Построение оптимальной модели геоэлектрического разреза…

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА. 2018. T. 17, № 3. С. 109–140. DOI 10.21455/GPB2018.3-7

ПОСТРОЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА ПО ДАННЫМ
РЕЖИМНЫХ ВЭЗ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ
ГАРМСКОГО ПОЛИГОНА

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

При проведении геофизических исследований, в частности при поиске предвестников землетрясений, возникают задачи изучения геоэлектрической структуры среды в пункте наблюдений и ее изменений во времени. В настоящей работе развивается подход к решению этих задач, основанный на использования данных многолетнего мониторинга среды методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Зондирование проводилось в центральной части Гармского полигона с помощью стационарной многоэлектродной установки ежедневно в течение 12 лет (с апреля 1979 г. по май 1992 г.). По этим данным было построено около 4 тыс. единичных кривых ВЭЗ, а по ним – 36 среднедекадных. Среднедекадные кривые использовались для решения обратной задачи в рамках горизонтально-слоистой модели с помощью пакета IPI. На основе интерпретации полученных решений были построены 4-, 5-, 6- и 7-слойные модели геоэлектрического разреза. Эти модели сравниваются по различным критериям их качества.В итоге выбрана 4-слойная модель, которую можно рассматривать как наилучшую, в смысле минимизации невязки решения обратной задачи, горизонтально-слоистую аппроксимацию реального (среднего по сезонам года) геоэлектрического разреза. Сопоставление имеющихся геолого-геофизических данных между собой и с результатами решения обратной задачи ВЭЗ показывает, что 4-слойная модель разреза хорошо согласуется с данными геологических (бурение, геологическое картирование), геоэлектрических (ЗС, профильные ВЭЗ) и других исследований, выполненных в пункте наблюдений.

Ключевые слова: прецизионный геоэлектрический мониторинг, вертикальное электрическое зондирование, решение обратной задачи, геоэлектрический разрез, оптимальная модель, Гармский полигон.

Барсуков О.М., Сорокин О.Н. Изменение кажущегося сопротивления горных пород в Гармском сейсмоактивном районе // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1973. № 10. С. 100–102.

Барсуков О.М., Краснюк П.Д., Листов Н.А., Сорокин О.Н. Ориентировочная оценка размеров зоны подготовки землетрясения по измерению электрического сопротивления горного массива // Предвестники землетрясений. М.: ВИНИТИ, 1973. С. 207–214.

Бектемиров А.И., Романов В.П. Режимные электрометрические наблюдения на Фрунзенском прогностическом полигоне // Прогноз землетрясений. 1988. № 9. С. 95–108.

Богданов М.И., Калинин В.В., Модин И.Н. Применение высокоточных низкочастотных электроразведочных комплексов для ведения длительного мониторинга опасных инженерно-геологических процессов // Инженерные изыскания. 2013. № 10/11. С. 110–115.

Бончковский В.Ф. Изменение градиента электрического потенциала атмосферы как один из возможных предвестников землетрясений // Тр. Геофиз. ин-та АН СССР. М., 1954.
№ 25 (152). С. 192–206.

Волков Ю.М., Журавлев В.И., Нерсесов И.Л., Сидорин А.Я. Применение импульсного МГД-генератора «Памир-1» для электрического зондирования земной коры в целях прогноза землетрясений. М.: ИАЭ, 1980. № 3279/1. 28 с.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И. Аналитическая программа для исследования временных рядов // Федеральная система сейсмологических наблюдений: Инф.-аналит. бюл. 1994. Т. 1, № 3. 1994. С. 32–35.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Скрытые периодичности и фликкер-шум в электротеллурическом поле // Физика Земли. 1999а. № 4. С. 56–67.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Экспериментальные исследования сезонных вариаций кажущегося сопротивления применительно к задачам сейсмологии // Сейсмические приборы. 1999б. Вып. 32. С. 62–75.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Сезонные вариации электротеллурического поля в центральной части Гармского полигона // Физика Земли. 2000а. № 1. С. 87–97.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Поиск электрохимических предвестников землетрясений на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2000б. Вып. 33. С. 96–114.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Сезонные вариации электрохимических параметров на Гармском полигоне // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М: ОИФЗ РАН, 2000в. С. 127–147.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. О зависимости сезонных вариаций кажущегося сопротивления от глубины зондирования // Физика Земли. 2004. № 3. С. 3–20.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Спектрально-временные особенности сезонных изменений кажущегося сопротивления // Физика Земли. 1997. № 3. С. 53–63.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Организация банка данных геоэлектрического мониторинга на Гармском полигоне и свойства временных рядов // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С. 61–79.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Формирование нового стереотипа мышления в исследованиях по прогнозу землетрясений // Современные математические и геологические модели природной среды // Геофизика и математика в XXI веке. М.: ОИФЗ РАН, 2002. Вып. 2. С. 165–186.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Исследования на Гармском полигоне и их влияние на эволюцию представлений о прогнозе землетрясений // Очерки геофизических исследований. М.: ОИФЗ РАН, 2003а. С. 111–129.

