Название проекта: Научно-методические основы оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды по результатам электромагнитного мониторинга сейсмоактивных регионов

Руководитель проекта: ведущий сотрудник лаборатории глубинных магнитотеллурических исследований, к.г.-м.н. Баталева Елена Анатольевна

Краткий отчет по проекту № 17-05-00654 "Научно-методические основы оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды по результатам электромагнитного мониторинга сейсмоактивных регионов"

Роль и место современной геодинамики трудно переоценить в области фундаментальных исследований наук о Земле, но ее вклад в решение практических задач более важен. Важнейшим практическим значением изучения геодинамических процессов является решение задач прогноза, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера, мониторинга окружающей среды. Экспериментальное изучение геодинамических процессов, играющих основную роль в формировании напряженно-деформированного состояния геологической среды, представляет собой сложную научную проблему. Чем обусловлена необходимость совершенствования подходов, методик и технологий исследования геодинамических процессов, на основе меняющихся во времени геофизических параметров. Наиболее яркие вариации геофизических полей, отражающие проявления геодинамических процессов, тяготеют к активным тектоническим нарушениям и непосредственно прилегающим к ним зонам динамического влияния разломов. В связи с чем подавляющее большинство пунктов электромагнитного мониторинга приурочено к разломным структурам, где измерение временных вариаций электромагнитных полей, полей упругих колебаний и т.д. дает количественную оценку напряженно-деформированного состояния геологической среды. Исследование взаимосвязи между геодинамическими процессами и вариациями геофизических полей различного происхождения имеет важнейшее значение при решении фундаментальных и прикладных проблем геофизики.

С использованием оригинальных авторских методических подходов были проведены экспериментальные исследования геодинамических процессов в тензочувствительных пунктах электромагнитного мониторинга. При реализации проекта были разработаны и апробированы новые способы обработки и анализа данных электромагнитного мониторинга. Оригинальное программное обеспечение, реализующее изложенный подход, защищено свидетельствами. Для верификации и обоснования строения сложно-построенных участков проведено трехмерное моделирование экспериментальных полигонов Северного Тянь-Шаня и Горного Алтая. Верифицирована модель разломной зоны в южной части участка Мухор-Тархата с использованием программы ImpSound3D трехмерного моделирования методом ЗС: уточнены размеры выделенных блоков, их сдвиг по сместителям разломов. Поверхность опорного горизонта стартовой модели наглядно иллюстрирует сложную внутреннюю структуру разломной зоны, существенные перепады высот между выделенными блоками (Рис. 1).

Рис 1.Поверхность опорного горизонта стартовой модели для трехмерного моделирования методом ЗС

Построены двумерные геоэлектрические модели по данным режимных пунктов глубинных магнитотеллурических зондирований и дана характеристика глубинного распределения электропроводности и гипоцентров сейсмических событий вдоль трех профилей Центрального Тянь-Шаня. Анализ распределения гипоцентров землетрясений относительно границ объектов геоэлектрических моделей (Рис. 2) с различной электропроводностью показывает, что преимущественно они приурочены к зонам повышенных градиентов. Обращает внимание распределение гипоцентров сейсмических событий в течение последних пяти лет – вблизи 10 километровой границы. Факт приуроченности землетрясений к границам блоков с разными физическими свойствами в земной коре хорошо согласуется с существующим представлением о разрядке упругих напряжений при скачкообразном изменении физических свойств геологической среды.

Рисунок 2. Распределение сейсмичности по каталогу KNET за 2015-2019 гг. К<8 вдоль меридиана 74.30°

Выполнена интерпретация полученных полевых данных и анализ построенных временных рядов вариаций электромагнитных параметров. Выявлена взаимосвязь интенсивности вариаций геоэлектрических параметров с особенностями геологического строения. Установлен ряд закономерностей в отклике геофизических полей на геодинамическую активизацию сейсмоактивных регионов Северного Тянь-Шаня и Горного Алтая.

Рисунок 3. Результат сопоставления а)лунно-солнечных приливов, б)кросс-корреляционной функции и в)частотно-временных рядов на стационарном пункте Чон-Курчак 12.10.2018-30.10.2018. Номерами зеленого цвета отмечены землетрясения, вертикальными линиями показаны моменты сейсмических событий

Анализ обнаруженных закономерностей дает основание рекомендовать разработанные методические подходы для практического применения как инструмента повышения надежности, информативности и эффективности электромагнитного мониторинга.

Проведенные исследования позволяют обозначить перспективы дальнейшего совершенствования комплексных исследований по изучению геодинамических явлений природного характера.

