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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Изучение геодинамических процессовна основе моделирования геодезических и гравитационных параметров

-- [ Страница 2 ] --

В четвертом разделе «Изучение движений и напряженно-деформированного состояния района готовящегося вулканического извержения по результатам геодезических и гравиметрических наблюдений» представлено развитие теории и методов изучения объектов геодинамики по комплексным геодезическим и гравиметрическим наблюдениям, дающие возможность получать характеристики как вертикальных, так и горизонтальных движений земной поверхности и изменений аномальных масс. Значительно расширен состав ряда разнородных наблюдений, включающий гравиметрические, угловые, линейные измерения, нивелирование и GPS-наблюдения.

В пятом разделе «Технологические решения для моделирования геодинамических объектов по натурным данным» приведены разработанные автором программы в различных средах программирования, реализующие алгоритмы изучения геодинамических объектов и процессов по геодезическим и гравиметрическим данным. На примере обработки натурных данных Алтайской GPS-сети 2001 – 2004 годов продемонстрированы возможности технологии компьютерной визуализации полей смещений и деформаций.

В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований и намечены перспективы их дальнейшего развития.

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.

Эксперимент 1. Значимые вертикальные смещения точек земной поверхности и смещения уровенных поверхностей во времени могут возникать, в частности, при разработке крупных месторождений полезных ископаемых. В России имеется ряд месторождений, для которых характерно перемещение больших масс руд и пород. Для мониторинга деформационных процессов применяют высокоточные геодезические наблюдения. Для определения вертикальных движений земной поверхности в районах добычи полезных ископаемых используется геометрическое нивелирование. Поле силы тяжести в конкретном районе зависит от распределения масс внутри Земли. Перераспределение больших объемов пород и руды вызовет соответственно значительное изменение поля силы тяжести, а недоучет влияния перемещенных масс на результаты нивелирования может быть причиной неверного представления о картине вертикальных движений.

Для того, чтобы оценить степень влияния перемещенных масс на результаты нивелирования была смоделирована ситуация, соответствующая добыче и перемещению руды с наличием одновременно вертикальных движений в районе месторождения (Рисунок 1). Возникающее при перемещении руды аномальное гравитационное поле было аппроксимировано как система двух масконов ((mass concentration).

 Аппроксимация масконами шахты (карьера) и отвала пород Модельная система-0

Рисунок 1 - Аппроксимация масконами шахты (карьера) и отвала пород

Модельная система наблюдений за вертикальными движениями и вариациями силы тяжести включает нивелирные наблюдения (рисунок 2) и гравиметрические наблюдения (определение абсолютных значений силы тяжести на пяти пунктах этой сети).

Рисунок 2 - Сеть нивелирования

Вычислительный эксперимент по комплексной математической обработке нивелирных и гравиметрических наблюдений показал, что за 3 года влияние перемещения масс  тонн и  тонн на результаты наблюдений нивелирных превышений достигло 4 мм – величин, сопоставимых с величинами естественных вертикальных смещений реперов. Изменение силы тяжести составило 2 мгал, что существенно превышает разрешительные возможности метода и обеспечивает уверенную оценку аномальных явлений.

Эксперимент 2. Значительные перемещения масс с одновременно происходящими вертикальными движениями земной поверхности происходят во время крупных вулканических извержений. В качестве физической модели геодинамического объекта был выбран локальный участок на земной поверхности, расположенный в области действующего вулкана (рисунок 3). Изменение гравитационного поля на данном локальном участке местности обусловлено перемещением аномальных масс вдоль подводящего канала вулкана от зоны образования магмы до магматической камеры, заполнением камеры и выходом магмы на поверхность при извержении вулкана (формирование его конуса). Одновременно происходят вертикальные движения физической поверхности вблизи вулкана.

Рисунок 3 - Физическая модель геодинамического объекта и системы наблюдений

Модельная система наблюдений за геодинамическим объектом включает нивелирные и гравиметрические наблюдения в пространстве и времени – и повторяет по конфигурации систему наблюдений в 1-м эксперименте (рисунок 2).

Для составления общей системы уравнений геодезических и гравиметрических наблюдений, которые были бы связаны общими параметрами, принят тот же подход, что и в 1-м эксперименте - аппроксимация аномального гравитационного поля масконами. Поэтому в вектор параметров геодинамического объекта (рисунок 3) входят: геодезические отметки мобильных пунктов НМ1, НМ2, НМ3, параметры вертикальных смещений мобильных пунктов , , , масса маскона, аппроксимирующего аномальное гравитационное поле, и масса , аппроксимирующая изменение (вариацию) аномального гравитационного поля. Масса маскона МК аппроксимирует влияние конуса вулкана, а через массу может быть определена масса маскона МО, аппроксимирущего влияние пустого шарового маскона в верхней части магматической камеры.

