авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Изучение геодинамических процессовна основе моделирования геодезических и гравитационных параметров

-- [ Страница 1 ] --

УДК 551.2+528.9:004+519.876.5 На правах рукописи

МАЗУРОВ Борис Тимофеевич

Изучение геодинамических процессов
на основе моделирования
геодезических и гравитационных параметров

25.00.32 – «Геодезия»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Новосибирск - 2007

Работа выполнена в Сибирской Государственной Геодезической Академии.

Научные консультанты – доктор технических наук, профессор
доктор технических наук Каленицкий Анатолий Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колмогоров Вячеслав Георгиевич
доктор технических наук, профессор Мазурова Елена Михайловна;
доктор физико-математических наук Тимофеев Владимир Юрьевич.
Ведущая организация – Институт горного дела СО РАН

Защита диссертации состоится « 06 » ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного,10, СГГА, ауд.403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан « » ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Середович В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Для многих наук о Земле (геологии, геофизики, геодезии, горной механики и других) общепризнанна актуальность проблем «Геодинамика» и «Современные движения земной коры». Важная роль в решении указанных проблем принадлежит геодезии. Методами геодезии и гравиметрии изучаются изменения во времени параметров гравитационного поля и фигуры Земли, ее поверхности, а при изучении глубинных геодинамических процессов большое значение имеет не только геодезическая гравиметрия, но и прикладная, в том числе, разведочная.

Информация о движениях и напряженно-деформированном состоянии (НДС) земной поверхности и земной коры, обусловленных эндогенными и экзогенными факторами, является важнейшей в аспекте прогноза катастрофических геодинамических явлений (землетрясений, извержений вулканов, оползней, сходов ледников, горных ударов и проседания грунтов в области разработки полезных ископаемых и т.п.). Аномальные техногенные геодинамические процессы вызывают горизонтальные сдвиги земной коры, разломообразование, подземные аварии, наводнения; при этом страдают не только промышленные объекты, инженерные конструкции, жилые здания, но и население.

Исследования по изучению геодинамических процессов соответствуют приоритетным направлениям развития науки и техники РФ, в частности, направлению «Экология и рациональное природопользование», имеют научное и практическое значение. Научное значение таких исследований заключается в получении новых знаний о Земле, ее строении, эволюции, разнообразных физических полях (гравитационных, магнитных и др.), пространственно-временной структуре физической поверхности. Важнейшим практическим значением изучения геодинамических процессов является решение задач прогноза, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера, мониторинга окружающей среды. Эти задачи включены в перечень критических технологий РФ.

Степень разработанности проблемы. Геодезия как наука в приложении к геодинамическим исследованиям была востребована всегда, и в настоящее время активно и успешно развивается. Весомый вклад в решение задач изучения геодинамических объектов и процессов по геодезическим и гравиметрическим данным внесли ученые: Бровар В.В., Бузук В.В., Буланже Ю.Д., Васильев Е.А., Вовк И.Г., Герасименко М.Д., Герасимов И.П., Гольдин С.В., Гуляев Ю.П., Еремеев В.Ф., Есиков Н.П., Каленицкий А.И., Канушин В.Ф., Каратаев Г.И., Кафтан В.И., Колмогоров В.Г., Колмогорова П.П., Кузьмин Ю.О., Курленя М.В., Изотов А.А., Леонтьев А.В., Мазурова Е.М., Машимов М.М., Мещеряков Ю.А., Молоденский М.С., Опарин В.Н., Панкрушин В.К., Пеллинен Л.П., Серебрякова Л.И., Сидоров В.А., Страхов В.Н., Татевян С.К., Тимофеев В.Ю., Фотиади Э.Э., Юркина М.И. и др.