Список публикаций за 2019 год 

Статьи

Bataleva E.A., Rybin A.K., Matiukov V.E. System for collecting, processing, visualization and storage of the MT-monitoring data // Data. – 2019. – Vol.4. – № 99 https://www.mdpi.com/2306-5729/4/3/99

Nevedrova N.N., Sanchaa A.M., Shalaginov A.E., Babushkin S.M.  Electromagnetic monitoring in the region of seismic activization (on the Gorny Altai (Russia) example)   // Geodesy and Geodynamics. – 2019. – Т. 10. – № 6. – С. 460-470 https://doi.org/10.1016/j.geog.2019.06.001

Санчаа А.М., Неведрова Н.Н., Пономарев П.В.  Блоковое строение южной части Курайской впадины Горного Алтая по данным геоэлектрики в сопоставлении с распределением эпицентров землетрясений [Электронный ресурс]   // Geodynamics and Tectonophysics = Геодинамика и тектонофизика: Электронный журнал. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 167-180 DOI: 10.5800/GT-2019-10-1-0409

Баталев В.Ю., Баталева Е.А., Матюков В.Е., Рыбин А.К. Изучение необратимых деформаций в литосфере Тянь-Шаня по магнитотеллурическим данным (методологический аспект) // Вестник КРАУНЦ. – 2019. Вып.42. – №.2. – С.42-56. DOI: 10.31431/1816-5524-2019-2-42-42-56

Матюков В.Е., Баталева Е.А., Непеина К.С.  О новых возможностях в изучении необратимых деформаций литосферы Тянь-Шаня // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. – 2019. – Том 6. – №1. – С.189-195. DOI: 10.15372/FPVGN2019060132

Материалы

Bataleva Е.А. Processing, analysis and interpretation of time-frequency series for magnetotelluric monitoring // IOP Conference Series Earth and Environmental Science 350:012053 doi:10.1088/1755-1315/350/1/012053 (6 стр)

Bataleva E.A. On the question of the relationship of variations of geophysical fields, lunar-solar tidal effects and seismic events // X Anniversary International Conference «Solar-Terrestrial Relations and Physics of Earthquake Precursors», October 1-5, 2019, Paratunka, Kamchatka DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912702019 (05 November 2019 Volume 127 (2019) E3S Web Conf., 127 (2019) 02019 (8 стр.)

Непеина К.С. Изучение деформационных процессов на территории БГП // Материалы на молодежной тектонофизической школы Современная тектонофизика. Методы и результаты. С.175-179.

Баталева Е.А., Матюков В.Е. Глубинное строение Байтикской впадины (Северный Тянь-Шань) // Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Девятые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Материалы конференции. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2019. С.24-28.

Баталева Е.А., Мухамадеева В.А. Разломные структуры, зоны трещиноватости и распределение сейсмичности для территории Северного Тянь-Шаня // Глубинное строение, геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Девятые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. Материалы конференции. Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2019. С.29-34.

Nevedrova N., Babushkin S., Sanchaa A., Shaparenko I., Shalaginov A. Geoelectrical Models of Fault Zones in the Gorny Altai Region // Trigger Effects in Geosystems: The 5th International Conference, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. – 2019. – С. 135-144

Nevedrova N., Shalaginov A. Optimal Methods and Parameters of Electromagnetic Monitoring in Seismically Active Areas // Trigger Effects in Geosystems: The 5th International Conference, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. – 2019. – С. 115-123

Шалагинов А.Е. Электромагнитный мониторинг в центральной части Чуйской впадины Горного Алтая // Геодинамика. Геомеханика и геофизика: Материалы девятнадцатой Всероссийской конференции (стационар "Денисова пещера", Россия, Алтайский край, п. Солонешное, 22-28 июля 2019 г.). – 2019. – С. 208-209

РИДы

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019618606 «Программа разделения электромагнитного поля по положению источников по данным магнитотеллурических зондирований» Авторы: Александров П.Н., Баталева Е.А. Дата госрегистрации в реестре программ для ЭВМ 02 июля 2019 г.

Список публикаций за 2018 год

Баталева Е.А., Мухамадеева В.А. Комплексный электромагнитный мониторинг геодинамических процессов Северного Тянь-Шаня (Бишкекский геодинамический полигон) // Geodynamics & Tectonophysics. 2018. Т, 9. №2. С.461-487.

