Лаборатория 602

Разработан новый метод оценки сейсмической опасности, основанный на построении в скользящем временном окне карт мультифрактальных свойств низкочастотного сейсмического шума по данным широкополосных сейсмических станций. сети, охватывающие сейсмически активный регион. Этот метод после применения к данным из сети F-net в Японии правильно выделили область мега-землетрясения 11 марта 2011 г. Прогноз катастрофы, сначала только с оценкой магнитуды (середина 2008 г.), а затем с более низкой оценкой времени (середина 2010 г.) был предварительно опубликован в серии статей и тезисов на российских и международных конференциях.

Разработаны методы синхронной обработки большого числа (до нескольких тысяч) временных рядов геофизического мониторинга с целью построения карт двумерных плотностей вероятности пространственного распределения экстремальных значений статистик и спектральных мер когерентности случайных флуктуаций геофизических полей. Целью построения таких карт является выделение аномальных областей с повышенной сейсмической опасностью. Карты могут быть построены как по всей имеющейся выборке данных, так и в скользящем временном окне. В последнем случае разработанная методика представляет собой новый способ оценки текущей сейсмической опасности.

_{Анализ тремора земной поверхности на территории США по данным GPS от сети 6139 станций, 2013-2019 гг. Карта оценок двумерной плотности вероятности распределения узлов регулярной сетки, в которых достигаются максимальные значения максимумов функции множественной спектральной когерентности от 10 ближайших действующих станций.}

Исследована когерентность свойств глобального сейсмического фона, что дало возможность выделить время (середина 2003 г.) начала тренда увеличения коррелированности шума, предшествующее увеличению интенсивности сильнейших землетрясений во всем мире. Анализ временного ряда длины дня позволил выдвинуть гипотезу, что триггером этого явления является всплеск нестационарности в режиме вращения Земли.

Разработан новый метод анализа пространственных и временных свойств длительных непрерывных записей сейсмического фона в сейсмоактивных районах, основанный на вычислении минимальной нормализованной энтропии распределения квадратов ортогональных вейвлет-коэффициентов волновых форм шума. Метод включает в себя оценки в скользящем временном окне плотностей распределения вероятностей максимальных значений энтропии и сильных пространственных корреляций между вариациями энтропии в окрестности заданного набора опорных точек, покрывающих исследуемый регион. Метод применен к анализу записей сейсмического шума в Южной Калифорнии в течение 12 лет, 2008-2019 годы, на сети из 81 широкополосной сейсмической станции. Найден интервал времени 2009-2012 интенсивного роста линейного размера сильных пространственных корреляций для значений энтропии от нуля до 250-300 км, после которого начал формироваться очаг землетрясения 06.07.2019, M=7.1. Подготовка этого сейсмического события проявляется в появлении устойчивого пятна повышенных значений плотности вероятностей распределения по пространству максимальных значений энтропии сейсмического шума в непосредственной близости от очага. Кроме того, подготовка сильного землетрясения сопровождается установлением сильных пространственных корреляций в вариациях энтропии сейсмического шума в окрестности будущего события.

_{Усредненные карты 2-мерных плотностей вероятностей распределения максимальных значений нормализованной энтропии сейсмического шума в Калифорнии для 4-х последовательных интервалов времени длиной 2 года. Звездочкой показан эпицентр землетрясения 06.07.2019, M=7.1.}

Разработан новый статистический метод фрактального анализа временных рядов для количественной оценки степени коллективного поведения блоков земной коры. Этот метод основан на анализе шумов пространственно-распределенных данных и позволяет оценить эффекты синхронизации земной коры, возникающие накануне землетрясений, путем построения безразмерных нестационарных скалярных полей — мер хаотичности. При сравнении метода с использованием спектральных множественных мер синхронизации были определены два механизма синхронизации, для которых либо растет энергия низких частот при сохранении энергии высоких частот, либо энергия низких частот остаются на прежнем уровне, тогда как в высокочастотной части спектра наблюдается значительный спад.

