- Перспективы исследования земной коры российского сектора черного моря с помощью цифровых донных сейсмических станций
- Прогресс технических характеристик цдсс за последние 10 лет
- Система сейсмического мониторинга в россии. разработка и внедрение новых информационных технологий
- Элементы цифровой донной сейсмической станции нового поколения
Перспективы исследования земной коры российского сектора черного моря с помощью цифровых донных сейсмических станций
Использование цифровых сейсмических донных станций в геофизических исследованиях обладает рядом преимуществ, так как позволяет получать новые знания о строении земной коры и ее осадочного чехла, а также верифицировать и уточнять результаты наблюдений, полученных с помощью технологии буксируемых сейсмических кос.
Покажем это на примере исследований земной коры российского сектора Черного моря, что можно сделать с имеющимся парком в 60 сейсмических донных станций модели «Геонод Разведка». Предлагаем сделать продолжение региональных длинных профилей, выполненных в 2005 г.
Рис. 10. Профили с донными станциями в восточной части Черного моря. Черные квадраты показывают положение донных регистраторов на 4 профилях с донными станциями в 2005 г. [12-14] в турецком секторе Черного моря. Тонкие штрихпунктирные линии – предлагаемое продолжение этих профилей в российском секторе Черного моря.
Геологические задачи, которые можно решить при проведении работ на продолжении профилей 2005 г.:
Совместная интерпретация данных 2005 г. и новых данных по продленным в российский сектор Черного моря региональным профилям позволит:
– существование, объем и местоположение продуктов рифтового подплавления в форме подкоровой интрузии или вулканических образований;
– тип расширения земной коры в центре котловины и направление, относительно которого сопряженные континентальные окраины симметричны;
– распределение расширения коры между верхней и нижней корой;
– природу утончения земной коры поперек Восточной Черноморской котловины и сопряженных с ней континентальных окраин;
– историю развития напряжений в котловине.
Проведение донной съемки по системе региональных профилей международной исследовательской программы 2021 г., выполненных с длинной (10 км) косой (рис. 11)
Рис. 11. Положение региональных профилей на Черном море. Сплошные тонкие черные и серые линии – региональные профили с длинной косой (10 км), выполненные на судне «Мезень» в 2021 г.; толстые серые линии – 4 профиля с донными станциями 2005 г. (82 донные станции [1, 16]) и короткий профиль ИОАН 2004 г. (5 донных станций) на вале Шатского; черный пунктир – профиль ОГТ.
Работы на длинных региональных профилях вдоль изученных линий методом буксируемых кос позволят:
- получить надежную скоростную модель для P и S волн, и тем самым определить более точное положение глубинных осадочных слоев, поверхности и морфологии кристаллического фундамента и границы Мохоровичича;
- по различиям в скоростных разрезах и морфологии границ выделить типы коры для Черного моря и основные глубинные элементы, имеющие определяющее значение для восстановления истории развития и формирования современной коры Черного моря;
- основными проблемами, возникающими при обосновании стратиграфической привязки мезозойских горизонтов в пределах российского сектора Черного моря, являются отсутствие скважинных данных, а также сложность прямой передачи стратификации от скважин, пробуренных на суше, обусловленная отсутствием сейсмических профилей в переходной зоне суша-море. Донные станции могут заполнить этот пробел, так как у них нет связанных с работой на малой и предельно малой глубине ограничений, и выполнить работы по технологии ОГТ в переходной зоне для связи морских данных с сухопутными скважинами [8-10];
- выделяемый в разрезе вала Шатского (в районе структуры Палласа) перспективный нефтегазоносный верхнеюрский сейсмокомплекс по кинематическим и динамическим характеристикам близок как надвинутому с севера мел-палеогеновому флишевому комплексу Анапского выступа, так и подстилающим его нижнесреднеюрским породам переходного метаморфизованного комплекса. Наиболее надежный способ определения его литотипа − скоростной анализ с использованием данных преломленных и закритически отраженных волн, полученных на длинных профилях, пресекающих эту структуру вдоль и поперек оси вала Шатского.
На рис. 12 показан пример того, что могут дополнительно дать исследования с донными станциями [14, 15] на длинных профилях по сравнению с результатами, полученными с помощью донных станций в 2005 г. (длинный профиль в котловине) и в 2021 г. с помощью буксируемой длинной косы (профиль, оттененный короткой толстой серой линией на рис. 11).
Рис. 12. Сейсмический разрез (вверху) через Восточную котловину Черного моря, полученный в 2021 г. с помощью длинной косы (10 км), и скоростной разрез (слева) Восточной котловины, полученный при исследованиях с помощью донных станций 2005 г. [1, 15, 16]. Положение профиля ОГТ показано на рис. 11.
Примерная оценка времени выполнения проекта с наиболее популярными параметрами 2Д съемки с донными станциями
Время работ определялось на основании опыта выполненных проектов с донными станциями модели «Геонод Разведка», начиная с 2021 г. и по настоящее время.
Параметры сейсмической съемки с донными станциями
Расстояние на профиле между донными станциями – 10 км.
Длина расстановки донных станций ─ 600 км.
Количество донных станций в одной расстановке ─ 60.
Максимальное удаление источник-приемник для крайних станций на профиле ─ 100 км.
Общая длина прострелки источником ─ 800 км.
Объем группового пневмоисточника от 48 л (3000 куб. дюймов).
Расстояние между источниками излучений ─ 120 м или 60 с.
Скорость судна при отстреле профиля ─ 4.5 узла.
Глубина буксировки пневмоисточника ─ 10 м.
Производительность проведения работ по опыту предыдущих исследований
Профиль с параметрами съемки, описанными выше, назовем “профиль 600/800-60”. Работы могут проводиться на одном судне, которое используется для отработки сейсмическим источником и для постановки и подъема донных станций. Для его отработки нужно 12 дней, расчет времени работы базируется на данных, представленных в табл. 6.