Вместе с тем, повышается необходимость совершенствования теоретических положений и методов, методик, алгоритмов и технологий изучения геодинамических процессов на основе моделирования меняющихся во времени геодезических (смещения, закономерности движений, поля деформаций) и гравитационных (аномальные массы, их расположение, закономерности изменения масс) параметров. При этом возникает потребность в строгом подходе к совместной математической обработке разнородных геодезических и геофизических наблюдений на земной поверхности (обратная задача геофизики). Важной является разработка новых технологических решений по информативной и наглядной визуализации результатов математической обработки.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось развитие теории, разработка методики и новых технологических решений математического моделирования меняющихся во времени геодезических и гравитационных параметров (информативных характеристик и признаков), отражающих специфику геодинамических объектов и процессов.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  1. Обоснована теоретически и подтверждена экспериментально необходимость системного подхода к математической обработке результатов геодезических и гравиметрических измерений.
  2. Разработана методика настройки дополнительных параметров (коэффициентов моделей) геодинамических процессов и объектов, сил внешних воздействий по критерию оптимальности – минимуму суммы дисперсий оценок величин, определяемых в ходе математической обработки.
  3. Выполнена реализация теории и методики в виде алгоритмов и программного обеспечения математической обработки и интерпретации геодезических и гравиметрических данных, визуализации результатов.

Объектом исследований являлись сложные природно-технические системы, процессы их изменений под воздействием природных и техногенных факторов.

Предметом исследований являлись методы моделирования меняющихся во времени геодезических и гравитационных характеристик (признаков) геодинамических процессов.

Методологическая и теоретическая основа исследований базировалась на системно-структурном подходе и системном анализе, математической теории и математических методах изучения динамических систем, теории математической обработки и интерпретации результатов геодезических наблюдений, теории рекуррентной фильтрации, теории упругости, теории фигуры Земли.

Фактический материал и методы исследования. Использовались метод конечных элементов, параметрические и непараметрические методы структурного моделирования, методы статистики и теории погрешностей, метод статистического моделирования на ЭВМ, результаты натурных геодезических измерений.

Для решения поставленных в диссертации задач и проведения вычислительных экспериментов применялись современные вычислительные средства и программное обеспечение. Моделирование геодинамических объектов, пространственно-временных рядов геодезических и гравиметрических наблюдений, их статистический анализ и математическая обработка, наглядное представление результатов вычислительных экспериментов выполнялись по авторским программам в средах программирования Delphi и Matlab, а так же с использованием специализированных пакетов прикладных программ.

Для проверки теоретических положений, алгоритмов, программного обеспечения использовались смоделированные автором данные, а также фактические результаты натурных геодезических наблюдений на территории Горно-Алтайского геодинамического полигона (до Чуйского землетрясения 2003 года и после - в 2004 году).

При выполнении поискового этапа исследований использовались материалы натурных геодезических наблюдений, в которых принимал лично участие автор диссертации:

- на геодинамических полигонах (ГДП) по изучению вулканизма и прогнозу землетрясений: Авачинском, Карымском, Петропавловск-Камчатском (п-ов Камчатка, 1990 г);

- на техногенных ГДП: Зейском (Амурская область, 1991 г., район плотины Зейской ГЭС), Губкинском (Ямало-Ненецкая автономная область, 2000 г., район добычи нефти и газа);

- по линии высокоточного нивелирования 1 класса Кызыл-Кош-Агач 1976-1978 годов и 2002-2005 годов (полевые работы Верхне-Енисейского Аэрогеодезического предприятия);

- на промышленных объектах нефтегазового комплекса (диагностика напряженно-деформированного состояния крупногабаритных металлоконструкций геодезическими методами): гг. Пермь, Нижневартовск, Омск, Стрежевой, Ангарск, Анжеро-Судженск, Нижнеудинск, Абакан, Усть-Илимск, Усть-Кут, Хатанга и др.

Информационная база исследования. Использованы данные из научных книг, статей, материалов научного конгресса «Гео-Сибирь», научно-технических конференций СГГА, МИИГАиК, Львовского политехнического института, ИГД СО РАН, FIG (Federation Internationale des Geometres), НГУ, межведомственных совещаний по проблемам изучения современных движений земной коры, интернет-источники.

Защищаемые положения.

