Развитие малоапертурной сейсмической антенны "Михнево" для решения новых сейсмологических задач

В настоящей работе рассматриваются направления развития малоапертурной сейсмической группы "Михнево" для решения новых сейсмологических задач, в том числе корреляционного анализа в реальном масштабе времени. Описываются сейсморегистратор ССД-3, специально разработанный для работы в составе сейсмической группы, а также алгоритм работы новой автоматизированной системы сбора, обработки и представления информации от сейсмической группы "Михнево".

Кл. сл. : малоапертурная сейсмическая антенна, когерентная сейсмическая группа, Михнево, землетрясение, автоматизированная система, сейсморегистратор, регулируемый направленный прием, корреляционный анализ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАЗВИТИЯ           сверхслабых сейсмических событий и найти под-

Уникальная научная установка (УНУ) "Малоапертурная сейсмическая антенна "Михнево" была создана в Институте динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) с целью проведения сейсмологических исследований, использующих технологии когерентных сейсмических групп с малой апертурой. Как известно, основное отличие сейсмической группы от сейсмостанции с одним пунктом наблюдения заключается в повышении чувствительности благодаря улучшению отношения сигнал/шум, что в свою очередь достигается когерентным суммированием сигналов от группы сейсмоприемников методом регулируемого направленного приема (РНП).

Наша уникальная научная установка расположена в 80 км к югу от Москвы на территории одноименной геофизической обсерватории ИДГ РАН и занимает площадь 1 км2. Малоапертурная сейсмическая антенна (МСА) состоит из нескольких сейсмоприемников, расположенных на концентрических окружностях радиусами 130, 320 и 600 м. В состав УНУ также входит центр обработки данных, размещенный там же — в геофизической обсерватории "Михнево".

За время, прошедшее с момента создания малоапертурной сейсмической антенны "Михнево", достигнуты значительные результаты в области мониторинга и локации сейсмических событий на территории Восточно-Европейской платформы с нижним порогом регистрируемой магнитуды от 0.1.

Успешная эксплуатация УНУ на протяжении 12 лет позволила отработать методы обнаружения ходы к решению новых задач сейсмологического мониторинга, в том числе:

– корреляционное автоматическое обнаружение сверхслабых сейсмических событий из заранее созданного каталога эталонных волновых форм в реальном масштабе времени;

– автоматическое обнаружение и определение параметров сейсмических событий методом регулируемого направленного приема в реальном масштабе времени;

– разработка технологии создания автоматических постоянно действующих МСА, осуществляющих сейсмический контроль территорий вблизи ответственных объектов в реальном масштабе времени;

– детальное инструментальное исследование сейсмогенерирующих структур.

Развитие малоапертурной сейсмической антенны "Михнево" производится с целью создания автоматизированной системы, способной решать все вышеперечисленные задачи. Для достижения поставленной цели ведутся работы по следующим направлениям:

– увеличение количества сейсмоприемников с целью повышения чувствительности и разрешающей способности сейсмической антенны;

– установка новых сейсморегистраторов, разработанных в ИДГ РАН специально для совместной работы в составе МСА и обеспечивающих непрерывное поддержание высокой когерентности приема;

Технические характеристики сейсморегистратора ССД-3

Характеристика	Значение
Число каналов регистрации	3
Разрядность АЦП	24
Тип входа	Дифференциальный
Частота дискретизации, Гц	200
Число карт памяти	2
Напряжение питания, В	12
Потребляемая мощность, Вт	2.5

– разработка нового комплекса программного обеспечения приема, хранения и обработки информации, функционирующего в автоматическом и автоматизированном режимах в реальном масштабе времени и осуществляющего сохранение накопленных данных сейсмического мониторинга в международных форматах MiniSEED и CSS.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ СЕЙСМОРЕГИСТРАТОР ССД-3

Работа сейсмической антенны в режиме регулируемого направленного приема с высокой разрешающей способностью по азимуту предъявляет высокие требования к синхронизации сейсмических записей датчиков в группе в сочетании с точностью привязки времени в группе к всемирному координированному времени (Universal Time Coordinated, UTC). В ИДГ РАН был специально разработан сейсморегистратор ССД-3 для работы в составе сейсмической группы. К числу его отличительных особенностей можно отнести параллельную работу всех каналов аналого-цифрового преобразования и синхронную привязку начала серии отсчетов по всем каналам к ежесекундной метке точного времени [1]. Технические характеристики сейсморегистратора ССД-3 и его внешний вид показаны в таблице и на рис. 1. Связь с центром обработки данных в составе осуществляется по интерфейсу RS-485. Копия данных сохраняется в кольцевом буфере на базе двух карт памяти типа SD с возможностью горячей замены. Сейсморегистратор ССД-3 может быть использован не только в режиме непрерывной передачи данных в центр обработки данных, но в полностью автономном режиме — как в составе группы, так и самостоятельно.