Таблица 6. Этапы работы на профиле 600/800-60
Таким образом, для реализации первого этапа программы работ с донными станциями в российском секторе Черного моря, которая проиллюстрирована на рис. 10 (1400 пог. км), необходимо около 30 суток (2 полных этапа по 12 суток и один укороченный в 6 суток).
Прогресс технических характеристик цдсс за последние 10 лет
На примере станции второго поколения компании «Геонод Разведка» проиллюстрируем усовершенствование ее технических характеристик, сравнив их с донными станциями предыдущих поколений (табл. 1).
Таблица 1. Сравнение технических характеристик ЦДСС разных производителей
Технические характеристики | ФГУП ОКБ ОТ РАН (2002) | GEOPRO (GeoPro GmbH) (2007) | Геонод Разведка (2021) |
Частотный диапазон геофонов, Гц | 8-70 | 4.5-1 000 | 0.5-1 000 |
Дополнительные датчики | Инклинометр, компас | Компас | Компас, 3-мерный акселерометр, термометр, датчик давления |
Число бит в аналого-цифровом преобразователе | 21 | 24 | 32 |
Нестабильность опорного генератора внутренней системы службы времени | 2*10-8 | 2*10-8 | 5*10-9 |
Мощность потребления в режиме записи данных, Вт | 0.45 | 1.2 | 0.4 |
Непрерывное время записи данных, сут | 8 | 14 | 90 |
Способ синхронизации внутренней системы службы времени | Внешнее подключение GPS-приемника, необходимо вскрытие контейнера | Внешнее подключение GPS-приемника, необходимо вскрытие контейнера | Автоматически с помощью встроенного GPS-приемника через радиопрозрачный корпус |
Интерфейсы копирования данных | Проводной, со вскрытием контейнера | Проводное, без вскрытия контейнера | Беспроводное, без вскрытия, скорость скачивания до 15 МB/с |
Тип корпуса | Металлическая сфера | Стеклянная сфера | Стеклянная сфера |
Средства поиска на поверхности воды после всплытия | Световой сигнал от лампочки внутри сферы ночью | Световой сигнал от лампочки внутри сферы ночью. Флаг. Радиосигнал | Световой сигнал от лампочки внутри сферы ночью. Флаг. Радиосигнал с координатами станции |
Вес без якоря, кг | 40 | 35 | 20 |
Размеры (диаметр), см | 45 | 43.2 | 33 |
Тип размыкателя | Электрохимический | Электрохимический | Электрохимический или электромеханический |
Наличие экологически безопасного растворимого якоря | Нет | Нет | Якорь разлагается после проведения съемки на компоненты морской воды и дна |
Преимущества технических характеристик ЦДСС разработки компании «Геонод Разведка» обусловлены существенным развитием элементной базы, используемой при создании станции.
Электронные приборы и компоненты уменьшились в размерах. Это позволило создать компактную станцию размером 330 мм в диаметре вместо 450 мм. При этом ее вес снизился вдвое, причем автономность не только не уменьшилась, а увеличилась до 90 суток за счет не только уменьшения энергопотребления, но и увеличения емкости элементов питания.
Увеличился динамический диапазон регистрируемых сейсмических сигналов за счет как уменьшения собственных шумов электронной аппаратуры, так и использования 24-разрядных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). Снизилось энергопотребление новых компонентов, а точность системы внутренней службы времени улучшилась на порядок.
Рис. 1. Донные самовсплывающие станции (слева направо): ЛАРГЕ – ФГУП ОКБ ОТ РАН (2002), GeoPro GmbH (2007), «Геонод Разведка» (2021).
Применение технологии современной высокоскоростной беспроводной передачи данных позволило создать «необслуживаемую» станцию в период ее автономной работы. Станция «Геонод Разведка» [4] дает возможность многократных ее постановок на различных участках морского дна без вскрытия глубоководного контейнера для скачивания данных, зарядки батарей, синхронизации внутренней системы службы времени, повторной герметизации ее корпуса после подъема на борт судна и считывания информации.
При разработке станции «Геонод Разведка» создана надежная система всплытия, которая включает в себя не только качественную гидроакустическую связь, но и надежный электрохимический и механический размыкатели, позволяющие использовать оборудование как в морской, так и в пресной воде.
При многократных постановках станций были выяснены причины их невсплытия на поверхность, основная из них − засасывание станции рыхлыми донными осадками. Применение в разработке простейшего устройства в виде выталкивающих пружин позволило с высокой вероятностью обеспечить отрыв станции от якоря.
Изменилась и схема поиска станций на поверхности. Если раньше это был визуальный поиск, то теперь по радиоканалу передаются координаты, и поиск возможен 24 часа в сутки, даже при плохой видимости (рис. 2). В ночное время станцию хорошо видно по световому сигналу от лампочки внутри сферы.
Рис. 2. Сбор всплывающих станций после их последовательного вызова по гидроакустической связи. После всплытия на поверхность моря, станции автоматически синхронизируются по сигналам GPS/Глонасс, выключают регистрацию данных и передают по радиоканалу свои координаты на судно.
В период создания ЦДСС «Геонод Разведка» появилось различное программно-математическое обеспечение, позволяющее в разы уменьшить время обработки и интерпретации. Расчет прямых кинематических задач стал происходить за доли секунд на ноутбуках. Визуализация стала возможна не только в виде отдельных трасс, но и в цвете с различными параметрами обработки исходных сейсмограмм.
Появилась возможность увидеть не только первые вступления, но и последующие. Также развились методы томографии как по первым вступлениям, так и многоволновая, когда возможен учет различных типов волн. Основные операции осуществляются путем работы с экранными формами, а не с цифрами, вводимыми вручную, а визуализация дает возможность оперативной и наглядной интерпретации выделяемых для обработки волн.
Изменился подход к процессу построения скоростных глубинных разрезов. Классическая схема работы всегда включала пикирование вступлений, их идентификацию, получение наблюденных годографов, сравнение с расчетными временами путем кинематического моделирования по изменяемой скоростной модели и смены идентификации пикированных годографов при необходимости [3].