Карта среднего значения фрактальной меры хаотичности движений блоков земной коры в Калифорнии за период с января 2015 по июнь 2016 года (слева) и, для сравнения, карта вероятности крупных (M > 6.7) землетрясений в Калифорнии на ближайшие 30 лет (воспроизведено по Field and the 2014 Working Group on California Earthquake Probabilities 2015, https://dx.doi.org/10.3133/fs20153009, credit: U.S. Geological Survey). Создан образец длиннобазисного гидростатического нивелира (ДГН), установленный в помещении прогностического центра ИФЗ РАН в пос. Мосрентген. Несмотря на короткую базу, была проверена работоспособность всей системы, проведены калибровки и оценки точности. Был выполнен практически весь объём исследований, который необходим для проведения  работ при увеличении линейной базы прибора до километра и более. Оценка шумов флуктуации уровня жидкости показала, что они обусловлены главным образом влиянием вариаций метеопараметров, приводящих к наклонам здания, где установлен прибор.

_{Схема длиннобазисного гидростатического нивелира с расширительным сосудом и опорными измерительными сосудами для компенсации вариаций температуры: 1,2 – концевые измерительные сосуды; 3,4- опорные компенсационные сосуды, 5 – расширительный сосуд для уменьшения влияния изменения объема жидкости с изменением температуры; 6 – соединительная трубка; 7,8 – объемы для компенсации влияния изменений температуры; 9,10 – специальные устройства для точного подбора величины компенсационных объемов.}

Получены длительные непрерывные записи колебаний крутильного маятника кавендишевского типа, связанного с изменением характеристик микросейсмического фона, которые можно связать с процессом подготовки землетрясений. Проведена оптимизация параметров маятника и уточнение его пространственной ориентации. Оценки показывают, что такой прибор (анализатор микросейсмического фона) может указать направление на готовящееся землетрясение с нижним пределом магнитуды Mb=4.8 в радиусе 3500 км.

_{(а) – показания маятника после перехода к шагу по времени 1 минута; (б) – оценка авторегрессионной меры нестационарности показания маятника в скользящем временной окне длиной 720 минут со смещением 60 минут в зависимости от положения правого конца временного окна, красными точками выделены моменты времени локальных максимумов меры нестационарности, превосходящих порог 1.5; (в) – моменты времени сейсмических событий с магнитудой не ниже 5 в Восточной части Северного полушария с глубиной эпицентра не больше 100 км.}

Создан функционирующий образец трехкоординатного малогабаритного сейсмогравиметра, предназначенного для измерений микроколебаний поверхности Земли или планеты, ее квазистатических движений и вариаций гравитационного поля. Прибор построен на основе использования трех одинаковых ортогональных одноосных датчиков, позволяющий проводить измерения в сейсмическом диапазоне частот (0.1 – 10 Гц), а также измерять малые вариации наклонов основания и вариации ускорения свободного падения. В результате проведенных экспериментальных исследований принципиально модифицирован блок подвеса пробной массы в датчиках. Проведена калибровка датчиков методом наклонов и получены значения крутизны преобразования по трем датчикам, предельной чувствительности и оценки шумов емкостного преобразователя.

_{Схема чувствительной механической системы прибора и фото прибора на стенде. Пробное тело 1 в форме цилиндра удерживается по оси Z (ось чувствительности), а также по осям X и Y с помощью двух блоков растяжек 5, установленных вблизи двух торцов цилиндра. Каждый блок растяжек представляет собой три тонких стержня (нити) или три ленты из тонкой фольги, размещенных под углом 120о и соединенных одним концом с пробной массой, а другим – с корпусным элементом 7 прибора, имеющим форму полого цилиндра, соосного с пробной массой. Движения пробного тела 1 по оси Z измеряются с помощью емкостного преобразователя. На рисунке показана только роторная пластина 2 измерительной дифференциальной емкости, соединенная с пробной массой, и неподвижные пластины 3 и 4 измерительной емкости.}