.наук Н.С. Сидоренкову за предоставление первичных материалов по скорости суточного вращения Земли.

' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глма 2. Обзор литературы. В главе приводится краткое описание основных методов спектрального оценивания, обсуждаются их практические аспекты, описываются количественные оценки, используемые при исследовании взаимосвязей процессов, а также освещаются вопросы, связанные с цифровой фильтрацией и ее местом в решении геофизических задач.

На основании анализа литературных источников делается вывод о том, что в практике геофизических исследований для получения наиболее полной информации о спектральном составе временных рядов целесообразно располагать реализациями нескольких методов спектрального анализа, например, метода, в основе которого леших быстрое преобразование Фурье (БПФ) и одним из методов моделирования. Периодограмма дает полную картину спектрального состава и информацию о вкладе тех или иных гармоник в исследуемый процесс» Метод моделирования позволяет произвести более детальный анализ отдельных частотных диапазонов. Выделить отдельные частотные составляющие,из записи процесса можно с помощью цифровой фильтрации. Такой вид анализа ыоано рассматривать как спектрально-временной, т.к. он позволяет оценивать не только частоту и амплитуду составляющих, но и определять их временной ход. При взаимном анализе двух и более процессов количественные оценки мокно получить, рассчитав взаимный энергетический спектр, взаимный фазовый спектр и функцию когерентности. Использование таких количественных и качественных оценок должно обеспечить достаточно детальное исследование структуры процессов.

Глав.§ 2. Методика анализа данных и организация машинного эксперимента. Глава посвящена разработке методики корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа геофизических и сейсмологических данных.

Основные положения предлагаемой методики включают в себя

следующие пункты:

1. Создание функционально полной системы операторов обработки данных.

2. Анализ экспериментального материала и оценка структуры наблюдаемого ряда (наличие тренда, оиибок измерительной аппаратуры, помех и т.д.).

3. формирование вычислительной схемы эксперимента на множестве операторов функционального наполнения.

4. Реализация в автоматическом режиме эксперимента на ЭВМ.

5. Анализ результатов эксперимента, коррекция модели данных, схемы вычислений и переход на п.З.

Разработанная методика спектрального и спектрально-временного анализа данных поддерживается следующим множеством операторов функционального наполнения:

- коррекция цифровой записи за прибор;

- построение спектра на основе периодограммы;

- построение осредненного спектра;

- построение спектра по методу максимальной энтропии;

- выделение отдельных частотных составляющих процесса;

- расчет взаимных спектральных характеристик.

Наряду с этими операторами реализуются также следующие виды предварительной обработки:

- работа с архивом цифровых данных и формирование рабочего файла:

- центрирование и удаление медленно меняющегося тренда;

- визуализация информации на графопостроителе и графическом дисплее.

Специально для аппроксимации спектральных характеристик процессов в случае плохой разрешающей способности предлагается использовать сплайн-аппроксимацию. Такое приложение сплалн-зп-проксимации может рассматриваться как новый метод локализации спектральных максимумов. Он реализуется оператором

- сплайн-аппроксимация спектральной характеристики процесса.

Ряд операторов предназначен для построения амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик регистрирующих каналов:

- аппроксимация частотных характеристик приборов.

Для решения задач коррекции записи за прибор и выделения отдельных частотных составляющих использован метод цифровой фи-

льтрации в частотной области. Задача коррекции за прибор при исследовании сейсмограмм трактуется как восстановление истинного смещения почвы, здесь в качестве регуляризирующего фактора используется наложение подавляющих фильтров в области низких и высоких частот. Выделение частотных составляющих процесса может трактоваться как метод спектрально-временного анализа, более информативный по сравнению с традиционным. Для его реализации предложено использовать тангенсный фильтр, который представляется наиболее оптимальным по сравнению с другими цифровыми фильтрами для его использования в качестве универсального в любой области частотного диапазона. Не внося фазовых сдвигов, он дает инфор -аацию не только о значении амплитуды, но и ее изменении во времени.