  1. Применение полученных в диссертации уравнений наблюдений, комплексная математическая обработка результатов геодезических и гравиметрических измерений с включением в состав оцениваемого вектора параметров переменных масс геодинамического объекта расширяет возможности поиска решений обратных некорректных задач геофизики.
  2. Предлагаемая методика настройки по критерию оптимальности (минимуму обобщенной дисперсии оценок определяемых величин) позволяет объективно и уверенно определять дополнительные геодезические и гравитационные параметры (коэффициенты) моделей геодинамических процессов.
  3. Разработанные новые технологические решения и их программная реализация обеспечивают выполнение оперативной комплексной математической обработки и пространственно-временной интерпретации больших массивов геодезических и гравиметрических наблюдений. При этом достигается более наглядная и информативная, чем раньше, визуализация полей смещений и деформаций по дискретным данным о движениях пунктов, появляются новые возможности для оперативного решения задач прогноза, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера.

Научная новизна исследований.

1. Выведены уравнения наблюдений для обеспечения комплексной математической обработки результатов геодезических и гравиметрических измерений с включением в состав оцениваемого вектора переменных масс геодинамических объектов.

2. Разработана методика настройки дополнительных геодезических и гравитационных параметров (коэффициентов) моделей геодинамических процессов и объектов по критерию оптимальности - минимуму обобщенной дисперсии оценок определяемых величин.

3. Разработаны технологические решения и соответствующие им алгоритмы и программное обеспечение решения по совместной математической обработке и пространственно-временной интерпретации больших массивов геодезических и гравиметрических наблюдений, наглядной визуализации результатов.

Теоретическая значимость работы

Расширена тематика и область применения геодезии и гравиметрии в геодинамических исследованиях при решении обратных задач геофизики. Усовершенствованы методы математического моделирования геодинамических объектов и процессов по результатам геодезических и гравиметрических наблюдений.

Исследования проведены в соответствии с планом госбюджетных фундаментальных научно-исследовательских работ, выполняемых по заданию Министерства образования и науки РФ. Темы НИР:

- «Теория и методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния земной коры по комплексным геодезическим и геофизическим наблюдениям в аспекте снижения риска геодинамических катастроф» (с 1.01.2004 по 31.12.2006);

- «Исследование сложных самоорганизующихся объектов и информационных систем геодезии» (с 1.01.2001 по 31.12.2005);

- «Исследование и разработка теории и методов идентификации движений и напряженно-деформированного состояния геодинамических систем по разнородным геодезическим и геофизическим наблюдениям» (с 1.01.2007).

При проведении исследований осуществлялось активное сотрудничество с академическими научными институтами СО РАН (Институт горного дела, Институт нефтегазовой геологии и геофизики, Институт вычислительной математики и математической геофизики и др.) в рамках выполнения совместных проектов:

- междисциплинарный интеграционный проект фундаментальных исследований № 93 «Разработка методов и создание систем сейсмодеформационного мониторинга техногенных землетрясений и горных ударов»;

- комплексный интеграционный проект № 6 - 18 «Деструкция земной коры и процессы самоорганизации в областях сильного техногенного воздействия».

Практическая значимость исследования

Разработанные методика и технологические решения по изучению геодинамических объектов и процессов на основе оценки геодезических и гравитационных параметров моделей открывают новые возможности для решения задач прогноза, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера.

Практическое применение результатов исследований выполнено в рамках хоздоговорных НИР с Верхнеенисейским АГП по обработке и анализу результатов повторного нивелирования в Горном Алтае и с Сибирским центром технической диагностики и экспертизы ДИАСИБ, осуществляющем экспертизу промышленной безопасности потенциально опасных производств и объектов, что подтверждено актами о внедрении. Результаты исследований включены в учебную программу студентов СГГА, обучающихся по специальности «Астрономо-геодезия» и используются при выполнении дипломных работ.

Апробация результатов исследования.

