Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0109

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0109
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет"
Название доклада
Разработка сети комплексного геофизического мониторинга для прогноза экстремальных природных процессов
Докладчик
Протопопов Александр Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1 Цели проекта.
1.1 Разработка и экспериментальная отработка новых методов и технологий сбора, обработки и систематизации данных, регистрируемых наземными и космическими средствами для мониторинга геомагнитной обстановки, предвестников сильных (М≥6) землетрясений, а также наводнений на реках России в условиях меняющегося климата для предупреждения и уменьшения негативных последствий от экстремальных природных явлений.
1.2 Создание и экспериментальная отработка технологий мониторинга признаков экстремальных природных процессов, ориентированных, в том числе на краткосрочный прогноз экстремальных природных явлений.
1.3 Создание научно-технического задела для обеспечения государственных структур, населения и промышленности качественно новой прогнозной информацией о потенциальном месте, времени и интенсивности природного процесса.
2 Задачи исследования.
2.1 Создание и отработка программно-аппаратных средств для решения задач сейсмопрогнозного мониторинга на основе концепции сейсмотектогенеза.
2.2 Теоретическое исследование межгеосферных взаимодействий (литосфера–атмосфера– ионосфера) с целью совершенствования концепции сейсмотектогенеза и уточнения подходов и методов интерпретации сигналов-предвестников.
2.3 Проведение сейсмопрогнозных и мониторинговых экспериментов с использованием наземно-космических данных.
Актуальность и новизна исследования
Рост и увеличение плотности населения Земли, в том числе, в сейсмоопасных районах, увеличение сложности технической инфраструктуры, процессы глобализации и разделения труда, насыщение техносферы потенциально опасными производствами (АЭС, высоконапорные плотины ГЭС, химзаводы, нефте- и газопроводы) приводят ко все большей уязвимости человеческой цивилизации для природных катастроф, среди которых особое место по разрушительности и наносимому ущербу занимают землетрясения. В связи с этим развитие методов и технологий мониторинга процессов, позволяющих прогнозировать природные катастрофические явления представляется крайне важным и актуальным. Более того по выражению член. корр. А.В. Николаева: «Проблемы прогноза землетрясений не просто актуальны. Они требуют решений» (Николаев А.В. Рецензия на статью И.Л. Гуфельда, М.И. Матвеевой, О.Н. Новоселова «Почему мы не можем осуществить прогноз сильных коровых землетрясений» // Геодинамика и тектонофизика, 2011, №4, с.416-417).
В настоящее время в России и за рубежом отсутствуют практически применимые системы краткосрочного прогноза основных событий при сильных землетрясениях. Краткосрочный прогноз реализуется в отдельных случаях только для афтершоков. В данном проекте впервые в Мире разработана на основе концепции сейсмотектогенеза технология мониторинга признаков подготовки землетрясений по данных наземно-космического мониторинга и экспериментальной сети, с автоматизированным сбором и обработкой данных для получения краткосрочных прогнозов о потенциальном месте, времени и магнитуде сильных землетрясений.
Описание исследования

Проект направлен на совершенствование приборной базы и разработку технологий для решения задачи краткосрочного прогноза землетрясения, являющейся одной из важнейших и одновременной труднейших задач современной геофизики. Основная идея проекта состоит в совершенствовании отдельных компонентов системы наземно-космического мониторинга, являющейся прямым следствием концепции сейсмотектогенеза, разработанной исполнителями проекта. Этот подход соответствует идее А.В. Николаева в программной работе «Черты геофизики XXI века» (в кн. Проблемы геофизики XXI века / Отв. А.В. Николаев.– М.: Наука, 2003.– 311 с.), который отдает приоритет эмпирическим данным  над теоретическими подходами и моделями, а также указывает на необходимость мониторинга взаимообусловленных предвестников землетрясений в различных геосферных оболочках.

 

Решение задач проекта выполнялось на основе междисциплинарного подхода в виде комплекса взаимосвязанных теоретических и экспериментальных исследований, а также инженерно-конструкторских работ:

– теоретическое исследование межгеосферных взаимодействий и физических процессов, лежащих в основе концепции сейсмотектогенеза и эмпирической схемы краткосрочного прогноза, на основе разработанных исполнителями оригинальных моделей и подходов;

– разработка конструкций и создание экспериментальных образцов лабораторного оборудования, учитывающего опыт эксплуатации предыдущих поколений приборов (широкополосный градиентометр уточненной конструкции, аппаратура для регистрации миграции протонов через геосреду);

– разработка и создание экспериментальной сети пунктов, работающих в круглосуточном автоматическом режиме без участия оператора;

– разработка методов анализа результатов измерений;

– разработка программных инструментов анализа данных с использованием ГИС-технологий;

– верификация разработанных методов в сейсмопрогнозных экспериментах с представлением в

установленном порядке разработанных прогнозов в Российский экспертный совет по оценке сейсмической опасности и риска (РЭС).

 

До начала выполнения проекта эмпирическая схема краткосрочного прогноза землетрясений не имела теоретического обоснования, так как были неясны физические процессы, лежащие в основе эмпирически наблюдаемых закономерностей. Для создания теоретических основ эмпирической схемы краткосрочного прогноза землетрясений использовались методы синтеза, обобщения и системного анализа, результаты применения которых проверялись сравнением с данными известных лабораторных экспериментов, а также численных экспериментов, полученных методом имитационного компьютерного моделирования. Применение указанного комплекса методов позволило создать и экспериментально обосновать теоретические основы эмпирической схемы краткосрочного прогноза землетрясений в виде обобщенной модели корового, промежуточного, глубокофокусного и медленного землетрясений и обосновать лежащий в ее основе принцип псевдоупругой отдачи среды, включающий в себя принцип упругой отдачи среды Г.Ф. Рейда как частный случай, что представляет собой потенциальную базисную основу для новой парадигмы сейсмического процесса.