Для расчёта спектра по методу максимальной энтропии в работе использованы принципиальные подходы и программная реализация Института физики Земли АН СССР (В.Ф.Писаренко, И.В.Савин).

Анализ особенностей рядов наблюдений по сейсмическим и геофизическим полям показал, что предлагаемое множество операторов можно считать функционально полным для большинства исследователь ских задач.

Разработанная методика была применена для решения ряда зада сейсмологии и геофизики и позволила получить новые результаты» Изложению этих вопросов посвящены последующие главы.

Глав£ 3.Использование спектральных характеристик землетрясений для оценки ожидаемых сейсмических воздействий. Глава посвящена изучению периодов и длительностей колебаний по цифровым сейсмограммам сейсмостанции "Недео" и поиску зависимостей их от ыагнитуд и эпицентральных расстояний. Зти зависимости позволяют выйти на вероятностные характеристики землетрясений произвольной силы и на произвольном расстоянии, в том числе и для близких и сильных землетрясений.

Объем информации по сильным движениям для ограниченной территории, как правило, является недостаточным. Учитывая принцип подобия сильных и слабых землетрясений (Ф.Ф.Аптикаев, Г.С.Глады-шева, Дж.Ктон, К.Л.Нерсесов. 1979), для поиска закономерностей можно использовать, главным образом, слабые землетрясения. Они происходят довольно часто, что позволяет набрать статистически представительный материал за относительно короткий срок. При таком подходе в определенной степени учитываются специфика очагов,

особенности строения среды, являющиеся общими как для сильнж, так и для слабых землетрясений.

Использование цифровых сейсмограмм для исследования смещений снимает целый ряд ограничений, с которыми сопряжена работа с традиционными бумажными и фотоносителями. Практическое отсутствие ограничений на развертку позволяет анализировать записи в любом диапазоне частот, в том числе и записи высокочастотных близких землетрясения. Ограничения накладываются только частотным диапазоном регистрирующей аппаратуры. Кроме того, исключаются ошибки оцифровки, имеющие место при работе с аналоговыми записями, и упрощается дальнейшая обработка записей на ЭВМ в частности, коррекция за частотные характеристики аппаратуры, спектральный анализ и т.д.

С использованием разработанной методики анализа на базе автоматизированной системы обработки цифровых сейсмограф были исследозаны периоды смещений в максимальной фазе. Анализу были подвергнуты цифровые -записи 56 землетрясений, происшедших в период с 1984' по 1988 г. на расстояниях до 340 ка от сейсмостан-ции ".'Дедео". Энергетический класс событий составлял от 5,4 до 15,3 по классификации Т.Г.Раутиан.

В пределах каждой записи выделялся участок, соответствующий цугу 5-волн, поскольку именно в поперечных волнах сосредоточена максимальная энергия землетрясений5 с ними связан и разрушительный эффект при сейсмических катастрофах. Выбор интересующего участка проводился в интерактивном рениме по визуализированной записи. Из каналов С-Ю и 3-3 выбирался тот, где в 5 -волнах отмечались максимальные амплитуды. Полученный временной ряд центрировался, из него удалялся медленно меняющийся тренд, проводилась корректировка за амплитудно-частотную характеристику( т.е. восстанавливалось истинное смещение почвы, строился спектр на основе периодограммы. Для некоторых спектральных полос строился спектр по методу максимальной энтропии. Затем из записи выделялись отдельные частотные составляющие при одинаковой ширине спектральных полос. При этом следует залетать, что составляющие, которым в спектрах соответствовали пики ■лаксима-льной высоты, не обязательно обладали максимальными амплитуда-1-801

- Э -

ми в отфильтрованной виде. Это связано с распределением мощности. При ее сосредоточении на небольшой участке анализируемого временного ряда спек-грвльный пик оказывается невысоким. И наоборот, слабо выраженная периодичность, если она распространяется на весь временной ряд, может дать довольно высокий спектральный пик. По отфильтрованным записям определялась та частотная составляющая, которая имеет максимальную амплитуду, она должна считаться доминантной в максимальной фазе колебаний. Соответствующий ей период Т фиксировался.

