Информационно-аналитическая система оценки сейсмического потенциала кайнозойских активных разломов Монголо-Байкальского региона

Для сейсмоактивных регионов решение проблем сейсмической безопасности является одной из важнейших задач социально-экономического развития. Учет и прогнозирование сейсмической активности позволяют минимизировать ее возможные последствия. Один из лучших способов снижения риска от землетрясений — избегать строительства и эксплуатации зданий и сооружений на сейсмоопасных территориях [1]. К сожалению, в настоящее время из-за социально-политических и экономических факторов зачастую необходимость освоения сейсмоопасных территорий является единственной альтернативой их устойчивого развития [2]. Результаты исследований сейсмической активности непосредственно отражаются на расчете сейсмостойкости зданий и сооружений [3]. В связи с этим актуальна задача изучения и создания математических моделей оценки сейсмической активности, а также их последующая реализация в виде сервисов распределенных информационно-аналитических систем. Первичные данные, являющиеся основой оценки сейсмической опасности, в большинстве случаев имеют различные источники происхождения. Это могут быть материалы исторического периода, инструментальные данные регистрирующих станций, наблюдения, полученные при проведении полевых работ и т. п. Как следствие, такая информация является гетерогенной, что обусловливает необходимость ее предобработки и организации средств для загрузки, хранения, предоставления пользовательских интерфейсов для доступа и обработки. В качестве операционного средства может использоваться информационно-аналитическая система, предполагающая наличие набора функций, обеспечивающих сбор, создание, преобразование, анализ данных и представление результатов в виде таблиц, графиков, тематических карт. Следует отметить, что для реализации таких инструментальных средств разработчики, с одной стороны, используют для программирования средства низкого уровня (различные языки программирования общего назначения и стандартные возможности СУБД), а с другой — создают сильно специализированные системы, тесно связанные с конкретным объектом автоматизации и ориентацией на определенные структуры данных. Первое приводит к существенному увеличению затрат на стадии создания, а второе вызывает большие издержки на модернизацию информационно-аналитической системы, в том числе касающиеся внедрения новых методов обработки данных. Это обусловливает значимость необходимости создания распределенной сервисно-ориентированной информационно-аналитической системы для оценки и районирования сейсмической опасности территории на основе стандартов Open Geospatial Consortium, методов пространственного анализа и комплекса взаимосвязанных математических моделей землетрясений и прогнозирования их последствий с применением современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры [4; 5].

1    Проблемы сейсмической безопасности Монголо-Байкальского региона

Значительная часть Монголо-Байкальского региона (МБР) расположена в высокосейсмичных областях Центрально-Азиатского складчатого пояса и подвержена частым и сильным землетрясениям, но особенно опасна в сейсмическом отношении западная половина Монголии [2; 6]. Только в ХХ в. на территории МБР произошло более 80 землетрясений с магнитудой M>5.5 (интенсивностью от 7 до 11–12 баллов). Среди них десятки землетрясений вызвали крупные нарушения земной поверхности, а сейсмические катастрофы (Болнайское, 1905, Фуюньское, 1931 и Гоби-Алтайское, 1957) сопровождались сейсмотектоническими деформациями протяженностью до нескольких сотен километров. Судя по сохранившимся следам древних землетрясений и летописным сведениям, подобные и, возможно, более грандиозные сейсмические события происходили здесь в прошлом. Ниже представлена информация о сейсмичности основных активных разломов, а также выполнено районирование литосферы Прибайкалья и Монголии [6] по энергии сейсмотектонического деформирования, проведены оценка и картирование сейсмического потенциала кайнозойских активных разломов.

Рис. 1. Карта эпицентров и изолиний логарифма сейсмического момента сильных землетрясений (энергии сейсмотектонического деформирования литосферы) Прибайкалья в инструментальный и исторический периоды

Анализ и сопоставление энергии сейсмотектонических деформаций литосферы Прибайкалья, определенной по данным о сильных землетрясениях с магнитудой M6 за период инструментальных наблюдений (1950– 2002 гг.), исторический период продолжительностью 210 лет и палео-сейсмогеологическим (ПСС-ПСД) материалам за последние две тысячи лет, подтверждают адекватность гипотезы стационарного сейсмического процесса (рис. 1, 2). На вставке А рис. 1 представлена гистограмма логарифма суммарного сейсмического момента. 1 и 2 — эпицентры сильных землетрясений исторического и инструментального периодов (число в маркере соответствует магнитуде события), 3 — озера, 4 — впадины, 5 — разломы, 6 — изолинии логарифма сейсмического момента.

