Оптимизация алгоритма расчета временных вариаций удельного сопротивления


УДК 550.837.311 + 550.8.056


ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПО ДАННЫМ РЕЖИМНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ МЕТОДОМ ВЭЗ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ


© 2019 г. А.В. Дещеревский, А.Я. Сидорин


Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.Я. Сидорин, e-mail: al_sidorin@hotmail.com


Главное

выполнен анализ данных многолетнего прецизионного мониторинга методом ВЭЗ

вычислены сезонные вариации удельного сопротивления по двум разным алгоритмам

погрешность оценки удельных сопротивлений существенно выше, чем это следует из формальных оценок, основанных на внутренних критериях алгоритма

показано влияние на результат порядка фильтрации данных и решения обратной задачи

оптимизирован алгоритм расчета вариаций удельных сопротивлений по данным режимных ВЭЗ


Аннотация. Авторами развивается метод прецизионного мониторинга удельных электрических сопротивлений отдельных слоев земной коры. Эта задача крайне сложна, поскольку фактически наблюдаются кажущиеся сопротивления, а затем надо решать целый комплекс сложных задач по их обработке: очистке от шумов, выделению физически обусловленных составляющих вариаций и, главное, решению обратной задачи восстановления удельного сопротивления по измеренным значениям кажущегося сопротивления. Цель работы – совершенствование методических основ прецизионного геоэлектрического мониторинга методом ВЭЗ для повышения его точности. Алгоритм процессинга данных разбит на последовательность элементарных операций: агрегацию данных, сглаживание временных рядов, фильтрацию шумов, оценку сезонных (экзогенных) эффектов, решение обратной задачи ВЭЗ. Решение обратной задачи – существенно нелинейная операция, а все остальные становятся нелинейными при наличии в сигнале пропусков данных, что фактически неизбежно при длительных наблюдениях. Поэтому окончательный результат может существенно зависеть не только от настроек отдельных операций (ширины и/или вида весовой функции окна агрегации/сглаживания и т.п.), но и от порядка, в котором эти операции выполняются. В работе методом численного эксперимента на реальных данных оценивается, насколько сильно очередность выполнения перечисленных операций влияет на результат. Для расчетов использованы уникальные данные многолетнего прецизионного мониторинга методом ВЭЗ. Показано, что оператор сглаживания может применяться как к кажущимся, так и к удельным сопротивлениям – на результат это почти не влияет. Порядок сезонной фильтрации и решения обратной задачи, наоборот, важен. Показано, что оценки погрешности расчета удельного сопротивления, основанные на внутренней сходимости алгоритма решения обратной задачи, неприемлемы, так как они на два порядка отличаются от реальных погрешностей. Для надежного мониторинга временных вариаций удельного сопротивления в глубоких слоях зондируемого разреза необходимо повысить устойчивость подбора удельных сопротивлений по заданной кривой ВЭЗ, а также принять другие меры по оптимизации алгоритма.


Ключевые слова: геоэлектрический разрез, горизонтально-слоистая модель, вертикальное электрическое зондирование, многоэлектродные установки, прецизионный геоэлектрический мониторинг, решение обратной задачи, удельное электрические сопротивление, временные вариации, оптимизация методики расчета


Цитируйте эту статью как: Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Оптимизация алгоритма расчета временных вариаций удельного сопротивления по данным режимных зондирований методом ВЭЗ для повышения точности и надежности результатов // Наука и технологические разработки. 2019. Т. 98, № 1. С.35–56. [Тематический выпуск “Методические аспекты применения электромагнитных методов в геофизических исследованиях”]. https://doi.org/ 10.21455/std2019.1-3


Литература


Дещеревский А.В., Журавлев В.И. Анализ временных рядов с программой ABD. М.: ОИФЗ РАН, 1997. 80 c.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Экспериментальные исследования сезонных вариаций кажущегося сопротивления применительно к задачам сейсмологии // Сейсмические приборы. 1999а. Вып. 32. С.62–75.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Некоторые вопросы методики оценки среднесезонных функций для геофизических данных. М.: ОИФЗ РАН, 1999б. 40 с.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Проблема фликкер-шума при изучении причинно-следственных связей между природными процессами // Докл. АН СССР. 2003. Т. 392, № 3. С.392–396.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. О зависимости сезонных вариаций кажущегося сопротивления от глубины зондирования // Физика Земли. 2004а. № 3. С.320.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Исследование значимости корреляции электрической активности рыб и электротеллурического поля // Биофизика. 2004б. Т. 49, вып.4. С.715–722.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Поиск влияния гравитационных приливов на региональную сейсмичность Греции разными методами: 3. Корреляция с солнечным и лунным компонентами прилива // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, № 3. С.42–54.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. О суточной периодичности представительных землетрясений Греции: Сравнение данных разных систем наблюдений // Геофизические процессы и биосфера. 2016. Т. 15, № 4. С.27–42. https://doi.org/10.21455/gpb2016.4-3