Попутно для- каадого события фиксировалась также ширина сейсмического импульса в обычном ее понимании D (величина промежутка времени, в течение которого уровень огибающей сейсмических колебаний превышает половину максимальной амплитуды) и ширина сейсмического импурьса доминантной составляющей De (отфильтрованной записи).

Применяя метод ортогональной регрессии для установления зависимостей иезду Т, £> , Ьс и магнитудой U и зпицентральным расстоянием А , удалось получить следующие соотношения:

fyT = 0,18 И + 0,2й /'ц Я - 1,08 , 6х = 0,046 ;

0,18 М + 0,50 (¡jí - 0,75 , = 0,065 ;

0,15 U + 0,40^* ~ 0,39 , б1 = 0,061 ;

После приведения экспериментальных данных к произвольным К и 1.1 для них строились функции распределения ^ Т, tjb и fjDc, по которым оценивались наиболее вероятные значения этих параметров при выбранных условиях.

Было проведено сопоставление периодов доминантных составляющих в максимальной фазе колебаний Т, найденных по описанной выше методике, и видимых периодов Тв , определенных вручную по той же записи. Для них были получены соотношения:

Тв = 0,68 Т + 0,46 , = 0,109

для периодов до 14 секунд и

Тв = 0,7? Т + 0,12 , б1 = 0,010 для периодов до '¿ секунд. Делается вывод, что как правило,

I-80I

видимый период доминантной составляющей оказывается заниженным по сравнению с расчётным. Причём наилучшее соответствие этих периодов наблюдается в области до 0,6 с, а наибольшее расхождение - для больших периодов порядка 5 с и более.

Аппаратура сейсмостанции "Медео" установлена на коренных породах. Близость ее к территории города Алма-Аты обусловливает возможность применения результатов для целей микросейсморайони-рования города. Прогнозные оценки сейсмического воздействия могут быть использованы в качестве входных сигналов на коренном основании, поступающих на подошву осадочной толци, инженерно-геологические модели которой достаточно хорошо изучены. Это позволит получить при пересчёте воздействий на поверхность Земли районирование по спектральным характеристикам.

Глав,а 4. Исследование спектральной структуры процесса изменения скорости вращения Земли. В главе приводятся результаты спектрального и спектрально-временного анализа временных рядов, описывающих процесс изменения скорости суточного вращения Земли.

Вариации угловой скорости суточного вращения Земли сопровождаются заметными энергетическими эффектами, т.к. Земля, вращающаяся вокруг своей "оси является масштабной энергетической систе-

чг

мой с кинетической энергией вращения около 10 Дж/год. Этим обусловлен интерес широкого круга исследователе:! к этолу процессу, тем более, что имеются доказательства его связи с рядом геофизических явлений.

Изучению спектральной структуры процесса изменения скорости суточного вращения Земли уделялось внимание многими авторами. Однако, анализ литературных источников по данному вопросу обнаружил различие в результатах спектрального анализа, хотя у некоторых авторов периоды отдельных составляющих и согласуются, ¿то можно объяснить двумя причинами. Во-первых, анализу подвергались данные, взятые из разных источников и поэтому не всегда точно отражающие истинный процесс. Во-вторых, по-види..:с;.!у, сказывается неточность проведения спектрального анализа. При таком положении дел представилось целесообразный вновь обратиться к задаче выявления скрытых периодичностей в этой процессе.

Анализу были подвергнуты новые уточненные данные по из.'и нию длительности суток, любезно предоставленные Н.С.Сидоренколым.

Данные были представлены в виде трёх временных рядов: среднегодовые значения-за период с 1656 г. по 1986 г., среднемесячные значения за период с августа 1955 г. по ноябрь 1987 г. и среднесуточные значения за период с августа 1984 г. по ноябрь 1987 г. На единой методологической основе данные были обработаны несколькими методами спектрального и спектрально-временного анализа с использованием описанной в главе 2 методики. При этом разделение записи на отдельные составляющие позволило получить новую информацию в виде выделенных во времени компонент процесса с присущими им фазами и в большей или меньшей степени изменяющимися со временем амплитудами. Полученные результаты обобщены в таблице.