Для считывания первичной информации для скоростного разреза применялась томография по первым вступлениям, то есть вся работа по созданию скоростной модели происходила на поле годографов, интерпретация которого существенно зависит от квалификации и опыта геофизика и привносит большую долю субъективности и неопределенности.
В настоящее время графический экранный интерфейс дает возможность выделять вступления волн на поле сейсмических трасс (сейсмограмм общей точки приема) с последующим наложением на него расчетных годографов при одновременном контроле идентификации вступлений с помощью лучевых диаграмм.
Подбор скоростной модели идет с помощью расчета прямой кинематической задачи. Это ускоряет процесс построения финального разреза с хорошей увязкой волнового поля. Особенно этот метод хорошо работает при построении разреза осадочного чехла, который не виден в первых вступлениях, и расслоение осадков обнаружить не удавалось. Таким образом, исследователи приблизились к действительно многоволновой сейсморазведке.
Рис. 3 иллюстрирует описанный выше подход получения скоростных разрезов осадочного чехла на примере одной станции – сейсмограммы общей точки приема (вертикальной компоненты геофона), показанной в редукции (линейная кинематическая поправка) со скоростью 2 км/с.
Рисунок иллюстрирует этапы интерпретации получения скоростного разреза. На рис. 3А показана сейсмограмма после полосовой фильтрации, на рис. 3Б − разделение на слои начальной модели (разным тоном показаны волны, относящиеся к преломлениям и отражениям для различных слоев); на рис.
3В − та же сейсмограмма с наложенными на нее подсчитанными временами пробега для скоростной модели, приведенной на рис. 3Г, на которой также показаны лучи соответствующих волн. Процесс подбора результирующей модели состоит в получении такой модели, для которой времена пробега всех станций будут удовлетворять наблюденным временам, как это показано для одной станции на рис. 3В.
Рис. 3. Построение глубинной скоростной модели для осадочного чехла – верхней части разреза земной коры при исследованиях с донными станциями на длинных профилях (пояснения в тексте).
Временные затраты на получение скоростной модели с донными регистраторами на профиле длиной 420 км, включая морские работы, составили 3 недели, а на построение окончательного разреза на основе обработки информации, полученной с помощью сейсмических кос на этом же профиле, – около 3 месяцев, включая морские работы и обработку данных на берегу.
Глубинный диапазон исследований с донными станциями позволяет проследить строение земной коры до верхней мантии, а на разрезах, полученных при обработке информации с сейсмических кос (метод общей глубинной точки, ОГТ), виден в основном осадочный чехол до поверхности консолидированной коры.
Задачи многоволновой сейсморазведки можно решать, применяя современные самовсплывающие ЦДСС.
Система сейсмического мониторинга в россии. разработка и внедрение новых информационных технологий
ства измерений спутниковых радиометров и точности строящихся полей геофизических параметров.
Работа поддержана грантами РФФИ № 08-07-00227-а, № 10-07-10000-к и грантами ДВО РАН.
Литература
1. Report of GODAE High-Resolution SST Workshop 30 Oct – 1 Nov 2001. – Испра, Италия: Объед. исследовательский центр, 2001. URL: http://ghrsst-pp.metoifice.com/pages/documents/DocumentFiles/1st-workshop-Report.pdf.
2. Шокин Ю. И., Жижимов О. Л., Пестунов И. А., Синявский Ю. Н., Смирнов В. В. Распределенная информационно-аналитическая система для поиска, обработки и анализа пространственных данных // Вычислительные технологии, 2007. Т. 12. Спец. вып. 3. ГИС- и веб-технологии в междисциплинарных исследованиях: Материалы Междисциплинарной программы СО РАН 4.5.2. Вып. I. С. 108-115.
3. Лупян Е. А., Мазуров А. А., Назиров Р. Р., Прошин А. А., Флитман Е. В. Технология построения автоматизированных информационных систем сбора, обработки, хранения и распространения спутниковых данных для решения научных и прикладных задач // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. – М.: Полиграф сервис, 2004. С. 81-88.
4. Coene Y., Gianfranceschi S., Marchetti P. G. Earth Observation and GIS Services Integration Approach in MASS // Proceedings of DASIA 2003 (ESA SP-532). URL: http://earth.esa.int/rtd/Articles/MASS_DASIA_2003.pdf.
5. Marchetti P. G., D ‘Elia S. The ESA Service Support Environment – Exploitation of the long term archives // PV 2004 Conference Proceedings. URL: http://earth.eo.esa.int/rtd/Articles/PV-2004_040723.pdf.
6. Gianfranceschi S., Marchetti P. G., Terzi C. XML exploitation for Earth Observation Services in the MASS project // XPACE 2001. URL: http://earth.eo.esa.int/rtd/Articles/MASS-XMLWorkshop.pdf.
7. Алексанин А. И., Дьяков С. Е., Катаманов С. Н., Наумкин Ю. В. Технология обработки данных полярно-орбитальных спутников FY-1C/1D для мониторинга физических полей океана // Подводные исследования и робототехника, 200б. № 2. С. 82-91.
8. Алексанин А. И., Дьяков С. Е. Кросс-калибровка ИК-каналов спутника MTSAT-1R и алгоритм расчета температуры поверхности моря // Исследование Земли из космоса, 2021, № 4 (в печати).
9. Global Earth Observation System of Systems (GEOSS), 2007-2009 Work Plan: Toward Convergence. 200б. – 38 p.
10. Левин В. А., Алексанин А. И., Алексанина М. Г., Бабяк П. В. Состояние дел и перспективы развития ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН в области современных информационных и телекоммуникационных технологий // Открытое образование, 2008. № 4. С. 23-29.
11. Coene Y., Bawin C. Service Support Environment. Architecture, Model and Standards // ESA, 2004. URL: http://earth.esa.int/rtd/Documents/SSE_Whitepaper_2.pdf.
12. Недолужко И. В. Интеграция ресурсов Центра коллективного пользования регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН в среду SSE Европейского космического агентства // Вычислительные технологии, 2021 (в печати).
13. Недолужко И. В. Заказ спутниковых данных среды S SE: реализация в ЦКП регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2021 (в печати).