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Некоторые алгоритмы фильтрации для геофизических временных рядов // Физика Земли. 1996а. № 2. С.56–67.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Линейность спектров несезонных компонент геофизических временных рядов // Доклады Академии наук. 1996б. Т. 346, № 6. С.815–818.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Спектрально-временные особенности сезонных изменений кажущегося сопротивления // Физика Земли. 1997. № 3. С.53–63.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Организация банка данных геоэлектрического мониторинга на Гармском полигоне и свойства временных рядов // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С.61–79.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 1. Требования к программе обработки // Сейсмические приборы. 2016а. Т. 52, № 1. С.61–82.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 2. WinABD – пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. 2016б. Т. 52, № 3. С.50–80.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD – универсальный инструмент для анализа данных режимных наблюдений // Наука и технологические разработки. 2016в. Т. 95, № 4. С.35–48. https://doi.org/10.21455/std2016.4-6

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Проблемы анализа временных рядов с пропусками и методы их решения в программе WinABD // Геофизические процессы и биосфера. 2016г. Т. 15, № 3. С.5–34.

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Метод построения модели геоэлектрического разреза с учетом сезонных вариаций по данным многолетнего мониторинга методом ВЭЗ для поиска предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 4. C.61–80. https://doi.org/10.21455/si2017.4-5

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Построение оптимальной модели геоэлектрического разреза по данным режимных ВЭЗ на примере центральной части Гармского полигона // Геофизические процессы и биосфера. 2018а. Т. 17, № 3. С.109–140. https://doi.org/10.21455/ GPB2018.3-7

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Сезонные вариации удельного электрического сопротивления в верхних слоях земной коры // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018б. Т. 45, № 3. С.68–83. https://doi.org/10.21455/VIS2018.3-6

Заборовский А.И. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 423 с.

Куфуд О. Зондирование методом сопротивлений. М.: Недра, 1984. 270 с.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Аппаратура для динамической геоэлектрики. М.: Наука, 1990. 206 с.

Сидорин А.Я. Вариации электрического сопротивления верхнего слоя земной коры // Докл. АН СССР. 1984. Т. 278. № 2. С.330–334.

Сидорин А.Я. Результаты прецизионных наблюдений за вариациями кажущегося сопротивления на Гармском полигоне // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290, № 1. С.81–84.

Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: Наука, 1990. 240 с.

Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. 192 с.

Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков. M.: Изд-во АН СССР, 1963. 322 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 2. М.: Изд-во МГУ, 1992. 200 с.


Сведения об авторах


ДЕЩЕРЕВСКИЙ Алексей Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: adeshere@ifz.ru


СИДОРИН Александр Яковлевич кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: al_sidorin@hotmail.com


METADATA IN ENGLISH


About the journal


NAUKA I TEKHNOLOGICHESKIE RAZRABOTKI (SCIENCE AND TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS), ISSN: 2079-5165, eISSN: 2410-7948, DOI: 10.21455/std; https://elibrary.ru/title_about.asp?id=32295; http://std.ifz.ru/. The journal was founded in 1992.


OPTIMIZATION OF CALCULATION ALGORITHM OF ELECTRICAL RESISTIVITY TEMPORAL VARIATIONS BY THE VES MONITORING DATA FOR INCREASING ACCURACY
AND RELIABILITY OF RESULTS


A.V. Desherevskii, A.Ya. Sidorin


Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia


Highlights

Analysis of data of long-term precision monitoring by VES method is performed

Seasonal variations in resistivity according to two different algorithms are calculated

The error in the estimation of resistivities is significantly higher than this follows from formal evaluations based on internal criteria of the algorithm

The effect on the result of the order of data filtering and solving the inverse problem is shown

Algorithm for calculating resistivity variations according to VES monitoring is optimized