Период ¡77 !51 Гзз !23 Гб !4,8 ! I Гб ! 28 ! 14 ! 9 _¡лет !год ¡года'года! лет ! года! год ! мес. ! сут. ! с.ут. ! сут.

В итоге можно отметить, что значения некоторых периодов совпали с приведёнными в литературе. В первую очередь это касается сезонных вариаций I г. и 6 мес. Согласно У.Манку и ГЛакдональду (1934), годичные вариации вращения Земли обусловлены метеорологическими явлениями, полугодовые изменения вызываются атмосферой и приливными возмущениями тела Земли. Основными причинами месячных и полумесячных вариаций продолжительности суток являются приливные эффекты. Обращает на себя внимание тот факт, что длинноперио-дная часть процесса, в основном, определяется двумя составляющими: 77 лет и 51 год, а не 65 лет, как это считалось до последнего времени. К тому же, вызывающее интерес исследователей "возмущение" процесса, проявившееся в возрастании его амплитуды, судя по результатам спектрально-временного анализа, относится к 77-летней составляющей. Наряду с составляющими, периоды которых в той или ином степени совпадают или близки к данным, приводившимся в литературе, в процессе изменения длительности суток выявлена 9-суточ-ная составляющая. Она, хотя и выражена довольно слабо, имея амплитуду лишь 0,1 мс, носит регулярный характер и присутствует на всём исследуемой временном интервале.

Глспза 5. Исследование взаимосвязей процессов выделения сейсмической энергии, изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси и солнечной активности с целью предсказания периодов наибольшей сейсмической опасности. На статистической уровне выявляются особенности указанных процессов, характер их взаимообусловленности.

Предполоаение о том, что тектонические процессы представляют собой результат воздействия во всем многообразии их проявления двух факторов - внутренней эволюции Земли и космических внешних процессов - не раз зысказывалось различными авторами (A.B. Пейве, 1961 г., В.Е.Хвиа, 1964 г., Н.В.Стовас, 1975 г.). Особого внимания заслуживает исследование такого проявления тектонической деятельности, как землетрясения, и неразрывно связанная с этим проблема их прогнозирования. Успех в решении этой проблемы может стать достижимым лишь при осуществлении комплексных исследований. В предыдущей главе уае отмечалось влияние на геофизические процессы такого высокоэнергетического процесса, как вращение Земли. Со времен Б.Б.Голицына (1912 г.) не ослабевает внимание ■ исследователей к поиску возможной связи землетрясений с солнечно-атмосферными процеЬсами. 3 настоящее время эти вопросы интенсивно разрабатываются А.Д.Сытинским (1961-1989гг.).

Процесс выделения сейсмической энергии исследуется в глобальном масштабе земного шара и в региональном масштабе Средней Азии и Казахстана. В работо были использованы мировые данные каталога сильных движений Института физики Земли АН СССР им. О.Ю.Шмидта, любезно предоставленные П.Н.Иебалиным. В расчет принимались события с мзгнитудой М»7, происшедшие с 1894 г. по 1986г. включительно. Процесс выделения сейсмической энергии в региональном масштабе был представлен данными о землетрясениях Средней Азии и Казахстана и прилегающей территории КНР за период I8S5-I98S гг. В выборку были включены события с интенсивностью 7 баллов и более или с магнитудой М >5,5 при глубине $ 100 км и 6,0 при глубине > ICO км. Источником этой информации служила "Объяснительная записка к карте сейсмического районирования СССР (1984 г.) и машинный кэталог землетрясений на Алма-Атинском прогностическом полигоне и прилегающих территориях Института сейсмологии АН КазССР.