Шалагинов А.Е., Неведрова Н.Н., Шапаренко И.О. Вариации электрофизических параметров по данным электромагнитного мониторинга как индикатор активности разломных зон // Geodynamics and Tectonophysics. 2018. Т. 9. № 1. С. 93-107.

Рыбин А.К., Баталева Е.А., Матюков В.Е. Детализация геоэлектрической структуры зоны сочленения Чуйской впадины и Киргизского хребта (миниполигон Кентор) // Вестник КРСУ. 2018. Т.18, №12.

Баталева Е.А. Вариации электромагнитных параметров и сейсмическая активность на территории Бишкекского геодинамического полигона // Материалы докладов Седьмого международного симпозиума «Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (19-24 июня 2017 г., г. Бишкек). Бишкек: НС РАН, 2018. С.353-359.

Баталева Е.А., Баталев В.Ю. Анизотропия электропроводности сейсмически активных регионов (на основе результатов магнитотеллурического мониторинга) // Материалы докладов Седьмого международного симпозиума «Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (19-24 июня 2017 г., г. Бишкек). Бишкек: НС РАН, 2018. С.346-352.

Шалагинов А.Е., Неведрова Н.Н. Определение тензочувствительных элементов геологического разреза по данным электромагнитного мониторинга в районе Горного Алтая на основе решения обратных задач // Материалы докладов Седьмого международного симпозиума «Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (19-24 июня 2017 г., г. Бишкек). Бишкек: НС РАН, 2018. С.439-443.

Шапаренко И.О., Неведрова Н.Н. Мониторинг разломных зон методом электротомографии (на примере Горного Алтая) // Материалы докладов Седьмого международного симпозиума «Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов» (19-24 июня 2017 г., г. Бишкек). Бишкек: НС РАН, 2018. С.432-438.

Шалагинов А.Е., Неведрова Н.Н. Методика проведения регулярных электромагнитных наблюдений с контролируемым источником в Чуйской впадине Горного Алтая // Воздействие внешних полей на сейсмический режим и мониторинг их проявлений: Международная юбилейная научная конференция (г. Бишкек, 3 - 7 июля 2018 г.): Тезисы докладов. 2018. С. 110-111.

Баталева Е.А. Анализ данных магнитотеллурического мониторинга геодинамических процессов (Бишкекский геодинамический полигон) // Тезисы докладов международной юбилейной конференции "Воздействие внешних полей на сейсмический режим и мониторинг их проявлений", посвященной 40-летию со дня образования Научной станции РАН в г. Бишкеке Бишкек. 2018. С.147-148.

Краткий научный отчет по проекту РФФИ 17-05-00654 за 2018г.

Целью проекта является развитие научно-методических основ оценки напряженно-деформированного состояния земной коры и ее анизотропных характеристик. В продолжение работ проекта выполнены полевые исследования в Чуйской и Нарынской областях Центрального Тянь-Шаня, в результате которых получены новые экспериментальные геофизические данные. Проведены очередные циклы профильного магнитотеллурического мониторинга в зоне сочленения Киргизского хребта и Байтикской впадины (миниполигон Кентор). Для анализа и интерпретации были использованы как передовые российские методики и технологии обработки и анализа данных электромагнитного мониторинга, так и их широко признанные мировые аналоги, а также программное обеспечение, разработанное в Научной станции и ИНГГ СО РАН, которое протестировано и апробировано на большом объеме экспериментальных данных, и ориентированно в основном на оптимизацию и способы визуальной интерпретации результатов электромагнитного эксперимента. Впервые построены профильные геоэлектрические модели земной коры для мониторинговой сети ГМТЗ и проведена геолого-тектоническая интерпретация этих геоэлектрических построений. Исследовано поведение анизотропии электропроводности верхней части земной коры миниполигона Кентор с помощью методики представления результатов корреляционного анализа данных МТ-мониторинга в системе полярных координат и режимных пунктов МТ-мониторинга Кочкорской впадины (Северный Тянь-Шань). Продолжено опробование методики измерений методом электротомографии для определения параметра электрической анизотропии приповерхностных отложений экспериментального полигона (Горный Алтай). На основе анализа результатов электромагнитного мониторинга выявлены закономерности в поведении вариаций электрического сопротивления и коэффициента анизотропии (экспериментальный полигон Мухор-Тархата, Горный Алтай). Выполнена интерпретация полевых данных всех модификаций ЗС за 2007-2017 гг. с целью исследования пространственного и временного распределении геоэлектрических параметров (Горный Алтай). На основе анализа многолетних полевых данных электромагнитного мониторинга методами зондирования становлением (ЗС), вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), электротомографии, полученных в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения 2003 г с длительным афтершоковым периодом, предложены и обоснованы методики измерений и интерпретации для определения геоэлектрических параметров, в том числе и анизотропных, и их вариаций. Выполнено численное моделирование «чувствительности» кажущегося сопротивления при изменении удельного сопротивления в различных блоках геоэлектрического разреза миниполигона Кентор (рис.1) (Северный Тянь-Шань) с целью выяснения их вклада в наблюдаемые вариации кажущегося сопротивления. Впервые для разработки объёмной геоэлектрической модели по результатам совместной инверсии магнитотеллурических и магнитовариационных данных для территории Бишкекского прогностического полигона (миниполигон Кентор) построена 3D ячеистая модель распределения сопротивления для Байтикской впадины (миниполигона Кентор), которая является основой для решения трехмерной прямой задачи исследуемой территории. Новые экспериментальные данные существенно дополнили существующую базу данных сейсмоэлектромагнитного мониторинга НС РАН.