На вставке рис. 2 дано 3D–представление поверхности логарифма сейсмического момента по сейсмологическим (А) и палеосейсмогеологи-ческим (Б) материалам [1]. 1 — ПСС–ПСД (число в маркере соответствует магнитуде), 2 — озера, 3 — впадины, 4 — разломы, 5 — изолинии логарифма сейсмического момента.

Близкое пространственное расположение максимумов выделенной за исследуемые интервалы времени энергии сейсмотектонических деформаций свидетельствует, что основные хрупкие разрушения литосферы происходили примерно в одних и тех же областях, которые можно соотнести с концентраторами напряжений. Изолинии повышенного уровня энергии проходят вдоль рифтовых структур, идентифицируя сейсмотектонические деформации литосферы региона в виде единой протяженной области энергетической разгрузки эндогенных геотектонических процессов – Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) [1].

Рис. 2. Карта-схема расположения ПСС-ПСД и изолиний логарифма сейсмического момента по палеосейсмогеологическим материалам

2    Построение карт энергии

Для территории Прибайкалья и Монголии собраны пространственновременные данные, позволяющие составить цифровые карты активных в кайнозое основных разломов с определением их количественных параметров, структурно-тектонической позиции, сейсмогеодинамики, сейсмогенерирующей значимости и т. д. [7] Под активными в кайнозое разломами понимаются разрывные нарушения с признаками тектонических движений в третичное, плейстоценовое и голоценовое (включая историческое) время. Эти разломы находят отражение на дневной поверхности в виде смещений молодых кайнозойских отложений и элементов рельефа, ограничений впадин и блоков фундамента, и линий, контролирующих выходы термоминеральных вод. Они подтверждаются геодезическими (данные о контрастных современных подвижках) и геофизическими (гравитационными, электромагнитными, магнитотеллурическими, газовыми, эманационными и др.) аномалиями, линейной упорядоченностью оро- и гидрографических элементов рельефа, приуроченностью кайнозойских вулканических образований, особыми вещественными изменениями (зоны дробления, дезинтеграции, остеклования, глинки трения, коккирити-зации и др.), проявлением на аэрокосмических снимках. Сейсмогенерирующая значимость разломов устанавливается по ряду признаков: возрасту последнего обновления, генетическим (кинематическим) типам, средней скорости неотектонических и современных движений и приуроченности к очагам сильных землетрясений [6].

3    Информационно-аналитическая система оценки сейсмической активности

Обобщение и анализ данных о сейсмической активности является трудоемким процессом. Он сопряжен с накоплением и обработкой большого объема пространственно-временных данных. Применение современных информационных технологий позволяет автоматизировать проведение исследований напряженно-деформированного состояния литосферы и определение размеров потенциального сейсмического очага. К тому же полученная информация может быть аккумулирована в базе данных и впоследствии, быть доступной для заинтересованных субъектов. Учитывая особенности формирования данных о сейсмической активности и их пространственный характер, представляется актуальным создание сервис-ориентированной информационно-аналитической системы (ИАС), реализуемой по геопортальному типу. Такая ИАС направлена на интеграцию разноформатных данных о мониторинге землетрясений и связанных с ними событиях, получаемых сейсмическими станциями, различными исследовательскими группами.

Исходные данные в большинстве случаев представлены в слабоструктурированном виде (электронные таблицы, файлы с разделителем и т. п.), в различных форматах, схемах, обладающих разным качеством [8; 9]. В связи с этим требуется проведение предварительного их анализа, очистки, в ряде случаев реконсиляции и трансформации в формат, обрабатываемый информационно-аналитической системой. Для загрузки, анализа данных и вывода результатов анализа в числовой и графической формах требуется создание и развитие сервисов, осуществляющих обозначенные функции. В проекте также проведены исследования, предоставляющие возможность проведения оценки и картирования сейсмического потенциала кайнозойских активных разломов региона.

Для наполнения базы данных ИАС тематической информацией, содержащей пространственные характеристики, были использованы сведения о землетрясениях, отраженные в каталогах землетрясений Монголии в период с 2010 по 2014 г. Данные являлись слабоструктурированными и были представлены в текстовом формате.

