ОПЫТ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Излагается методика совместного анализа разнородных временных рядов систем геофизического мониторинга с целью выделения временных интервалов и характерных периодов всплесков их синхронного поведения. Методика основана на использовании Фурье‐агрегированных сигналов и спектральных мер когерентного поведения многомерных временных рядов, оцениваемых в скользящих временных окнах. В качестве примера рассматриваются данные подземных электрических наблюдений на станциях, расположенных на Камчатке, Алтае и Италии, совместно с показаниями крутильных маятников в Туле и временными рядами изменения параметров сейсмического шума на Японских островах для интервала наблюдений 2012–2015 гг. В результате анализа выделен ряд значимых всплесков когерентного поведения полей в рассмотренном ряду наблюдений, часть из которых предположительно связана с сильнейшим мантийным
Охотоморским землетрясением 24.05.2013 г. Когерентное поведение различных геофизических полей до и после сильных землетрясений интерпретируется как проявление общей закономерности увеличения синхронизации флуктуаций сложных систем при их приближении к резким изменениям своих свойств. 

1. Bobrovskiy V.S., 2011. The results of subterranean electric measurements on Kamchatka as global effects of proton tectogenesis: damaging earthquakes in Indonesia and China. In: P. Guarnieri (Ed.), Recent progress on earthquake geology. Nova Science Publishers, New York, p. 189–248.

2. Bobrovskiy V.S, Kuznetsov D.A., 2011. Cosmo-meteo-tectonics. Chapters 01–10, Cosmo-Meteo-Tectonics Distant School, Petropavlovsk-Kamchatsky, 294 p. VINITI Deponent No. 82-V2011, Feb. 2011 (in Russian) [Бобровский В.С., Кузнецов Д.А. «КосмоМетеоТектоника». Главы 01–10. Петропавловск-Камчатский: Дистантная школа «КосмоМетеоТектоника», 2011. 294 с. Деп. ВИНИТИ 24.02.2011 No82-В2011].

3. Brillinger D.R., 1975. Time Series. Data Analysis and Theory. Holt, Rinehart and Winston, Inc., N.Y., Chicago, San Francisco, 540 p. [Русский перевод: Бриллинджер Д. Временные ряды. Обработка данных и теория. М.: Мир, 1980. 536 с.].

4. Chebrov V.N., Kugaenko Yu.A., Vikulina S.A., Kravchenko N.M., Matveyenko E.A., Mityushkina S.V., Raevskaya A.A., Saltykov V.A., Chebrov D.V., Lander A.V., 2013. Deep Mw=8.3 Sea of Okhotsk Earthquake on May 24, 2013 – the largest event ever recorded near Kamchatka Peninsula for the whole period of regional seismic network operation (in Russian). Bulletin of Kamchatka Regional Association “Training and Research Center”, Series: Earth Sciences (1), 17–24 (in Russian) [Чебров В.Н., Кугаенко Ю.А., Викулина С.А., Кравченко Ю.А., Матвеенко Е.А., Матюшкина С.В., Раевская А.А., Салтыков В.А., Чебров Д.В., Ландер А.В. Глубокое Охотоморское землетрясение 24.05.2013 г. с магнитудой МW=8.3 – сильнейшее сейсмическое событие у берегов Камчатки за период детальных сейсмологических наблюдений // Вестник КРАУНЦ. Серия Науки о Земле. 2013. No 1. С. 17–24].

5. Cramer H., 1999. Mathematical Methods of Statistics. Princeton University Press, 575 p.

6. Feder J., 1988. Fractals. Plenum Press, New York, London, 284 p. [Русский перевод: Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.].

7. Gilmore R., 1981. Catastrophe Theory for Scientists and Engineers. John Wiley and Sons, Inc., New York, 666 p. [Русский перевод: Гилмор Р. Прикладная теория катастроф: в 2-х книгах. М.: Мир, 1984. Кн. 1, 350 с.; Кн. 2, 285 с.].

8. Hannan E.J., 1970. Multiple Time Series. John Wiley and Sons, Inc., New York, London, Sydney, Toronto, 540 p. [Русский перевод: Хеннан Э. Многомерные временные ряды. М.: Мир, 1974. 575 с.].

9. Huber P.J., 1981. Robust Statistics. John Wiley and Sons, New York, Chichester, Brisbane, Toronto, 380 p. [Русский перевод: Хьюбер П. Робастность в статистике. М.: Мир, 1984. 303 с.].

10. Kalinnikov I.I., Manukin A.B., Koneshov V.N., Matyunin V.P., Karagioz O.V., Vol’fson G.B., 2011. Investigation of variable gravitational gradients and specific features of the microseismic background with a torsion balance. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 47 (5), 456–463. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351311040033.