Краткий научный отчет по проекту РФФИ 17-05-00654 за 2017г.

файл(pdf)

Название проекта: Научно-методические основы оценки напряженно-деформированного состояния геологической среды по результатам электромагнитного мониторинга сейсмоактивных регионов

Руководитель проекта: Баталева Елена Анатольевна

Наиболее перспективным при организации мониторинга геодинамических процессов является применение электромагнитных методов зондирования, обеспечивающих эффективную организацию наблюдений за изменениями физических свойств литосферы Земли благодаря их высокой технологичности. Настоящий проект направлен на развитие научно-методических основ оценки напряженно-деформированного состояния земной коры и ее анизотропных характеристик. Для анализа и интерпретации были использованы как передовые российские методики и технологии обработки и анализа данных электромагнитного мониторинга, так и их широко признанные мировые аналоги, а также программное обеспечение, разработанное в Научной станции и ИНГГ СО РАН, которое протестировано и апробировано на большом объеме экспериментальных данных, и ориентированно в основном на оптимизацию и способы визуальной интерпретации результатов электромагнитного эксперимента.

1) Проведен детальный ретроспективный анализ данных МТ-мониторинга за 2007 гг. и 2016 гг. с целью определения взаимосвязи изменчивости электромагнитных параметров и распределения сейсмичности (глубина гипоцентров землетрясений и их положение относительно пунктов мониторинга).

2) Установлена зависимость между местоположением группы сейсмических событий и вариациями электромагнитных (ЭМ) параметров и подтверждён факт приуроченности сейсмических событий к участкам с высокими градиентами вариаций в частотно-временных рядах (ЧВР), наибольший отклик в ЧВР вариаций электромагнитных параметров оставляют сейсмические события, произошедшие под углами 35-65º по отношению к пункту наблюдения, наименьший – субширотно.

3) Показано, что ЧВР фаз импеданса менее информативны по сравнению с другими электромагнитными параметрами, что может быть связано с существованием не только механизма перераспределения флюидов в системе трещин, но и с «емкостной» моделью.

4) Выполнена оценка интервалов периодов МТ-зондирования (эффективных глубин), в которых наблюдаются наиболее интенсивные вариации ЭМ-параметров, т.е. наиболее ярко проявляются деформационные процессы и сопоставление результатов с данными электромагнитного мониторинга Горного Алтая

5) Определены геоэлектрические характеристики земной коры для пунктов профильного МТ-мониторинга на основе построенных двумерных геоэлектрических моделей по данным профильных наблюдений МТЗ с использованием алгоритмов 2D-инверсии Rodi – Mackie (мини-полигон Кентор).

6) Построены корреляционные функции (полярные диаграммы) для вариаций ЭМ-параметров с компонентами лунно-солнечных приливных воздействий, как критерия выбора тензочувствительных индикаторных точек в существующей системе профильных МТ-наблюдений Тянь-Шаня для организации там пунктов повторных (мониторинговых) измерений.

7) Получен большой объем новых геофизических данных и новые представления о физической природе взаимосвязи вариаций электропроводности и современных геодинамических процессов, протекающих в земной коре сейсмоактивных регионов.

8) Впервые для Центрального профиля (миниполигон Кентор) даны оценки значений горизонтального магнитного тензора, что приближает к созданию объемной геоэлектрической модели миниполигона Кентор, интерпретации геодинамических процессов и получению новых сведений о флюидном режиме и реологии земной коры на этом участке Бишкекского прогностического полигона, служащего основным полигоном изучения геоэлектрического строения областей активного горообразования (на примере Тянь-Шаня).