Дещеревский А.В., Лукк А.А., Сидорин А.Я. О новой парадигме прогноза землетрясений // Докл. РАН. 2003б. Т. 388, № 2. С. 233–236.

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Метод построения модели геоэлектрического разреза с учетом сезонных вариаций по данным многолетнего мониторинга методом ВЭЗ для поиска предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 4. C. 61–80. DOI 10.21455/si2017.4-5

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Проблемы анализа временных рядов с пропусками и методы их решения в программе WinABD // Геофизические процессы и биосфера. 2016а. Т. 15, № 3. С. 5–34.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 1. Требования к программе обработки // Сейсмические приборы. 2016б. Т. 52, № 1. С. 61–82.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 2. WinABD – пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. 2016в. Т. 52, № 3.
С. 50–80.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD – универсальный инструмент для анализа данных режимных наблюдений // Наука и технологические разработки. 2016г. Т. 95, № 4. С. 35–48. (Темат. вып. «Импортозамещение в геофизике». Ч. 2. Аппаратура и программное обеспечение). DOI 10.21455/std2016.4-6

Ельцов И.Н., Манштейн А.К., Морозова Г.М., Неведрова Н.Н., Сидорин А.Я. Электромагнитные зондирования на Гармском полигоне методом становления поля // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М: ОИФЗ РАН, 2000. С. 183–192.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Метод и результаты изучения геоэлектрического разреза Гармского полигона // Докл. АН ССР. 1982. Т. 262, № 4. С. 834–837.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Связь особенностей пространственного распределения сейсмичности и геоэлектрического строения Гармского полигона // Докл. АН СССР. 1986. Т. 287, № 3. С. 595–598.

Журавлев В.И., Сидорин А.Я., Шевченко В.И. Геоэлектрический разрез Гармского полигона по данным частотного зондирования // Изучение природы вариаций геофизических полей. М.: ОИФЗ РАН, 1994. C. 148–160.

Журавлев В.И., Коновалов Ю.Ф., Лукк А.А., Сидорин А.Я. Модель геоэлектрического разреза земной коры Гармского района в сопоставлении с геологическими и сейсмологическими данными // Физика Земли. 1998. № 8. С. 38–48.

Заборовский А.И. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 423 с.

Зейгарник В.А., Сидорин А.Я. МГД-генератор «Памир-1» в исследованиях по прогнозу землетрясений // Сейсмические приборы. 1997. Вып. 27. С. 77–91.

Коновалов Ю.Ф., Сидорин А.Я. Геоэлектрическая параметризация Гармского полигона в связи с мониторингом и прогнозом землетрясений // Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: Инф.-аналит. бюл. 1996. Т. 3, № 4. С. 12–32.

Куфуд О. Зондирование методом сопротивлений. М.: Недра, 1984. 270 с.

Моргунов В.А., Сидорин А.Я. Регистрация электромагнитных предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 1996. Вып. 25–26. С. 184–188.

Нерсесов И.Л., Сидорин А.Я., Журавлев В.И., Осташевский М.Г. Электрохимические наблюдения на Гармском полигоне // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1982. № 4. С. 92–98.

Нерсесов И.Л., Сидорин А.Я., Журавлев В.И., Велихов Е.П., Волков Ю.М., Кукса Ю.И., Венгерский В.В., Бабаков Ю.П., Писакин А.В., Исаев Ю.И., Назаровский В.В. Прогноз землетрясений методом глубинного электрического зондирования земной коры с использованием МГД-генератора «Памир-1» // Докл. АН СССР. 1979. Т. 245, № 1. С. 55–58.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Метод и результаты электрометрических наблюдений в сейсмоактивном районе // Докл. АН СССР. 1985а. Т. 282, № 2. С. 295–299.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Цифровой резистивный вариометр для поиска предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 1985б. Вып. 17. С. 37–41.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Аппаратура для динамической геоэлектрики. М.: Наука, 1990. 206 с.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Многофункциональная станция электрического зондирования и результаты ее использования // Комплексные исследования по прогнозу землетрясений. М.: Наука, 1991. С. 182–199.

Сидорин А.Я. Результаты прецизионных наблюдений за вариациями кажущегося сопротивления на Гармском полигоне // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290, № 1. С. 81–84.

Сидорин А.Я. (ред.). Режимные геофизические наблюдения. М.: Наука, 1990а. 240 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: Наука, 1990б. 240 с.

Сидорин А.Я. (ред.). Автоматизированная обработка данных на Гармском геофизическом полигоне. М.: Наука, 1991. 216 с.

Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. 192 с.

Сидорин А.Я. Исследования электромагнитного излучения на Гармском полигоне // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М: ОИФЗ РАН, 2000а. С. 166–182

Сидорин А.Я. Возмущения атмосферного электрического потенциала и землетрясения на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2000б. Вып. 33. С. 78–95.

