Лаборатория физики колебаний пробных масс №602

Лаборатория занимается разработкой аппаратуры для долговременных геофизических измерений и созданием программного аппарата для анализа больших данных временных рядов систем геофизического мониторинга. Участвует в работах по исследования взаимосвязей геофизических процессов в оболочках Земли, оценке сейсмической опасности и прогнозу землетрясений.

Основные достижения лаборатории

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.

Основные публикации за последние 5 лет

Lyubushin A. (2010), Multifractal Parameters of Low-Frequency Microseisms // V. de Rubeis et al. (eds.), Synchronization and Triggering: from Fracture to Earthquake Processes, GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences 1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010, 388p., Chapter 15, pp.253-272.  http://dx.doi.org/10.1007%2F978-3-642-12300-9_15

Lyubushin A.A. (2011) Seismic Catastrophe in Japan on March 11, 2011: Long-Term Prediction on the Basis of Low-Frequency Microseisms // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2011, Vol. 46, No. 8, pp. 904–921. https://doi.org/10.1134/S0001433811080056

А.Б.  Манукин, О.С. Казанцева, С.В. Бехтерев, И.И. Калинников, В.П. Матюнин  (2013) Длиннобазисный гидростатический нивелир // Сейсмические приборы. -  2013. - Т.49. - №  4.-  с.26-34.

Lyubushin A.A. (2014) Dynamic estimate of seismic danger based on multifractal properties of low-frequency seismic noise // Natural Hazards, January 2014, Volume 70, Issue 1, pp 471-483. http://dx.doi.org/10.1007%2Fs11069-013-0823-7

А.Б.  Манукин, О.С. Казанцева,  И.И. Калинников, С.В. Бехтерев, В.И. Ребров. (2015) Новые возможности использования длиннобазисных гидростатических нивелиров для измерения некоторых глобальных (планетарных) геофизических эффектов // Геофизические исследования – 2015. - Т.16, - № 2 - с. 5-18.

Lyubushin A. (2018) Global coherence of GPS-measured high-frequency surface tremor motions. GPS Solutions. October 2018, 22:116. https://doi.org/10.1007/s10291-018-0781-3

Lyubushin A. (2018) Synchronization of Geophysical Fields Fluctuations // Tamaz Chelidze, Luciano Telesca, Filippos Vallianatos (eds.), Complexity of Seismic Time Series: Measurement and Applications, Elsevier 2018, Amsterdam, Oxford, Cambridge. Chapter 6. P.161-197. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813138-1.00006-7

Filatov D.M., Lyubushin A.A. (2019) Precursory Analysis of GPS Time Series for Seismic Hazard Assessment. Pure and Applied Geophysics. First Online: 07 January 2019, 177(1), 509-530. https://doi.org/10.1007/s00024-018-2079-3

Любушин А.А., Казанцева О.С., Манукин А.Б. (2019) Анализ длительных наблюдений за уровнем подземных вод в асейсмическом регионе // Физика Земли, 2019, №2, с.47-67

Manukin A.B., Kazantseva O.S., Kalinnikov I.I. (2019) New Version of a Highly Sensitive Uniaxial Sensor for Seismic Accelerometers. // Seismic Instruments - 2019, -Volume 55 - Issue 4 - pp 404–409, https://doi.org/10.3103/S0747923919040091

Манукин А.Б., Казанцева О.С., Калинников И.И. (2019) Результаты долговременных исследований длиннобазисного гидростатического нивелира // Сейсмические приборы. -2019. - Т. 55, - № 4. -  C.17–28. https://doi.org/10.21455/si2019.4-2

Filatov D.M., Lyubushin A.A. (2019) Stochastic dynamical systems always undergo trending mechanisms of transition to criticality. Physica A, 2019, https://doi.org/10.1016/j.physa.2019.121309

Lyubushin, A. (2019) Field of coherence of GPS-measured earth tremors. GPS Solutions (2019) 23:120. First Online: 27 September 2019. https://doi.org/10.1007/s10291-019-0909-0

Lyubushin, A. (2020) Trends of Global Seismic Noise Properties in Connection to Irregularity of Earth’s Rotation // Pure Appl. Geophys. 177, 621–636 (2020). https://doi.org/10.1007/s00024-019-02331-z

Lyubushin A.A. (2020) Seismic Noise Wavelet-Based Entropy in Southern California // Journal of Seismology, 2020, https://doi.org/10.1007/s10950-020-09950-3

Показать ещё

Заведующий лабораторией