Процесс изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси бил представлен среднегодовыми изменениями длительности суток (см.гл.4). Процесс изменения солнечной активности был представлен годовыми значениями чисел Вольфа (Ю.И.3итинский,1983). Исследование процессов и их взаимосвязей было проведено по описанной в главе 2 методике.

В процессе выделения сейсмической энергии на земном шареГЕ присутствуют составляющие: 5, 8, II, 30 лет. Длиннопериодную составляющую с уверенностью назвать не удается. Примечательным является наличие 30-летней составляющей в процессе изменения длительности суток 6 Р. Квадрат функции когерентности для этих составляющих равен 0,73, а осредненный сдвиг фаз - 5 лет. П-летняп составляющая является наиболее мощной в процессе изменения солнечной активности V/. Результаты^корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализа свидетельствуют о прохождении 11-летних составляют'/« процессов 2Е и и'примерно в одной фазе, причем большим амплитудам составляющей .в процессе 1Е соответствуют меньшие амплитуды в процессе V*/ и наоборот.

3 процессе выделения сейсмической энергии на территории Средней Азии и Казахстана 2ЕК присувствуют составляющие: 77 лет, ¿0 лет, 11,5 и 10 лет, а также ряд составляющих с малыми периодами: 7,5; 7 ; 5,5; -1,7 года. При количественном сопоставлении процессов 1Е„ и Р в области 77-летней составляющей квадрат функции к

когерентности имеет значение 0,60, а осредненный сдвиг фаз - 3 года. П-летние составляющие в процессах 2ЕК и ^ имеют иное соответствие, чем в масштабе всего земного шара. Средний сдвиг фаз этих составляющих равен 5,7 года, т.е. они проходят примерно в противо-фаь а.

В глобальном и региональном масштабах наибольшее количество сейсмической энергии выделяется при общем пониженном уровне солнечной активности. Причем большинство самых крупных событий вписываются в 5-летнюю периодичность.

Если из процесса с*Р исключить его длиннопериодные составляющие, в основном определяющие ход изменения процесса, оставив лишь высокочастотные составляющие, которые можно рассматривать как локальные ^изменения длительности суток, то оказывается, что максимальное количество сейсмической энергии выделяется во время наиболее

интенсивных локальных изменений скорости вращения Земли вокруг своой оси. Причем в период наибольших длительностей суток (замедленное вращение Земли) большинство самых сильных землетрясений мира и региона произошли при их локальном сокращении. А в период наименьших длительностей суток (ускоренное вращение Земли) самые сильные землетрясения Земли происходили в моменты их локальных увеличений.

Результаты проведенных исследований могут служить подтверждением существования зависимости тектонических процессов, проявляющихся з виде выделения сейсмической энергии, с такими внешними по отношению я недрам Земли процессами, как изменение скорости вращения Земли вокруг своей оси и изменения солнечной активности.

Для долгосрочного прогнозе могут быть использованы следующие выводы. Наиболее вероятными для сильных землетрясений являются те интервалы времени 77-летней периодичности в ротационном режиме Земли, когда продолжительность суток велика и на этом фоне происходит ее локальное уменьшение либо при локальном увеличении длительности суток на фоне их общего уменьшения. Необходимо учитывать также вероятную приуроченность сильных событий к 5-летней составляющей. Таким образом, сила сейсмических событий, по-видимому, коррелирует с продолжительностью суток, наиболее опасные моменты .возникают при ее довольно резких локальных изменениях. Такие выводи справедливы как для глобального масштаба всего земного шара, так и для регионального масштаба Средней Азии и Казахстана.

Для долгосрочного прогноза моано использовать также наблюдения за изменением солнечной активности, а именно: за средним уровнем ее значений и 11-летней составляющей. Наиболее сильные землетрясения происходят при общем низком уровне солнечной активности. При этом вероятность сильных событий возрастает в моменты максимальных значений солнечной активности в П-лстней составляющей в масштабе земного иара и в моменты их минимальных значений в регионе Средней Азии и Казахстана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и применена методика корреляционно-спектрального и спектрально-временного анализе геофизических и сейсмологических данных, включающая в себя как традиционные методы, так и оригинальные разработки.