Сидорин А.Я. О возмущениях градиента электрического потенциала атмосферы на Гармском полигоне в 1949–1950 гг. // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек.
М.: ОИФЗ РАН, 2000в. С. 148–165.

Сидорин А.Я., Журавлев В.И. Оценка размеров зон подготовки землетрясений по данным электрического зондирования // Моделирование предвестников землетрясений. М.: Наука, 1980. С. 45–54.

Сидорин А.Я., Зейгарник В.А. Батарея конденсаторов как генераторная установка для исследований по прогнозу землетрясений // Сейсмические приборы. 1997. Вып. 29. С. 69–84.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Методика прецизионного электрического зондирования при поиске предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 1996. Вып. 25–26. С. 189–211.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Наблюдения с цифровым вариометром сопротивления на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С. 51–60.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Опыт режимных дипольных зондирований с аппаратурой СЭЗ-1 // Сейсмические приборы. 1999. Вып. 32. С. 54–61.

Сидорин А.Я., Журавлев В.И., Зейгарник В.А. Вариации кажущегося сопротивления по данным зондирований с батареей конденсаторов // Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений: Инф.-аналит. бюл. 1996. Т. 3, № 3. С. 45–77.

Сидорин А.Я., Джумабаев К.Б., Джакыпбаев Т., Шевченко В.И. Рекогносцировочные исследования пространственно-временных особенностей естественного электромагнитного излучения на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2000. Вып. 33. С. 69–77.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1988. 176 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 2. М.: Изд-во МГУ, 1992. 200 с.

Loke M.H., Dahlin T., Rucker D.F. Smoothness-constrained time-lapse inversion of data from 3D resistivity surveys // Near Surf. Geoph. 2014. N 12. P. 4–24.

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Kim J.H., Römer A., Baron I., Pfeiler S., Lovisolo M., Gruber S., Vecchiotti F. Geoelectrical monitoring: an innovative method to supplement landslide surveillance and early warning // Near Surf. Geoph. 2014a. N 12. P. 133–150.

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Römer A., Pfeiler S., Kauer S., Keuschnig M., Ita M. Geoelectrical monitoring of frozen ground and permafrost in alpine areas: field studies and considerations towards an improved measuring technology // Near Surf. Geoph. 2014b. N 12. P. 93–115.

Wilkinson P., Chambers J., Kuras O., Meldrum P., Gunn D. Long-term time-lapse geoelectrical monitoring // First Break. 2011. V. 29. P. 77–84.

ДЕЩЕРЕВСКИЙ Алексей Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

МОДИН Игорь Николаевич – доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1.
E-mail: imodin@yandex.ru

СИДОРИН Александр Яковлевич – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-42-68. E-mail: al_sidorin@hotmail.com

CONSTRUCTING OPTIMAL GEOELECTRICAL STRUCTURE MODEL BY VESTICAL ELECTRICAL SOUNDING
MONITORING DATA: A CASE STUDY IN A CENTRAL PART
OF THE GARM RESEARCH AREA

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Abstract. When carrying out geophysical studies, in particular when searching for earthquake precursors, the problem arises of studying the geoelectric structure of the medium at the observation site and its changes in time. This paper develops an approach to solving this problem on the basis of the use of data from long-term monitoring of the medium by vertical electric sounding (VES) methods using a stationary multi-electrode array. The data of the daily VES in the central part of the Garm research area over 12 years are used. According to these data, about 4,000 individual VEZ curves were constructed, and on them – 36 decade average ones. These 36 curves were used to solve the inverse problem within the framework of the horizontal-layered model using the IPI package. On the basis of interpreting the inverse problem solutions, the 4-, 5-, 6- and 7-layer models of the geoelectric section were constructed. These models are compared with the use of different quality criteria. As a result, a 4-layer model is chosen, which can be considered as the best geoelectric section in the sense of minimizing the residual of the solution of the inverse problem, the horizontal-layered approximation of the real (average for the seasons of the year) geoelectric section. Comparison of the available geological and geophysical data with each other and with the results of solving the inverse problem of the VES shows that the 4-layer model of the section is in good agreement with the geological data (drilling, geological mapping), geoelectric (time domain electromagnetic sounding, VES profile) and other studies, carried out at the observation site.

Keywords: precise geoelectrical monitoring, vertical electrical sounding, inverse problem solution, geoelectric section, optimal model, Garm research area.

DESHEREVSKII Alexey V. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

MODIN Igor N. – Dr. Sci. (Tech.), professor, Lomonosov Moscow State University. Moscow,
Russia. E-mail: imodin@yandex.ru

SIDORIN Alexander Ya. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), head of laboratory, Schmidt Institute
of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-42-68. E-mail: al_sidorin@hotmail.com

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА 2018 Т. 17 № 3