УДК 550.34 ББК 2б.2
СИСТЕМА СЕЙСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА В РОССИИ. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
А. А. Маловичко, чл.-корр. РАН, д. т. н., директор Тел.: (495) 912-68-72, e-mail: amal@gsras.ru Геофизическая служба РАН www.ceme.gsras.ru
The status and development of the national seismological monitoring system based on seismic networks of Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences are considered. The system operates on the basis of modern digital technologies, providing real-time transmission, collection and storing of large volumes of seismic and geophysical data and their processing as well.
Рассмотрено состояние и развитие отечественной системы сейсмологического мониторинга, основу которой составляют сети сейсмических наблюдений Геофизической службы Российской академии наук (ГС РАН). Система функционирует на базе современных цифровых технологий, обеспечивающих в режиме реального времени передачу, сбор и хранение больших объемов сейсмических и геофизических данных, а также их обработку.
Ключевые слова: система сейсмологического мониторинга, информационные технологии, коренная модернизация.
Kew words: seismological monitoring system, information technologies, fundamental modernization.
Введение
Распад СССР крайне негативно сказался на состоянии существовавшей единой системы сейсмологических наблюдений. Из 480 сейсмических станций, работавших во всех сейсмоактивных регионах СССР в конце 80-х годов XX века, в течение нескольких лет закрылась почти половина. Прекратил свою работу ряд уникальных геофизических полигонов на территории Средней Азии и Кавказа, которые в течение многих лет обеспечивали лидирующую роль советской сейсмологии в мировом сообществе [1].
Перестройка и реформирование экономики России также негативно сказались на состоянии российской сейсмологической сети. Из-за резкого снижения финансирования и различных организационных проблем в течение трех лет (1991-1994 гг.) закрылась и прекратила свое существование почти четвертая часть отечественных сейсмических станций.
В этот сложный для российской сейсмологии период по инициативе и под руководством вице-президента РАН академика Н. П. Лаве-рова была проведена большая работа по изменению организационной структуры отечественной системы сейсмологических наблюдений. В результате 11 мая 1993 г. Правительство Российской Федерации приняло специальное постановление (№ 444) о создании Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Ядром этой системы стала Геофизическая служба Российской академии наук (ГС РАН), созданная по постановлению Президиума РАН в 1994 г. ГС РАН объединила в своем составе опытно-методические сейсмологические экспедиции и партии на всей территории Российской Федерации, начиная от экспедиций Камчатки и Сахалина на Дальнем Востоке и кончая экспедициями Северного Кавказа и Кольского полуострова на юге и северо-западе Европейской части РФ.
Направления деятельности и структура Геофизической службы РАН
Основной целью деятельности Геофизической службы РАН было определено обеспечение непрерывного телесейсмического, регионального и локального сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира с оперативным оповещением центральных и местных органов исполнительной власти, а также заинтересованных ведомств (в первую очередь МЧС РФ) и организаций о произошедших землетрясениях и их возможных последствиях [2].
Помимо главной цели – мониторинга землетрясений – на ГС РАН было возложено также:
– выполнение фундаментальных научных исследований в области проблем сейсмологии и геофизики;
– создание базы сейсмологических и геодинамических данных для обеспечения фундаментальных исследований, проводимых РАН в области наук о Земле, включая прогнозирование землетрясений и других опасных природных явлений;
– взаимодействие с международными и национальными сейсмологическими центрами с целью обмена данными и интегрирования в мировую систему сейсмологических наблюдений.
На Геофизическую службу РАН было также возложено проведение других видов монито-
ринга за процессами как природного, так и техногенного характера:
• обеспечение функционирования системы предупреждения о цунами на Дальнем Востоке (совместно с Росгидрометом);
• обеспечение контроля за ядерными взрывами в рамках Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (совместно с Министерством обороны РФ);
• осуществление мониторинга за извержениями вулканов на территории Камчатского полуострова и Курильских островов;
• осуществление мониторинга за медленными геодинамическими процессами в земной коре и деформациями земной поверхности с использованием методов спутниковой геодезии на территории как России, так и основных сейсмоопасных регионов.
Организация ГС РАН позволила выправить ситуацию с состоянием сейсмической сети. Уже в 1995 г. была достигнута стабилизация ситуации, а начиная с 2000 г. стало возможным говорить о начале развития и модернизации системы сейсмологических наблюдений. За 9 лет в различных регионах Российской Федерации были запущены в эксплуатацию более 120 цифровых телесейсмических и региональных станций (рис. 1).
По состоянию на начало 2021 года ГС РАН и ГС СО РАН обеспечивают функционирование в непрерывном режиме трехуровневой системы сейсмологических наблюдений, включающей более чем 280 сейсмических станций и 11 региональных обрабатывающих центров (рис. 2), развернутых во всех филиалах: Камчатском (KRSC), Сахалинском (SKHL), Магаданском (NERS), Якутском (YARS), Байкальском (BYKL), Бурятском (BURS), Алтае-Саянском (ASRS), Кольском (KORS), Дагестанском (DRS), Северо-Осетинском (NORS), а также на базе Кавминводского полигона (KIV) на Северном Кавказе. В штате ГС РАН и ГС СО РАН работают более 1000 высококвалифицированных специалистов в области сейсмологии, геофизики, геоинформатики и телекоммуникационных технологий.
Система функционирует на базе современных цифровых технологий [3], обеспечивающих в режиме реального времени регистрацию, сбор, обработку и передачу сейсмических и
Образование
i и |*Н л Зое ■о
1 У г / г-
1 г > /
1 /
Г > /
1 > /
1 Ци fcpt »вы & *
1
199 1 199! 1993 1994 199S 1990 199Г I99S 1999 3000 £00 I 2002 3003 3001 200S 3006 30 0 Г 300S 2 0 0 9
Рис. 1. Динамика развития российской сейсмологической сети
в 1991-2009 гг.