Ввиду разнородности и гетерогенности данных требуется привлечение методов их предобработки и набора сервиса для анализа и интеграции [10]. Изучением вопросов сейсмической активности занимается значительное количество исследователей, у которых есть свои методики, тематические базы данных и сервисы обработки. Это приводит к необходимости использования как локальных сервисов обработки данных, так и доступных на серверах пользователей в сети Интернет. При этом реализовано разграничение доступа к данным. Пользователь, являющейся владельцем данных, определяет, могут ли его тематические пространст- венно-временные данные или сервисы их обработки быть доступными другим пользователям.

Подобное архитектурное решение дало возможность гибкой настройки и потенциально неограниченного расширения функций путем добавления и регистрации различных сервисов. Рассмотрим некоторые из сервисов обработки данных, реализованные в ИАС.

• 3.1    Сервис очистки данных и геокодирования

  Для повышения качества пространственно-временных данных был создан сервис их очистки и перевода в структурированный вид. Для того чтобы привести слабоструктурированные данные в реляционный вид и перейти непосредственно к загрузке в интегрирующую базу данных, предложен оригинальный программный интерфейс сервиса загрузки, обеспечивающий возможность преобразования «плоских» таблиц в реляционную базу данных. В дальнейшем это значительно упростит возможность проведения операций над данными. Следует отметить, что очистка данных является актуальной задачей на протяжении последних десятилетий (J. Maletic, A. Marcus: Data Cleansing: Beyond Integrity Analysis, 2000; F. Ridzuan, Wan M. Nazmee, W. Zainon: A Review on Data Cleansing Methods for Big Data, 2019; A. Zaveri, A. Rula: Data Quality and Data Cleansing of Semantic Data. In Encyclopedia of Big Data Technologies, 2019). Методы очистки и трансформации данных, реализованные в сервисе, обеспечили перевод данных в реляционный вид. Для очистки текста применялись методы фонетического сравнения [11], а также нечеткого сравнения пользовательских строк с вхождениями классификаторов (справочников). Например, наименование горных пород, местности и т. п. Для очищенных пространственных данных была проведена процедура геокодирования, что обеспечило возможность их привязки к местности. Для геокодирования использовался API ресурса OpenStreetMap ( https://www.openstreetmap.org/ )

• 3.2    Загрузка данных

• 3.3    Сервисы как развитие унаследованного программного обеспечения

Данные сейсмического мониторинга, пройдя предобработку (приведение в канонический вид, очистку, нормализацию), загружаются в реляционную СУБД PostgreSQL, которая является основной СУБД прототипа информационно-аналитической системы. По одной таблице в формате CSV создается одна таблица в СУБД PostgreSQL. При этом имеется возможность связать значения полей со справочниками (классификаторами). Существует возможность связывания в автоматическом режиме, когда значения в поле и классификаторе полностью (с точностью до регистра) совпадают, также и в ручном режиме — когда связывание значений проводится пользователем. При загрузке данных пользователю предоставляется возможность указать их тип, формат. Впоследствии это упрощает дальнейшие операции. В целом представленные в рамках проекта методы извлечения и очистки неструктурированных данных являются развитием методов очистки данных, реализованных на предыдущем этапе проекта.

В развиваемом прототипе информационно-аналитической системы сервис загрузки данных кроме формата CSV поддерживает файлы различных ГИС форматов, поддерживаемых библиотекой GDAL/OGR. В пользовательском интерфейсе загрузки пользователь в системе может выбрать файл в системе хранения данных. Далее необходимо установить соответствие между атрибутами целевой и загружаемой таблиц с указанием функции обработки (нормализации) данных. Среди них выделим функцию Geocoding — используется для определения атрибута типа «Точка». На входе функции указывается атрибут, содержащий адрес. Для геокодирования применяется API сервиса OpenStreetMap.

В целом на основании данных каталога землетрясений была загружена информация о 1678 сейсмических событиях региона. Загруженные данные содержат такую информацию, как дата и время события, широта и долгота, глубина, магнитуда, азимут направления разрыва, погрешность, идентификатор станции.