Abstract. The authors are developing a method for precision monitoring of specific apparent electrical resistances of individual layers of the earth's crust. This task is extremely difficult, since apparent resistances are actually observed, and then it is necessary to solve a whole complex of complex problems of processing them: removing noise, isolating physically determined components and, most importantly, solving the inverse problem of reconstructing resistivity from measured values of apparent resistance. The purpose of the work is to improve the methodological foundations of precision monitoring to increase its accuracy. The data processing algorithm is divided into a sequence of elementary operations: data aggregation, time series smoothing, noise filtering, estimation of seasonal (exogenous) effects, solving the inverse VES problem. The solution of the inverse problem is a substantially nonlinear operation, and all the others become non-linear if there are data gaps in the signal, which is practically inevitable during long-term observations. Therefore, the final result can significantly depend not only on the settings of individual operations (width and/or type of weight function of the aggregation/smoothing window, etc.), but also on the order in which these operations are performed. In the work, by the method of numerical experiment on real data it is estimated how strongly the sequence of the above operations affects the result. For the calculations, unique data of long-term precision monitoring by the VES method were used. It is shown that the smoothing operator can be applied to both apparent and specific resistivities – this almost does not affect the result. The order of seasonal filtering and solving the inverse problem, on the contrary, is important. It is shown that error estimates for the calculation of specific resistance based on the internal convergence of the algorithm for solving the inverse problem are unacceptable, since they differ by two orders of magnitude from the real errors. For reliable monitoring of temporary variations in resistivity in the deep layers of the structure under investigation, it is necessary to increase the stability of the selection of resistivities according to a given VES curve, as well as take other measures to optimize the algorithm.


Keywords: geoelectric structure, horizontally layered model, vertical electrical sounding, multi-electrode array, precision geoelectric monitoring, inverse problem solution, electrical resistivity, temporal variations, optimization of calculation methods


Cite this article as: Desherevskii A.V., Sidorin A.Ya. Optimization of calculation algorithm of electrical resistivity temporal variations by the VES monitoring data for increasing accuracy and reliability of results, Nauka i Tekhnologicheskie Razrabotki (Science and Technological Developments), 2019, vol. 98, no. 1, pp. 35–56. [Special issue “Methodological aspects of the application of electromagnetic methods in geophysical research”]. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/std2019.1-3


References


Descherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., Experimental investigations of seasonal variations in apparent resistivity as applied to seismological problems, Seismic Instruments, 1999a, vol. 32, pp. 49–59.

Descherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., Nekotorye voprosy metodiki otsenki srednesezonnykh funktsii dlya geofizicheskikh dannykh (Some problems of the methodology for estimating seasonal functions for geophysical data), Moscow: OIFZ RAS, 1999b. 40 p.

Deshcherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., A flicker-noise problem in the study of cause-and-effect relationships between natural processes, Doklady, Earth Sciences, 2003, vol. 392, no. 7, pp. 1030–1034.

Deshcherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., Seasonal variations of the apparent resistivity as a function of the sounding depth, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 2004a, vol. 40, no. 3, pp. 177–193.

Deshcherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., On the significance of correlation between fish electric activity and the electrotelluric field, Biophysics, 2004b, vol. 49, no. 4, pp. 658–665.

Deshcherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., Search for tidal seismicity in Greece using different techniques: Part 3. Correlation with solar and lunar tidal waves, Seismic Instruments, 2014, vol. 50, no. 3, pp. 221–229, https://doi.org/10.3103/S0747923914030049

Deshcherevskii, A.V., Sidorin, A.Ya., On the diurnal periodicity of representative earthquakes in Greece: Comparison of data from different observation systems, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2017, vol. 53, no. 7, pp. 724–733. https://doi.org/10.1134/S0001433817070039

Descherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Analiz vremennykh ryadov s programmoi ABD (Time Series Analysis with ABD Software), Moscow: OIFZ RAS, 1997. 80 p.

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Sidorin, A.Ya., Some filtering algorithms for geophysical temporal series, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 1996a, vol. 32, no. 2, pp. 138–148.

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Sidorin, A.Ya., Linearity of spectra of non-seasonal components of geophysical time series, Transactions (Doklady) of the Russian Academy of Sciences. Earth Science Sections, 1996b, vol. 347, no. 2, pp. 302–305.

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Sidorin, A.Ya., Spectral-temporal features of seasonal variations in apparent resistivity, Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 1997, vol. 33, no. 3, pp. 217–226.