^ твлвсвйсмическив цифровые станции телесенсмические аналоговые станции
Q региональные информационно-обрабаты&акяцне центры
О локальные информационно-обрабатывающие центры
^^ приемные пункты стэнций РТС А региональные цифровые станции региональные аналоговые станции per. цифровые станции
Рис. 2. Схема размещения стационарных сейсмических станций на территории Российской Федерации
геофизических данных по телеметрическим каналам связи. Подавляющее большинство сейсмических станций оснащено отечественным оборудованием. В качестве датчиков используются сейсмоприемники СМ3-КВ (короткопериодные) или СМ3-ОС (с расширенным диапазоном
низких частот). В качестве регистраторов используются сейсмостанции SDAS и UGRA, выпускаемые НПП «Геотех » (г. Обнинск), а также «Байкал-10» и «Байкал-11», выпускаемые в Новосибирске.
В методическом и технологическом отношении система ГС РАН органично интегрирована в мировую систему сейсмических наблюдений. Развитие обмена сейсмологическими и геофизическими данными и результатами обработки с международными и национальными сейсмологическими центрами является одним из приоритетных направлений деятельности ГС РАН. При этом самое пристальное внимание уделяется развитию технологий приема и обработки данных с зарубежных сейсмических станций в режиме, близком к реальному времени. Количество таких данных в последние годы имеет стабильную тенденцию к возрастанию. К примеру, в первой половине 2021 г. в процессе глобального мониторинга сейсмичности в Сейсмологическом центре ГС РАН (г. Обнинск) по различным телекоммуникационным каналам связи осуществлялся прием данных в режиме, близком к реальному времени (Near Real Time System – NRTS), со 104 сейсмических станций (рис. 3), из которых 38 являются российскими и 66 – зарубежными, входящими в Глобальную сейсмическую сеть (GSN) и Международную систему мониторинга (IMS), действующую в соответствии с Договором о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ).
Расширение возможностей мониторинга на телесейсмическом уровне в режиме, близком к реальному времени, иллюстрирует рис. 4, на котором показана динамика роста эффективности работы Службы срочных донесений ГС РАН за 14-летний период. Благодаря развитию системы (увеличению числа станций, доступных обработке в режиме, близком к реальному времени) число ежегодно обрабатываемых землетрясений увеличилось за рассматриваемый период более чем на порядок. С 2006 года число регистрируемых в режиме реального времени землетрясений составило 4.1-4.5 тысяч в год. Этот уровень примерно соответствует числу ежегодно происходящих на Земном шаре зем-
-р”
-1И>’ ,60′ (Г и 1М’ 190′ Т
Рис. 3. Российские и зарубежные сейсмические станции, данные которых в режиме, близком к реальному времени, поступают в Сейсмологический центр ГС РАН (г. Обнинск)
5000 4500 4000 3500 3000 2500
гооо
1500 1000 500
о
□ – землетрясении Земного шара
I – землетрясении России
4SM
4Ш П 41
iJ11
1652 И И
4IJ
7NS
п я
in
“”I !Sj Q!| liJj | j |
199S 1997 199® 1999 2000 2001 2002 2003 2№4 20OS 2006 2007 2008 2009
Год
Рис. 4. Число землетрясений, обработанных Службой срочных донесений
ГС РАН в 1996-2009 гг.
летрясений, которые имеют магнитуду М > 4.5.
Модернизация системы сейсмологических наблюдений в рамках Федеральной целевой программы «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2021 г.»
Начиная с 2006 г. благодаря участию Геофизической службы РАН в Федеральной целевой программе (ФЦП) «Снижение рисков и смягчение последствий…» осуществляется масштабная модернизация федеральной системы сейсмологических наблюдений [2].
За 5 лет в рамках ФЦП выполнена реализация целого ряда крупных мероприятий, в том числе связанных с разработкой и внедрением новых информационных технологий:
• создание спутникового сегмента связи для высокоскоростной и помехоустойчивой передачи в реальном времени сейсмических данных с удаленных и труднодоступных сейсмических станций;
• модернизация оборудования и развитие специализированного программного обеспечения для передачи, сбора, хранения и оперативной обработки больших объемов мониторинговой сейсмической информации в системе распределенных на обширной территории РФ информационно-обрабатывающих центров ГС РАН.
Создание спутникового сегмента связи обеспечило высокоскоростную и помехоустойчивую передачу в реальном времени сейсмических данных с удаленных и труднодоступных сейсмических станций в региональные информационно-обрабатывающие центры. В 20062021 гг. в основных сейсмоопасных регионах Российской Федерации было установлено 57 спутниковых терминалов (рис. 5), в том числе в Дальневосточном регионе – 31 терминал, в Сибирском – 10 и в Северокавказском – 11.
В качестве базовой для создания спутникового сегмента связи выбрана VSAT-технология, использующая геостационарные отечественные спутники «Ямал» и «Экспресс АМ-3». В состав
каждого абонентского спутникового терминала на сейсмостанции входят:
1) офсетная прие-мо-передающая антенна ^u-диапазона диаметром 1.2 м (с основанием для ее крепления);
2) трансивер с выходной мощностью не менее 2 Вт;
3) спутниковый модем DW7000. VSAT-технология наиболее полно отвечает
требованиям передачи больших объемов информации (до 100 мегабайт в сутки).
Создание спутникового сегмента позволило на принципиально новом уровне решать вопросы передачи и оперативной обработки сейсмологических данных во всех регионально-обрабатывающих центрах ГС РАН. В частности, в Дальневосточном регионе оказалось возможным создать зеркальные обрабатывающие центры в городах Петропавловске-Камчатском и Южно-Сахалинске, когда в случае выхода из строя одного из центров, второй может незамедлительно приступить к обработке данных по всей территории региона.
Модернизация оборудования и развитие специализированного программного обеспечения для передачи, сбора, хранения и оперативной обработки больших объемов мониторинговой сейсмической информации
В 2005-2021 гг. была проведена коренная модернизация оборудования для систем сбора, хранения и передачи сейсмических данных в Главном информационно-обрабатывающем центре – ГИОЦ (г. Обнинск) и в целом ряде региональных ИОЦ.