Введение в вектор параметров аномальных масс позволяет компактно описывать локальное гравитационное поле. По значениям и координатам этих масс могут быть вычислены компоненты уклонений отвесной линии , и аномалия силы тяжести для любой точки геодинамической системы.

С учетом этого подхода система наблюдений моделируется линейным уравнением

Y(t) = A(t) XR(t) + (t), (1)

где A(t) – матрица коэффициентов уравнений наблюдений; Y(t) – вектор измеренных величин; - вектор определяемых параметров состояния геодинамической системы, в который входят: отметки Hi пунктов сети наблюдений, аномальные массы, параметры движений пунктов сети наблюдений; (t) – вектор ошибок наблюдений.

Для первой эпохи (до извержения) вектор параметров будет состоять только из отметок мобильных пунктов и массы конуса вулкана :

. (2)

Для эпох 2, 3 и 4 вектор параметров будет состоять из отметок мобильных пунктов , характеристик вертикальных движений этих пунктов, массы конуса вулкана и массы , аппроксимирующей изменение (вариацию) аномального гравитационного поля. Например, если принимается гипотеза равномерного произвольного вертикального движения каждого мобильного пункта, то вектор параметров для эпохи 2, 3 и 4 будет:

, (3)

где - вертикальные смещения мобильных пунктов между соседними эпохами.

Пример уравнения наблюдений абсолютного значения силы тяжести g – уравнение наблюдений g на пункте С1 в эпоху t=1:

. (4)

В этом уравнении - фоновая (без влияния конуса) составляющая поля силы тяжести в данном пункте, – ошибка измерения силы тяжести в эпоху 1 на пункте С1. Коэффициент при вычисляем по известным координатам пункта С1 линии нивелирования и координатам центра шарового маскона Sk1:

, (5)

где

, (6)

G – гравитационная постоянная

В формулах (5) и (6) учтено возможное изменение от эпохи к эпохе как координат пункта, так и координат центра шарового маскона:

,

,

.

Приведем пример уравнения наблюдения нивелирного превышения . С учетом схемы сети (рисунок 3) это превышение выражаем как функцию от вектора параметров:

, (7)

где - отметка пункта M2 в эпоху 1; - отметка исходного (стабильного) пункта С1; – ошибка измерения превышения между пунктами С1 и М2; - масса маскона, моделирующего конус вулкана в эпоху 1; - коэффициент, учитывающий влияние этого маскона на превышение . Величина вычисляется по известным координатам начального пункта линии нивелирования М2, конечного пункта линии нивелирования С1 и координатам центра шарового маскона Sk1:

. (8) В эпохи 2, 3 и 4 в уравнениях наблюдений присутствуют слагаемые, учитывающие влияние-40. (8)

В эпохи 2, 3 и 4 в уравнениях наблюдений присутствуют слагаемые, учитывающие влияние не только увеличивающейся массы конуса вулкана (маскон МК) но и уменьшение массы в магматическом очаге (маскон МО), а также изменение высоты мобильных пунктов (через вертикальный градиент силы тяжести ).

Результатом последующей комплексной математической обработки и интерпретации смоделированных пространственно-временных рядов геодезических и гравиметрических наблюдений явились оценки отметок мобильных пунктов, оценки вертикальных смещений этих пунктов, оценки аномалий силы тяжести, компонент уклонений отвесной линии и аномалия высоты на пунктах геодезической сети с оценкой их точности в 4-х эпохах. Обработка наблюдений выполнялась для четырех конкурирующих моделей. Используя F-критерий, была выбрана адекватной модель, описывающая динамику земной поверхности равномерным вращением блока с мобильными пунктами. Динамика гравитационного поля при этом описывалась изменениями масс поверхностного и глубинного масконов в соответствии с экспоненциальным законом излияния магмы и значениями доли остающегося на поверхности конуса излившегося вещества в эпохи 2 и 3 – 70%, в эпоху 4 – 90%.

Влияние излившейся магмы, имеющей массу тонн, вызывает изменение значений силы тяжести в пунктах сети до 7.8 мгал, а в нивелировании превышений - 25 мм. Это указывает на возможность уверенного комплексного выявления аномальных геодезических и гравитационных параметров геодинамических процессов.

Необходимым элементом комплексного изучения глубинных геодинамических процессов должна быть интерпретация результатов измеряемого поля силы тяжести и его аномальных характеристик. Сглаживание поля силы тяжести через вычисление потенциала снижает разрешающую способность гравиметрического метода улавливать глубинные сейсмо-тектонические проявления, следствия которых на поверхности могут запаздывать на 2-7 лет. Поэтому одним из результатов эксперимента 2 являлась визуализация вариаций силы тяжести по методу крайгинга с целью их возможного экспертного изучения.

Эксперимент 3. Одновременно с вертикальными движениями земной поверхности могут происходить горизонтальные движения. Для их изучения состав системы разнородных наблюдений должен быть расширен. Поэтому в третьем эксперименте были смоделированы гравиметрические, угловые, линейные измерения, нивелирование и GPS-наблюдения.