Рис. 1. Сейсморегистратор ССД-3

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОТ МСА

Необходимо отдельно остановиться на таком направлении, как обнаружение сверхслабых сейсмических событий на основе корреляционного анализа [2]. Методика данного вида исследований предусматривает большой объем вычислений, что требует высокой степени автоматизации процессов сбора, обработки и представления информации, полученной от сейсморегистраторов. Для этого разрабатывается комплекс программного обеспечения, схема работы которого представлена на рис. 2. Алгоритм работы этого комплекса заключается в следующем.

• 1.    ПО непрерывного приема данных от сейсморегистраторов группы "Михнево" осуществляет прием потока и запись принятых данных на диск ЭВМ в виде файлов без какой-либо обработки, "как есть". В результате работы данного ПО образуются т. н. мультифайлы данных.

• 2.    Появление файлов записей в международных форматах MiniSEED и CSS сопровождается записью информации о них в Базу данных файлов записей (каталог с привязкой ко времени и каналам). Это необходимо для работы программного обеспечения сейсмической обработки, а также для эксплуатации системы.

• 3.    После того как файлы записей сформированы, осуществляется передача содержащихся в них данных по запросу с использованием ПО сервера

• 4.    Для корректного формирования файлов используется условно-постоянная информация из базы данных с характеристиками каждого датчика-велосиметра и сейсморегистратора, с географическими координатами (абсолютными и относительными по отношению к центру группы), с частотой дискретизации, с коэффициентами преобразования, с параметрами АЧХ датчика и т. д.

• 5.    После того как файлы записей сформированы, производится сейсмологическая обработка. В данном алгоритме представлены три возможные ветви: а) полностью автоматическая обработка

  

  Рис. 2. Схема обработки данных в автоматизированной системе МСА "Михнево"

  
  

• 6.    ПО автоматического F-K-анализа в скользящем временнóм окне запускается периодически с заданным интервалом (не чаще, чем раз в минуту) и осуществляет стандартную процедуру F-K-анализа над данными, содержащимися в файлах записей с использованием информации о местоположении датчиков из Базы данных с характеристиками станций группы "Михнево". Результатом работы является распределение энергии сигнала по азимуту и медленности. Предполагается использование существующих библиотек ПО, например, ObsPy [3–5].

• 7.    ПО автоматической ассоциации фаз и обнаружения событий и ПО автоматического определения параметров событий используют результаты F-K-анализа (координаты максимумов распределения энергии сигнала по азимуту и медленности) для ассоциации их с сейсмическими событиями, как P- и S-вступлений; для определения расстояния до события; определения азимута на событие; для определения координат события; возможно, для определения глубины по перебору годографов — и в итоге производится занесение информации о событии в базу данных событий. Предполагается использование существующих библиотек ПО, например, ObsPy [3–5].

• 8.    Периодически производится запуск ПО автоматического контроля качества данных, которое должно выявлять каналы с аномальными амплитудами и аномальным уровнем высокочастотных составляющих.

потокового вещания Seedlink — предполагается рассмотреть использование компонентов существующего ПО.

на базе F-K-анализа (базирующаяся на библиотеке ObsPy [3–5]); б) ручная обработка в ПО ручной обработки записей и определения параметров событий; в) ПО идентификации событий методом корреляции волновых форм.

ВЫВОДЫ

• 1.    Развитие аппаратного обеспечения МСА "Михнево" позволит существенно увеличить чувствительность системы и сделает ее по-настоящему уникальным научным инструментом, позволяющим проводить сейсмологические исследования сверхслабых событий в европейской части России.

• 2.    Развитие программного комплекса МСА "Михнево" сделает возможным полную автоматизацию сервисных функций, включая сохранение записей в форматах MiniSEED и CSS, признанных на международном уровне. Тем самым будет существенно облегчено взаимодействие с партнера-

• ми при выполнении международных исследований.

• 3.    Автоматизация функций обнаружения и определения параметров сейсмических событий откроет путь к отработке технологий построения отдельных сейсмических групп, контролирующих сейсмический режим вблизи ответственных объектов инфраструктуры и эксплуатируемых собственниками данных объектов.

• 4.    В результате проведения работ по развитию МСА "Михнево" будет создан аппаратнопрограммный комплекс мирового уровня, ориентированный на решение широкого круга сейсмологических задач.