В Главном ИОЦ система сбора и хранения сейсмической информации нового поколения создана на базе серверов Sun Fire T1000 и дисковых массивов Sun StorageTek (TM) 2530 SAS Array (рис. 6). В систему дополнительно включено еще 6 дисковых контроллеров Rack-Ready Controller Tray объемом 3600 Гб каждый. Установлена новая прошивка контроллеров, позволяющая строить файловые системы с объемом более 2 Тб. В результате емкость модернизированной системы хранения достигла 33 Тб.
Рис. 5. Схема распределения спутниковых терминалов в сейсмической
сети ГС РАН
Одновременно с системой хранения сейсмической информации в ГИОЦ установлен и настроен мощный сервер коллективного доступа Sun SPARC Enterprise T2000 с пятью рабочими станциями Sun Ray 2 Virtual Display Client. Его основное назначение – управление многочисленными потоками данных, получаемых по спутниковым линиям связи.
Основу установленных систем составляют новые серверы Sun Fire T1000 корпорации Sun Microsystems. Серверы построены на основе технологии CoolThreads и оснащены процессорами UltraSPARC T1 с суммарной тактовой частотой 9.6 ГГц. Благодаря использованию технологии UltraSPARC T1 серверы Sun Fire T1000 позволяют вдвое сократить расходы на электроэнергию, охлаждение, размещение и являются самыми производительными серверами в своем классе.
Рис. 6. Система сбора и хранения сейсмической информации в Главном информационно-обрабатывающем центре (г. Обнинск)
С 2009 года внедрение аналогичных систем сбора и хранения данных, но несколько меньшего объема, начато в региональных информационно-обрабатывающих центрах. Эти системы также построены на базе серверов Sun Fire T-1000 и дисковых массивов Sun StorageTek (TM) 2530 SAS Array 1500GB.
Осуществляемая модернизация обеспечила создание в ГС РАН и ее филиалах единого информационного поля данных, которое позволило получить пользователям в различных ИОЦ доступ к рабочей среде независимо от платформы и операционной системы.
В Камчатском филиале ГС РАН внедрение новой системы сбора и хранения информации обеспечило возможность расширения существовавшей базы сейсмологических данных [4] более чем в 4 раза.
В 2006-2021 гг. был также выполнен большой объем исследований по развитию специализированного программного обеспечения для оперативной обработки больших объемов мониторинговой сейсмической информации. Разработка более совершенных программ детектирования и ассоциации сейсмических событий в комплексе с описанными выше технологическими изменениями позволила существенно повысить оперативность обработки сейсмологических данных.
На рис. 7 показаны интегральные показатели, характеризующие обработку сейсмологических данных в режиме реального времени в Сейсмологическом центре ГС РАН (г. Обнинск) за 9 лет. За этот период число станций, получаемых и обрабатываемых в ГИОЦ в режиме реального времени, увеличилось в 6 раз. В совокупности с использованием для обработки более со-
вершенных программных комплексов удалось достигнуть уменьшения среднего времени (Тф) формирования срочного донесения о землетрясении более чем в два раза – с 60 минут в 2001 г. до 28 минут в 2009 г. Этот показатель относится к землетрясениям земного шара с магнитудами более 4.5. Для землетрясений, фиксируемых на территории России и имеющих магнитуды более 3.5, этот показатель в 2009 г. составил 21 минуту.
Таким образом, внедрение новых информационных технологий обеспечило существенное повышение эффективности функционирования отечественной системы сейсмологического мониторинга.
Заключение
1. За последние 10 лет отечественная система сейсмологических наблюдений получила существенное развитие – открыто более 120 новых цифровых станций во всех сейсмоактивных регионах Российской Федерации. За этот же период качественно изменился состав оборудования на сейсмических станциях. В результате технического перевооружения число станций, оснащенных современным цифровым оборудованием увеличилось до 270.
2. В методическом и технологическом отношении система ГС РАН органично интегрирована в мировую систему сейсмических наблюдений и эффективно осуществляет международный обмен сейсмологическими и геофизическими данными и результатами обработки со многими зарубежными центрами.
3. В 2006 г. была начата масштабная перестройка системы сейсмологических наблюдений на современные информационные технологии, обеспечивающие в режиме реального времени сбор и передачу сейсмических и геофизических данных по телеметрическим каналам связи. К концу 2021 г. будет завершено развертывание спутникового сегмента передачи данных в составе 60 терминальных станций, что обеспечит непрерывную передачу данных в региональные информационно-обрабатывающие центры со всех станций, расположенных в удаленных и труднодоступных местах.
4. Коренная модернизация оборудования и развитие специализированного программного обеспечения для передачи, сбора, хранения и оперативной обработки больших объемов мониторинговой сейсмической информации обеспечили существенное повышение эффективности функционирования отечественной системы сейсмологических наблюдений.
Литература
1. Старовойт О. Е. Состояние и развитие сейсмических наблюдений в Российской академии наук // Геофизика на рубеже веков. – М.: ОИФЗ РАН, 1999. С. 140-148.
2. Лаверов Н. П., Маловичко А. А., Старовойт О. Е. Российская сеть сейсмологических наблюдений: состояние и перспективы развития // Сейсмичность Северной Евразии: Материалы междунар. конф. – Обнинск: ГС РАН, 2008. С. 5-14.
3. Маловичко А. А., Габсатарова И. П., Чепкунас Л. С., Старовойт О. Е. Инструментальные сейсмические наблюдения на Восточно-Европейской платформе // Землетрясения и микросейсмичность в задачах современной геодинамики Восточно-Европейской платформы. Кн. 1. Землетрясения. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. С. 14-66.
4. Гордеев Е. И., Чебров В. Н., Левина В. И., Бахтиарова Г. М., Сенюков С. Л., Пантюхин Е. А. Банк сейсмологических данных Камчатки // Открытое образование, 2008. № 4. С. 16-22.