11. Kantelhardt J.W., Zschiegner S.A., Konscienly-Bunde E., Havlin S., Bunde A., Stanley H.E., 2002. Multifractal detrended fluctuation analysis of nonstationary time series. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 316 (1–4), 87–114. http://dx.doi.org/10.1016/S0378-4371(02)01383-3.

12. Kuznetsov D.A. 1991. Practice of short-term prediction of earthquakes: astro-, cosmo-geophysical impulses of Vernadsky-Vlasov-Vorobjev-Prigozhin on the vertical sequence of underground electrodes at PedInstitute fault at the magnetic meridian of Petropavlovsk-Kamchatsky. KGPI, Petropavlovsk-Kamchtasky, 9 p., VINITI Deponent No. 3256-V91, July 1991 (in Russian) [Кузнецов Д.А. Практика краткосрочного прогноза землетрясений: астро-космо-геофизические импульсы Вернадского-Власова-Воробьева-Пригожина на вертикальной последовательности подземных электродов в разломе «Пединститутский» на магнитном меридиане Петропавловска-Камчатского. Петропавловск-Камчатский: КГПИ, 1991. 9 с. Деп. в ВИНИТИ 30.07.91. No3256-В91].

13. Lyubushin A.A., 1998a. An aggregated signal of low-frequency geophysical monitoring systems. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 34 (3), 238–243.

14. Lyubushin A.A., 1998b. Analysis of low-frequency multidimensional time series for geophysical monitoring and earthquake prediction. Journal of Earthquake Prediction Research 7 (4), 496–509.

15. Lyubushin A.A., 1999. Analysis of multidimensional geophysical monitoring time series for earthquake prediction. Annali di Geofisica 42 (5), 927–937. http://dx.doi.org/10.4401/ag-3757.

16. Lyubushin A.A., 2007. Analysis of Geophysical and Ecological Monitoring Systems Data. Nauka, Moscow, 228 p. (in Russian) [Любушин А.А. Анализ данных систем геофизического и экологического мониторинга. М.: Наука, 2007. 228 с.].

17. Lyubushin A.A., 2009. Synchronization trends and rhythms of multifractal parameters of the field of low-frequency microseisms. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 45 (5), 381–394. http://dx.doi.org/10.1134/S10693513090 50024.

18. Lyubushin A.A., 2010a. The statistics of the time segments of low-frequency microseisms: trends and synchronization. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 46 (6), 544–554. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351310060091.

19. Lyubushin A.A., 2010b. Multifractal parameters of low-frequency microseisms. Chapter 15. In: V. de Rubeis, Z. Czechowski, R. Teisseyre (Eds.), Synchronization and Triggering: from Fracture to Earthquake Processes. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, p. 253–272.http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-12300-9_15.

20. Lyubushin A.A., 2010c. Synchronization of multifractal parameters of regional and global low-frequency microseisms. Geophysical Research Abstracts 12, EGU2010-696 (EGU General Assembly). Available from: http:// meetingorganizer.copernicus.org/EGU2010/EGU2010-696.pdf.

21. Lyubushin A.A., 2011a. Cluster analysis of low-frequency microseismic noise. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 47 (6), 488–495. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351311040057.

22. Lyubushin A.A., 2011b. Seismic catastrophe in Japan on March 11, 2011: Long-term prediction on the basis of low-frequency microseisms. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics 46 (8), 904–921 [Любушин А.А. Сейсмическая катастрофа в Японии 11 марта 2011 года. Долгосрочный прогноз по низкочастотным микросейсмам // Геофизические процессы и биосфера. 2011. Т. 10. No 1. С. 9–35]. http://dx.doi.org/10.1134/S00014 33811080056.

23. Lyubushin A., 2012. Prognostic properties of low-frequency seismic noise. Natural Science 4 (8A), 659–666. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2012.428087.

24. Lyubushin A., 2013. How soon would the next mega-earthquake occur in Japan? // Natural Science 5 (8A1), 1–7. http://dx.doi.org/10.4236/ns.2013.58A1001.

25. Lyubushin A.A., 2014a. Dynamic estimate of seismic danger based on multifractal properties of low-frequency seismic noise. Natural Hazards 70 (1), 471–483. http://dx.doi.org/10.1007/s11069-013-0823-7.

26. Lyubushin A.A., 2014b. Analysis of coherence in global seismic noise for 1997–2012. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 50 (3), 325–333. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351314030069.

27. Lyubushin A.A., 2015. Wavelet-based coherence measures of global seismic noise properties. Journal of Seismology 19 (2), 329–340. http://dx.doi.org/10.1007/s10950-014-9468-6.

28. Lyubushin A.A., Kopylova G.N., 2004. Multidimensional wavelet analysis of time series of electrotelluric observations in Kamchatka. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 40 (2), 163–175.

29. Mallat S., 1998. A wavelet tour of signal processing. Academic Press, San Diego, London, Boston, New York, Sydney, Tokyo, Toronto, 577 p. [Русский перевод: Малла С. Вэйвлеты в обработке сигналов. М.: Мир, 2005. 671 c.].