Результаты исследований, полученные в диссертации, неоднократно докладывались автором на российских и зарубежных конгрессах, конференциях и совещаниях, в том числе:. IX-й съезд ВАГО, (Новосибирск, 1990), XIII Межведомственное совещание по изучению современных движений земной коры на геодинамических полигонах, (Ташкент, 1991), международная конференция Интеркарто 3 «ГИС для устойчивого развития окружающей среды», (Новосибирск, 1997), Третий Сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), (Новосибирск, 1998), научно-технические конференции преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики», (Новосибирск, (1995 – 2004), «Фотограмметрические технологии в XXI веке», (Новосибирск, 2003),, «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», (Новосибирск, 2003, 2005), «Проблемы и перспективы развития горных наук», (Новосибирск, 2004), международная науч.-тех. конф, посвященная 225-летию МИИГАиК, (Москва, 2004), Международный научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ», (Новосибирск, 2005, 2006, 2007), международная конференция СУЧАСНI ДОСЯГНЕННЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ НАУКИ ТА ВИРОБНИЦТВА, (Львiв, 2004), VIII международная науч.-практ. конференция Geoinfocad, (Франция, Ницца, 2004), FIG Working Week 2004, (Athens, Greece, 2004), Fifth International Symposium “Turkish-German Joint Geodetic Days' (Berlin, Germany, 2006).

По теме диссертации опубликовано 46 статей (в том числе, 9 статей в реферируемых изданиях, утвержденных ВАК для защиты докторских диссертаций, 2 статьи под эгидой международного союза геодезистов (FIG) (на английском языке), одна монография (с соавторами)).

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов и списка литературы из 244 наименований. Полный объем диссертации 244 страницы, включая 75 рисунков, 44 таблицы, 5 приложений.

Основное содержание работы

Краткое описание содержания диссертации

Во введении отражена актуальность темы исследований, показана степень разработанности проблемы, обоснованы цель и задачи, объект и предмет исследований, научная и практическая значимость, приведены основные результаты реализации поставленных в диссертационной работе задач, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел «Состояние изучения геодинамических объектов и процессов (состояние вопросов)» посвящен обзору публикаций на тему изучения геодинамических процессов и объектов по геодезическим и геофизическим данным.

Во втором разделе «Изучение напряженно-деформированного состояния сложных инженерных сооружений» дана теория метода математического моделирования движений и напряженно-деформированного состояния (НДС) сооружений и объектов инженерной геодинамики по геодезическим наблюдениям. Описываются методика и вычислительный эксперимент обработки трех циклов (эпох) пространственно-временных рядов геодезических наблюдений параметров движений и напряженно-деформированного состояния локального геодинамического объекта (ГО) с оценкой точности их определения. В качестве локального ГО выбрана модель плотины, работающая в условиях плоской деформации. Выполненный сравнительный анализ методов определения НДС по действующим силам (аналитические, проектные расчеты НДС) и геодезическим наблюдениям в пространстве и времени приводит к выводу о необходимости совместного использования этих методов. При этом аналитические (проектные) расчеты НДС, выполненные по информации о возмущающих силах и априорных физических свойствах объекта, контролируются и настраиваются (корректируются) в процессе строительства и эксплуатации инженерных сооружений по натурным геодезическим наблюдениям в пространстве и времени.

В третьем разделе «Методика изучения геодинамических процессов на основе моделирования вертикальных движений и вариаций силы тяжести» приведены примеры совместной математической обработки и интерпретации пространственно-временных рядов комплексных геодезических и гравиметрических наблюдений в районе действующего вулкана и в условиях перемещения больших объемов руды и пород. Эти примеры соответствуют задаче разделения собственно движений физической поверхности и вариаций во времени внешнего гравитационного поля Земли (смещений уровенных поверхностей потенциала силы тяжести и изменений положений отвесных линий во времени).

Предлагается способ настройки (адаптации) дополнительных геодезических и гравитационных параметров (коэффициентов) геодинамического процесса по критерию оптимальности рекуррентного фильтра Калмана-Бьюси – минимуму обобщенной дисперсии (суммы дисперсий) оцениваемых величин.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.