120
100
=1 к
=Г ш £ °
О
с с
= -Э-
=(
и
80
60
40
20
1
1 /
Т(|) Всего танций
/ —а
• Росаи сине сгг нции —®—
пери >д реал 13ЛЦИИ < >ЦП
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Рис. 7. Показатели обработки данных в режиме реального времени в Сейсмологическом центре ГС РАН (г. Обнинск) (Тф – среднее время формирования срочного донесения)
Элементы цифровой донной сейсмической станции нового поколения
В ИГЭ РАН для создания сейсмостанции нового поколения проведены работы по разработке главных элементов донной станции, которые обеспечивают пониженное энергопотребление, позволяют выполнить все требования, необходимые для подъема, поиска на поверхности и скорейшего считывания записанной информации, что удовлетворяет приведенным выше требованиям. Эти элементы – контроллер ЦДСС и внутренняя служба времени.
Структурная схема современной самовсплывающей ЦДСС представлена на рис. 4. Эти станции широко используются для разведки газонефтеносных месторождений на шельфах, а также для научных исследований на дне мирового океана. Основные потребительские характеристики донных станций: 1) автономность работы, 2) уменьшение времени обслуживания станции при подготовке к погружению, после подъема с глубины на корабль и считывания информации, 3) обеспечение требований к точности привязки получаемой сейсмической информации к системе единого времени.
Рис. 4. Структурная схема ЦДСС.
Первые две характеристики определяют в общем экономичность проводимых морских работ, так как основная стоимость, например, сейсморазведочных работ определяется ежесуточной стоимостью аренды корабля. Точность привязки информации к системе единого времени будет определять точность границ потенциальных месторождений газа и нефти в недрах.
Контроллер для ЦДСС
Контроллер ЦДСС предназначен для управления работой всех ее элементов (считывание информации с сейсмометров, управление контроллером гидроакустического канала связи, измерение сигналов системы ориентации датчиков донной станции в пространстве, подача сигналов на размыкание балласта, синхронизация системы службы времени перед постановкой и после подъема от GPS-приемника, передача считанной информации на внешний накопитель по Wi-Fi, мониторинг и самотестирование всех элементов в процессе эксплуатации).
Микропроцессоры, использовавшиеся в разных донных сейсмических станциях, программировались специфически и были, как правило, завязаны на конкретного программиста очень высокой квалификации. Процесс программирования был очень трудоемким и занимал годы.
Здесь сделана попытка использовать самые современные процессоры, которые имеют многозадачную операционную систему Linux. Это позволит в дальнейшем создать ядро практически для любого геофизического оборудования, программы для которого смогут писать на языках высокого уровня типа С программисты не очень высокой квалификации.
Модуль электроники создается на основе микроконтроллера с ядром ARM Cortex-A5 (производства Atmel) с наилучшим показателем величины потребления на MIPS под управлением операционной системы высокого уровня Linux. Минимизация энергопотребления данного контроллера будет достигаться тем, что обслуживание элементов донной станции будет проходить за единицы микросекунд, остальное время процессор будет «спать».
Центральный контроллер – на основе SAMA5D34 микроконтроллера под управлением операционной системы Linux, 64 Мбайт оперативной памяти на основе 8 SRAM чипов и 256 Мбайт постоянной перезаписываемой памяти типа NOR FLASH для начальной загрузки операционной системы и управляющей программы. Обмен накопленными данными на поверхности посредством интерфейса GigaEthernet и Wi-Fi.
Логика работы контроллера следующая. Донная станция осуществляет сбор сейсмических данных на дне с помощью постоянно функционирующего микропотребляющего контроллера, который управляет аналого-цифровыми преобразователями, подключенными к выходам сейсмометров.
Опрос контроллера АЦП, аккумуляция показаний в буфер памяти и регулярная передача центральному контроллеру для сохранения во флеш-память объемом 128 Гб проводится несколько раз в час. Остальное время главный процессор контролера находится в спящем режиме.
В табл. 2 приведен расчет энергопотребления основных компонентов, составляющих контролер ЦДСС.
Таблица 2. Расчет энергопотребления компонентов контроллера ЦДСС
Так как работа центрального контроллера на дне предполагается в импульсном режиме в течение нескольких секунд за час, то средняя потребляемая мощность ЦДСС планируется не более 100 мВт. В таблице не учтены мощности потребления сейсмических датчиков и системы службы времени. Причем уменьшение потребления мощности внутренней системой службы времени ЦДСС возможно, о чем сказано ниже.
На рис. 5 приведен общий вид изготовленного по документации ИГЭ РАН контроллера ЦДСС.
Рис. 5. Контроллер для ЦДСС нового поколения.
Опорный генератор для ЦДСС
В цифровых донных сейсмических станциях опорный генератор − очень важный элемент. Дело в том, что если работу наземных сейсмостанций можно синхронизировать по сигналам GPS каждую секунду, то донные станции синхронизируются от GPS только перед постановкой, работают они на дне, где сигналы GPS недоступны.
Поэтому точность привязки сейсмической информации, регистрируемой ЦДСС, будет определяться нестабильностью частоты опорного генератора. В частности, если нестабильность опорного генератора составляет 10-6 Гц/с, то уход системы службы времени за сутки может составлять ~90 мс.
Донные станции работают на дне от 2 недель до года: можно представить, каков будет «уход» внутренних часов ЦДСС. При скорости регистрируемых сейсмических волн от 5 до 10 км/с погрешность обрабатываемой информации по определению границ подводных газонефтеносных месторождений будет составлять несколько километров в зависимости от времени между постановкой донной станции и временем регистрации отраженных волн (при сейсморазведке).
За рубежом разработаны и выпускаются уже опорные рубидиевые и цезиевые генераторы большой стабильности до 10-11-10-13 Гц/с, но они потребляют значительную энергию в процессе эксплуатации, так как они термостатированные. Диапазон потребления в зависимости от типа генераторов – от 120 мВт до 1 Вт.
Например, атомный опорный генератор Quantum™ SA.45s CSAC, внешний вид которого приведен на рис. 6, имеет следующие характеристики: потребляемая мощность ≤120 мВт, объем 16.5 см3, габариты 4.06 × 3.53 × 1.14 см, вес 35 г, старение <3.0∙10-10/месяц, выход 10 МГц, меандр, формат CMOS 0–3.