2. Разработана и внедрена в практику научных исследований унифицированная методика машинной обработки цифровых сейсмограмм, в основе которой лежат преимущественно спектральные методы.

3. По результатам статистического анализа множества записей архива цифровых сейсмограмм станции ".Чедео" для территории Северного Тянь-Шаня выявлена связь .преобладающего периода в максимальной фазе колебаний почвы и ширины сейсмического импульса с магнитудой и эпицентральныи расстоянием. Она использована для оценки ожидаемых сейсмических воздействий.

4. Получены более точные по сравнению с ручной обработкой оценки преобладающих периодов в максимальной фазе колебаний. Результаты сравнения свидетельствуют о том, что видимый период доминантной составляющей при ручной обработке оказывается заниженным.

5. На основании последних данных с применением ряда современных методов спектрального анализа уточнена полная спектральная структура процесса изменения скорости вращения Земли вокруг своей оси. Обнаружено наличие в нем следующих периодических составляющих: 77 лет, 51 год, 33 и 23 года, 6 лет, 4,8 года, I год, 6 месяцев, 28, 14 и 9 суток. Проанализированы амплитуда и временной ход каждой из этих составляющих. Установлено, что "возмущению" в 1860 году была подвергнута 77-летняя составляющая, а

не 65-летняя, как это считалось ранее.

6. Установлена идентичность структур процессов выделения сейсмической энергии в глобальном масштабе земного шара и региональном масштабе территории Средней Азии и Казахстана, выраженная в совпадении общих тенденций к ее увеличению и уменьшению и приуроченности самых крупных сейсмических событий к 5-летней составляющей.

• 7. По результатам статистического анализа данных о выделении сейсмической энергии и неравномерности суточного вращения Земли установлено, что максимальное количество сейсмической

энергии выделяется в моменты локальных сокращений длительности суток на фоне их общего увеличения и в моменты локального увеличения длительности суток на фоне их общего уменьшения.

8. По результатам статистического анализа данных о выделении сейсмической энергии и солнечной активности установлено, что максимальное количество выделяющейся энергии в масштабе земного шара наблюдается при пониженном общей уровне солнечной активности в моменты максимумов её 11-летней составляющей и в моменты её минимумов в региональном масштабе Средней Азии и Казахстана.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. В.А.Устинов, О.К.Шишкина, В.В.Ильина, С.В.Егоров, К.А.Сейти-мова. Банк сейсмических данных на мини-ЭВМ// Банки данных в геофизике. !!.: 1984. С.75-78.

2. В .В.Ильина'. Реализация спектральной обработки геофизической информации// Вопросы сейсмологии орогенного пояса Казахстана. Алма-Ата. 1985. Деп. ЗИНЕТИ №2С01. С.148-155.

3. О.А.Алексееза, З.В.Ильина. Спектральная обработка сейсмологических и геофизических данных с использованием средств машинной графики// Автоматизация научных исследований. Тез. докладов ХК Всесоюзной школы. Новосибирск. 1985. С.128-129.

4. А.К.Курскеез, В.В.Ильина. Предсказание периодов повышенной сейсмической активности земной коры Средней Азии и Казахста-

- на// Вестник АН ЯазССР. 1986. Й2. С.55-63.

5. А.Н.Байкенов, З.В.Ильина, З.А.Устинпв, Н.А.Утембаев. Автоматизация обработки сейсмологических данных. Изд-во Наука КазССР. Алма-Ата. 1987. 102с.

6. А.К.Курскеез, Н.Г.Бреусов, В.В.Ильина. Структура вариаций скорости суточного вращения Земли// Сейсмологические условия возникновения землетрясений. Алма-Ата. 1987. Деп.ВИНИТИ 02.10.87. »7095-3. С.33-50.

7. А.К.Курскеез, Н.Г.Бреусов, 3.3.Ильина. 50-летние циклы активизации сейсмичности и их связь с неравномерностью суточного вращения Земли// Там же. С.62-76.

2-801