В качестве геодинамического объекта была выбрана вулканическая область, испытывающая напряженно-деформированное состояние. Одной из важных проблем в вулканологии и геодинамике является исследование накопления магмы в магматических очагах и ее подъем к поверхности. В механическом аспекте эта проблема может решаться с привлечением методов геодезии и геофизики. Геодезические методы (нивелирование, угловые, линейные измерения, GPS-наблюдения) позволяют определить перемещения земной поверхности, которые являются следствием меняющегося напряженно-деформированного состояния в окрестности вулканического очага. Но это изменение НДС является в свою очередь следствием увеличения внутриочагового давления при накапливании магмы в верхнем магматическом очаге вулкана. Таким образом, мы имеем дело с перемещением масс (наполнение верхнего магматического очага). Следовательно, наблюдения геодезическими приборами, которые устанавливаются в рабочее положение с помощью уровня, должны обрабатываться совместно с гравиметрическими наблюдениями.

Глубина центра верхнего шарообразного магматического очага была принята равной 5000 м, величина радиуса очага - 2500 м – как в эксперименте 2 (рисунок 3).

Литосфера принимается вязкоупругой с коэффициентом вязкости и модулем упругости , коэффициент Пуассона , магматический очаг сферическим. Также как и в эксперименте 2 имеем два маскона - глубинный (магматический очаг) и поверхностный (конус вулкана).

Масса поверхностного маскона - конуса принята в нашей модели равной

. (9)

Масса глубинного маскона меняется со временем – увеличивается по мере поступления магмы в очаг. Аномальная масса глубинного маскона при скорости увеличения объема в очаге и плотности пород (пироксенит, перидотит, дунит) для эпохи t=2 составит

(10)

и для эпохи t=3

. (11)

Опорной основой системы наблюдений являются заложенные в окрестности вулкана 10 геодезических пунктов. Из этих 10-ти пунктов два (С1 и С2), как наиболее удаленные от конуса вулкана приняты условностабильными, но их пространственное положение должно определяться методами GPS/ГЛОНАСС наблюдений с привязкой к постоянно действующим пунктам международной GPS-службы (IGS). Для определения координат мобильных пунктов с номерами 1, 2,…, 8 с привязкой к пунктам С1 и С2 были организованы высокоточные геодезические наблюдения: GPS-сеть (рисунок 4), нивелирная сеть (рисунок 5) и линейно-угловая сеть (рисунок 6).

Для первой эпохи вектор параметров будет состоять только из координат 8-ми мобильных пунктов и массы конуса вулкана :

. (12)

Для эпох 2, 3 вектор параметров будет состоять из координат и характеристик горизонтальных и вертикальных движений этих пунктов, массы конуса вулкана и прироста массы вулканического очага , аппроксимирующего изменение (вариацию) аномального гравитационного поля. Например, если принимается гипотеза равномерного произвольного движения каждого мобильного пункта, то вектор параметров для эпохи 2 и 3 будет:

, (13)

где - горизонтальные и вертикальные смещения мобильных пунктов с номерами 1, 2,…,8 между соседними эпохами.

Уравнения наблюдений составлялись с учетом входящих в векторы параметров (12) и (13) аномальных масс и . В уравнениях для нивелирных превышений , горизонтальных углов и измерений силы тяжести коэффициенты , , перед параметром МК и , , перед параметром МО необходимы для учета влияния на наблюдения аномальных масс - поверхностного маскона , аппроксимирующего конус вулкана и прироста массы шарового глубинного маскона , аппроксимирующего вулканический очаг (рисунок 24). Примеры формул вычисления коэффициентов для уравнений наблюдений силы тяжести и нивелирных превышений даны выше – формулы (4), (5) и (7), (8).

 Схема GPS-сети в вулканической области Схема сети нивелирования-70

Рисунок 4 - Схема GPS-сети в вулканической области

 Схема сети нивелирования в вулканической области Схема-71

Рисунок 5 - Схема сети нивелирования в вулканической области

 Схема линейно-угловой сети в вулканической области Уравнение наблюдений-72

Рисунок 6 - Схема линейно-угловой сети в вулканической области

Уравнение наблюдений измеренного угла было выведено с учетом формулы поправки в направление за уклонение отвесной линии для небольших расстояний между пунктами:

. (14)

В формуле (14) , - составляющие уклонения отвесной линии в плоскости меридиана и первого вертикала, , азимут и зенитное расстояние направления 12, - геодезическая широта пункта 1.

Для угла , образованного двумя направлениями 12 (правое) и 13 (левое) может быть найдена поправка за уклонение отвесной линии в угол :

. (15)

Уклонения отвесной линии для нашего объекта возникают в результате влияния массы конуса вулкана МК и прироста массы магматической камеры: МО, например, для пункта 1

, (16)

. (17)



Pages:     | 1 || 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.