30. Marple S.L. (Jr.), 1987. Digital Spectral Analysis with Applications. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 492 p. [Русский перевод: Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.].

31. Martynov O.V., 2008. The natural catastrophes forecasting system concept and practical results obtained from nonlinear physics, mathematics and system data. Nelineinyi mir (Nonlinear World) 6 (10), 579–615 (in Russian) [Мартынов О.В. Концепция системы прогноза природных катастроф и практические результаты, полученные на основе аппарата нелинейной физики, математики и данных системы // Нелинейный мир. 2008. Т. 6. No 10. С. 579–615].

32. Martynov O.V., Semenov L.L., Kurotchenko S.P., Legkov A.V., Parshutin R.V., 2006b. System of reading, storage and information processing of four channel wideband gradiometer WBGM-4. Proceedings of Tula State University. Geodynamics, Physics, Mathematics, Thermodynamics, Geoecology Series (3), 68–77 (in Russian) [Мартынов О.В., Семенов Л.Л., Куротченко С.П., Легков А.В., Паршутин Р.В., 2006. Система считывания, хранения и обработки информации четырехканального широкополосного градиентометра ШГММ-4 // Известия Тульского государственного университета. Серия геодинамика, физика, математика, термодинамика, геоэкология. 2006. Вып. 3. С. 68–77].

33. Martynov O.V., Semenov L.L., Surkov A.V., Shopin S.A., 2006a. System of reading, storage and information processing of three channel wideband gradiometer. Proceedings of Tula State University. Geodynamics, Physics, Mathematics, Thermodynamics, Geoecology Series (3), 59–68 (in Russian) [Мартынов О.В., Семенов Л.Л., Сурков А.В., Шопин С.А. Система считывания, хранения и обработки информации трехканального широкополосного градиентометра // Известия Тульского государственного университета. Серия геодинамика, физика, математика, термодинамика, геоэкология. 2006. Вып. 3. С. 59–68].

34. Martynova M., Martynov O., 2006. Physico-mathematical base and monitoring system for the earthquake forecast (M>6), its place and time. In: Proceedings of First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (3–6 September 2006). Geneva, Switzerland, p. 3294–3300.

35. Nicolis G., Prigogine I., 1989. Exploring Complexity, an Introduction. W.H. Freedman and Co., New York, 328 p. [Русский перевод: Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир, 1990. 344 с.].

36. Shopin S.A., 2009. Instrumentation system for registration of ultra low frequency gravitational field disturbances. In: Proceedings of International Conference on Ecology, Energy, Economy Security in a Non Linear World (3ESecurity) (Belgrade, Serbia, 6–7 November 2009). Swiss Association "NON-LINEARITE, Geneva, p. 86–100. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.4757.6161.

37. Shopin S.A. 2014. Influence of microseisms and variations of atmospheric pressure on the instrumentation systems based on horizontal torsion balance. Proceedings of Tula State University. Natural Sciences 1 (1), 249–263 (in Russian) [Шопин С.А. Влияние микросейсм и вариаций атмосферного давления на измерительные системы на основе горизонтальных крутильных весов // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2014. Вып. 1. Ч. 1. С. 249–263].

38. Shopin S.A., 2015. On the works of O.V. Martynov on earthquake prediction. In: A.E. Fedorov (Ed.), Planet Earth System: 200 years of Holy Alliance. LENAND, Moscow, p. 102–120 (in Russian) [Шопин С.А. О работах О.В. Мартынова по прогнозу землетрясений // Система “Планета Земля”: 200 лет Священному союзу / Ред. А.Е. Федоров. М.: ЛЕНАНД, 2015. С. 102–120].

39. Sobolev G.A., 2015. Seismic Noise. Nauka i Obrazovanie, Moscow, 272 p. (in Russian) [Соболев Г.А. Сейсмический шум. М.: ООО «Наука и образование», 2014. 272 с.].

40. Sobolev G.А., Ponomarev V.А., 2003. Physics of Earthquakes and Precursors. Nauka, Moscow, 270. (in Russian) [Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.].

41. Taqqu M.S., 1988. Self-similar processes. In: Encyclopedia of statistical sciences, vol. 8. Wiley, New York, p. 352–357.

42. Uyeda S., Nagao T., Orihara Y., Yamaguchi T., Takahashi I., 2000. Geoelectric potential changes: Possible precursors to earthquakes in Japan. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97 (9), 4561–4566. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.97.9.4561.

43. Varotsos P., Alexopoulos K., Lazaridou M., 1993. Latest aspects of earthquake prediction in Greece based on seismic electric signals, II. Tectonophysics 224 (1–3), 1–37. http://dx.doi.org/10.1016/0040-1951(93)90055-O.