Развиваемая ИАС имеет сервисно-ориентированную архитектуру, в рамках которой был создан и реализован в виде WPS-сервисов [12] комплекс взаимосвязанных моделей, позволяющих провести оценку напряженно-деформированного состояния земной коры, сейсмичности и анализ произошедших землетрясений. Модели позволяют проводить зонирование и прогнозировать вероятную сейсмическую опасность территорий Монголо-Байкальского региона. Создание сервисов велось в двух направлениях:

• 1)    разработка и использование существующих методов анализа данных землетрясений, зонирования, прогнозирования сейсмической опасности территорий в виде сервисов;

• 2)    разработка инфраструктурных функций, позволяющих упростить применение сервисов анализа данных.

• 3.4 Сервис публикации данных

Результатом многолетних исследований сейсмичности МБР является создание ряда вычислительных моделей [13; 14]. Для их разработки, как правило, использовался язык Fortran, поскольку он был популярен в научной среде начиная с 50-х гг. XX в., и используется по сей день. Однако текущая реализация информационно-аналитической системы подразумевает разработку сервисов на языке C++. Поэтому для автоматизации создания WPS-сервисов разработан оригинальный инструмент на основе транслятора f2c с языка Fortran в язык C++. Данный инструмент позволяет в полуавтоматическом режиме осуществлять трансляцию с языка Fortran в язык C++.

Исследование влияния среды распространения сейсмических сигналов на определение динамических параметров очагов землетрясений Байкальского региона показало, что существенное влияние на оценку динамических параметров оказывает выбор модели среды [13]. Значительное влияние на структуру энергетики сейсмичности оказывают локальные афтершоковые последовательности сильных землетрясений [14]. На основе усовершенствованных методов разработаны WPS-сервисы определения динамических параметров очагов землетрясений, в том числе и афтершоков. Основной особенностью сервисов является гибкость в выборе модели среды и затухания потока афтершоков .

Для исследования общего сейсмического районирования территории разработан web-сервис, обеспечивающий проведение анализа геологогеофизических особенностей природной обстановки, сочетающей в себе геологическое строение, рельеф, геодинамические факторы и сейсмичность [2]. Сервис позволяет проводить изучение и учет особенностей очаговой среды и физических процессов, происходящих в очаговых зонах землетрясений Монголо-Байкальского региона. Эти особенности связаны с геологическим строением, структурой, вещественным составом, напряженно-деформированным состоянием и скоростью деформации очаговой среды и обусловлены геодинамическими факторами и сейсмическим режимом [2].

Разработаны WPS-сервисы оценки влияния модели литосферы на динамические параметры колебаний грунта от землетрясений МонголоБайкальского региона с функциями пространственного анализа. Они позволяют проводить мониторинг и комплексный анализ сейсмотектонической обстановки для принятия решений по предотвращению и минимизации рисков в результате опасных сейсмогеологических процессов.

В рамках комплекса WPS-сервисов создан оригинальный сервис публикации данных и результатов анализа. Данный сервис используется для визуализации результатов анализа данных — отображения на карте. Сервис реализует публикацию растровых и векторных данных на основе стандарта WMS, что позволяет отображать картографическую информацию в рамках данной информационно-аналитической системы, и на других ресурсах и системах [15].

Реализованные сервисы помимо пользовательского имеют программ -ный интерфейс (API) и позволяют автоматически создавать WMS сервисы, регистрируя настройки доступа и метаинформацию в каталоге карт. Сервисы отображения карт являются одним из основных компонентов, реализуемой технологии сбора данных, анализа и отображения.

На вход сервису подаются следующие параметры: название карты, ключевые слова, авторы, имя таблицы или файла, стили отображения. Сервис разработан на основе открытой программной системы Mapserver.

Для ускорения отображения данных за счет кэширования карт в виде тайлов применяется Mapcache [15]. Mapserver проводит генерацию растровых изображений, используя специальный файл настроек (MAP), в котором прописываются настройки доступа к данным, используемые проекции, стили отображения данных и т. д.

Заключение

В результате работы был создан прототип информационноаналитической                                             системы

( ), позволяющий интегрировать данные о сейсмической активности, а также автоматизировать ряд работ для решения задач сейсмической безопасности, в частности, через построение карт энергий. ИАС имеет сервис-ориентированную архитектуру. При этом наряду с новыми, оригинальными сервисами были реализованы подходы, позволившие применить унаследованное программное обеспечение.