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Sidorin, A.Ya., Time series parameters and data bank organization for geoelectric monitoring in the Garm area, Seismic Instruments, 1998, vol. 30, pp. 48–60.

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Nikolsky, A.N., Sidorin, A.Ya., ABD software package: Universal tool for analysis of monitoring data, Nauka i tekhnologicheskie razrabotki (Science and Technological Developments), 2016, vol. 95, no. 4, pp. 35–48, https://doi.org/10.21455/std2016.4-6

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Nikolsky, A.N., Sidorin, A.Ya., Technologies for analyzing geophysical time series: Part 1. Software requirements, Seismic Instruments, 2017a, vol. 53, no. 1, pp. 46–59, https://doi.org/10.3103/S0747923917010030

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Nikolsky, A.N., Sidorin, A.Ya., Technologies for analyzing geophysical time series: Part 2. WinABD – A software package for maintaining and analyzing geophysical monitoring data, Seismic Instruments, 2017b, vol. 53, no. 3, pp. 203–223, https://doi.org/10.3103/S0747923917030021

Deshcherevskii, A.V., Zhuravlev, V.I., Nikolsky, A.N., Sidorin, A.Ya., Problems in analyzing time series with gaps and their solution with the WinABD software package, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2017c, vol. 53, no. 7, pp. 659–678. https://doi.org/10.1134/S0001433817070027

Deshcherevskii, A.V., Modin, I.N., Sidorin, A.Ya., Constructing the optimal model of the geoelectric section using vertical electrical sounding data: Case study of the central part of the Garm research area, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2018a, vol. 54, no. 10, pp. 1490–1511, https://doi.org/10.1134/S0001433818100031

Deshcherevskii, A.V., Modin, I.N., Sidorin, A.Ya., Method for constructing a model of a geoelectric section taking into account seasonal variations based on data from long-term vertical electric sounding monitoring in search of earthquake precursors, Seismic Instruments, 2018b, vol. 54, no. 4, pp. 424–436, https://doi.org/10.3103/S0747923918040023

Deshcherevskii, A.V., Modin, I.N., Sidorin, A.Ya., Seasonal variations in specific resistivity in the upper layers of the Earth crust, Seismic Instruments, 2019, vol. 55, pp. 300–312, https://doi.org/10.3103/S0747923919030058

Khmelevskoy, V.K., Shevnin, V.A. (eds.), Elektricheskoe zondirovanie geologicheskoi sredy. Ch. 2 (Electrical Sounding of the Geological Environment. Part 2), Moscow: Publishing House of Moscow State University, 1992. 220 p.

Koefoed, O., Geosounding principles. 1: Resistivity sounding measurements. Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam, 1979. 276 p.

Ostashevsky, M.G., Sidorin, A.Ya., Apparatura dlya dinamicheskoi geoehlektriki (Equipment for Dynamic Geoelectrics), Moscow: Nauka, 1990. 206 p.

Sidorin, A.Ya., Variations of the electrical resistivity of the upper crust, Transactions (Doklady) of the the USSR Academy of Sciences. Earth Science Sections, 1984, vol. 278, pp. 15–18.

Sidorin, A.Ya., High-accuracy measurement of variations in apparent resistivity on the Garm study area, Transactions (Doklady) of the USSR Academy of Sciences. Earth Science Sections, 1986, vol. 290, pp. 16–19.

Sidorin, A.Ya. (ed.), Garmskii geofizicheskii poligon (Garm Geophysical Test Site), Moscow: Nauka, 1990. 240 p.

Sidorin, A.Ya., Predvestniki zemletryasenii (Earthquake Precursors), Moscow: Nauka, 1992. 192 p.

Urbakh, V.Yu., Matematicheskaya statistika dlya biologov i medikov (Mathematical Statistics for Biologists and Physicians), Moscow: Ed. USSR Academy of Sciences, 1963. 322 p.

Zaborovsky, A.I., Elektrorazvedka: Uchebnik dlya vuzov (Electrical Prospecting: Textbook for Universities), Moscow: Gostoptekhizdat, 1963. 423 p.


About the authors


DESHEREVSKII Alexey Vladimirovich – Cand. Sci. (Phys. and Math.), Leading Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. E-mail: adeshere@ifz.ru


SIDORIN Alexander Yakovlevich – Cand. Sci. (Phys. and Math.), Principal Researcher, Head of Laboratory, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya 10, stroenie 1. E-mail: al_sidorin@hotmail.com