При выборе оптимальных конструктивных и технологических решений при создании экспериментальных образцов разрабатываемых приборов использовались методы численного анализа соответствующих физико-математических моделей методом компьютерного моделирования.

При анализе экспериментальных данных (результатов измерений) использовались современные статистические методы: корреляционный, спектральный и вейвлет-анализ, а также анализ результатов измерений как многомерных временных рядов.

При создании ГИС-компонентов для решения задач сейсмопрогнозного мониторинга использовались методы структурного процедурного программирования и технологии объектно-ориентированного программирования.

Результаты исследования

Разработана и представлена двумя заявками на изобретение и тремя заявками на регистрацию программ для ЭВМ технология сейсмопрогнозного мониторинга признаков подготовки землетрясений на основе данных наземно-космического мониторинга и экспериментальной сети, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку данных для получения краткосрочных прогнозов о потенциальном месте, времени и магнитуде сильных землетрясений.

Уточнена концепция сейсмотектогенеза и разработано теоретическое обоснование эмпирической схемы краткосрочного прогноза землетрясений в виде обобщенной модели землетрясения, в которой горные породы в области подготовки землетрясения рассматриваются в виде частично аморфизированного, флюидо- и газонасыщенного композита, компонентом которого является упругое тело в виде сжатого газа, преимущественно водорода, находящегося в полостях матрицы композита. Схлопывание газовой полости вызывает деформацию матрицы, которая управляется упругим поведением сжатого газа. Данная деформация обусловливает псевдоупругую отдачу среды. Показано, что высвобождаемая при этом удельная энергия соответствует оценкам удельной энергии, накопленной в месте подготовки землетрясения. Получено эмпирическое уравнение для оценки содержания водорода в литосфере и мантии. Выполнено имитационное моделирование индуцирования при спокойном солнце и магнитной буре электрических токов в литосфере и верхней мантии, обусловливающих электролиз флюида. Предложен механизм формирования водородонаполнненых полостей с давлением газа, превышающем литостатическое. Имитационным моделирование обоснован процесс формирования облачных сейсмотектонических индикаторов, связанный с физико-химическими процессами, инициированными инфразвуковой акустической волной, генерируемой в области подготовки землетрясения. Получено дифференциальное уравнение сейсмического процесса в виде волны переключения схлопывающихся газовых полостей. Разработанная обобщенная модель землетрясения способна стать основой для новой парадигмы сейсмического процесса.

Созданы экспериментальные образцы (ЭО) усовершенствованных приборов: широкополосного градиентометра, аппаратуры для регистрации миграции протонов через геосреду.

Создан и запущен в опытную эксплуатацию ЭО сети комплексного геофизического мониторинга.

Созданы ЭО программного обеспечения (ПО) для решения задач сейсмопрогнозного мониторинга, обеспечения функционирование ЭО сети и используемого лабораторного оборудования, автоматизированного сбора и обработки данных:

– широкополосного градиентометра уточненной конструкции;

– ЭО аппаратуры для регистрации миграции протонов через геосреду;

– сбора данных с территориально разнесенной сети измерительных пунктов;

–  для анализа и обработки данных по миграции протонов через геосреду;

– для идентификации предвестников по данным экспериментальной сети;

–  для агрегирования данных по геомагнитным возмущениям;

– для анализа и обработки гетерогенных геофизических данных;

– сбора и агрегирования геофизических данных из открытых источников;

– базы данных по геомагнитным возмущениям,

а также специализированная ГИС-система в составе ЭО ПО для: сейсмопрогнозного мониторинга; анализа наземных и спутниковых данных; автоматизированного выделения облачных сейсмоиндуцированных структур на космоснимках.

Разработаны краткосрочные прогнозы ряда сейсмических событий 2014-2016гг., представленные в РЭС.

Практическая значимость исследования
Результаты выполнения проекта могут найти применение:
- в инновационных компаниях, осуществляющих разработку аппаратных и программных средств предупреждения о ЧС;
- в международной программе IGMASS (Международная аэрокосмическая система глобального мониторинга, МАКСМ), реализуемой в РФ по линии ОАО «Российские космические системы»;
- в деятельности национальных экспертных советов, осуществляющих поддержку принятия решений в области прогноза, предупреждения и минимизации последствий природных катастроф;
- в научно-технических подразделениях национальных компаний, осуществляющих масштабные инфраструктурные проекты.

Результаты проекта позволяют перейти к созданию региональной, а в дальнейшем национальной сети комплексного геофизического мониторинга, функционирующей на основе разработанных при выполнении проекта принципах, программных, конструкторских и технологических решений.

Созданные программно-аппаратные средства, реализующие технологию сейсмопрогнозного мониторинга признаков подготовки землетрясений на основе данных наземно-космического мониторинга и экспериментальной сети, обеспечивают основу для развития международного сотрудничества, в первую очередь, со станами БРИКС и Европейским союзом в области разработки национальных и международной систем сейсмопрогнозного мониторинга для краткосрочного прогноза сильных землетрясений.