Рис. 6. Атомный опорный генератор Quantum™ SA.45s CSAC размером с небольшую микросхему.
Предполагалось реализовать при работе ЦДСС на дне моря схему синхронизации на основе прецизионного рубидиевого или цезиевого опорного генератора, который включался бы для синхронизации службы времени ЦДСС 1 раз в сутки. При этом процесс синхронизации требовал 1 час работы в сутки, таким образом экономилась бы энергия питания ЦДСС.
Покупные отечественные кварцевые генераторы не проходят либо по чрезмерному энергопотреблению, либо по недостаточной стабильности частоты. Параметры доступных кварцевых генераторов приведены в табл. 3.
Таблица 3. Параметры кварцевых генераторов
Целью работы являлось создание опорного генератора (ОГ) для обеспечения требуемых частотно-временных характеристик ЦДСС нового поколения. Главное требование к создаваемому генератору – минимальное энергопотребление и нестабильность частоты, приближенная к рубидиевым и цезиевым аналогам.
Идея службы времени ЦДСС основана на предположении, что частота кварцевого генератора имеет стабильную зависимость от температуры, что обеспечивает возможность цифровой компенсации температурной погрешности. В этом случае температурные поправки можно вводить с очень высокой точностью, определяемой только погрешностью измерения температуры.
Сейчас существуют цифровые термометры, позволяющие измерять температуру с очень высокой разрешающей способностью до 0.01°С. Для ЦДСС был разработан и изготовлен кварцевый ОГ с пониженным энергопотреблением на базе прецизионного вакуумного резонатора типа К1, соответствующего техническим условиям РЦ3.382.255ТУ.
Современные способы обработки данных позволяют использовать кварцевые резонаторы без точной подгонки частоты генерации до номинального значения. Это дает возможность избежать применения корректирующей емкости в схеме включения резонатора и, следовательно, исключить ее дестабилизирующее влияние на частоту генерации.
Определение зависимости частоты ОГ от температуры кристалла резонатора с дискретностью 0.01°С позволяет получить таблицы соответствия и записать эти данные в памяти ЦДСС, а именно: значения температуры корпуса кварцевого резонатора ОГ и значения частоты ОГ на протяжении всего времени нахождения ЦДСС на дне в рабочих условиях.
Сейсмическая информация, получаемая ЦДСС, записывается в память станции с привязкой к системе текущего времени, начальное значение которого задается при синхронизации часов при старте измерений.
После подъема ЦДСС сейсмические измерения прекращаются, происходит синхронизация часов станции по сигналам ГЛОНАСС, и выполняется окончательная привязка сейсмической информации к системе единого времени.
Метод использования значения частоты ОГ как функции от температуры кристалла резонатора наряду с простотой и эффективностью имеет технологическую погрешность, которая обусловлена тем фактом, что физически невозможно непосредственно измерять температуру кварцевого кристалла по следующим причинам:
Минимальная погрешность метода достигается при идеальном тепловом контакте корпусов резонатора и датчика температуры, когда тепловое сопротивление RКВ-ДТ близко к нулю, что показано на схеме теплового состояния пары «кварцевый резонатор ‒ датчик температуры», приведенной на рис. 7.
Рис. 7. Схема теплового состояния пары «кварцевый резонатор − датчик температуры».
Из вышесказанного следует, что минимизация величины теплового сопротивления RКВ-ДТ потребует оригинальных конструкторских решений, подлежащих тщательной экспериментальной проверке.
На рис. 8 представлен внешний вид опорного кварцевого генератора. Основные технические характеристики разработанного ОГ: номинальная частота 5 МГц (или 10 МГц); диапазон рабочих температур от 0 до 6°С; долговременная относительная стабильность частоты ~ 5∙10-9; потребляемая мощность не более 50 мВт.
Рис. 8. Опорный кварцевый генератор ЦДСС нового поколения.
При использовании для каждого образца ОГ индивидуальной подгонки параметров цепей частотной термокомпенсации, опираясь на прецизионное измерение температуры кварцевого резонатора с дискретом 0.01°С, реально достичь значения долговременной нестабильности частоты не хуже ±5∙10-10 от частоты генерации.
Методика проведения экспериментальных исследований
Для проверки идеи была создана измерительная установка на основе цифрового термостата, в котором температура устанавливалась и удерживалась с точностью до 0.02°C. В термостат (рис. 9) помещался разработанный генератор с высокоточным датчиком температуры, а частота генерации измерялась на персональном компьютере с помощью специальной программы. Синхронизация измерений проходила по секундным меткам с приемника GPS.
Рис. 9. Цифровой термостат, в котором применяется элемент Пельтье, и выставленная заранее температура удерживается с точностью ±0.02°C.
Измерение частоты ОГ проводилось по меткам СЕВ GPS. Полученные данные приведены в табл. 4, где Т – рабочая температура ОГ; FОГ – измеряемая частота ОГ; FПр — частота ОГ, приведенная к начальной рабочей температуре через коэффициент температурно-частотной зависимости.
Таблица 4. Данные экспериментального исследования ОГ
Сравнение с аналогами опорных генераторов
Лучшие отечественные источники прецизионных частот в настоящее время − изделия фирмы ОАО «МОРИОН» из Санкт-Петербурга, которые наиболее близки по техническим характеристикам к нашим кварцевым генераторам, а из атомных стандартов ‒ FE-5650A, выпускаемый по лицензии американской компании Frequency Electronics Inc. (FEI) — лидера мировой индустрии рубидиевых стандартов. Технические характеристики ОГ ИГЭ РАН и изделий ОАО «МОРИОН» приведены в табл. 5.
Таблица 5. Технические характеристики ОГ ИГЭ РАН и изделий ОАО «МОРИОН»
Примечание: Долговременная нестабильность частоты рубидиевых стандартов FE-5650A и FE-5680A в обычном исполнении составляет 2∙10-9.
