Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современная космическая геодезия в задачах крупномасштабной геодинамики 20
1.1. Длиннобазисная радиоинтероферометрия (VLBI) 21
1.2. Лазерная локация спутников (SLR) 23
1.3. Глобальная система позиционирования GPS 24
1.4. Основы приема сигналов GPS 29
1.5. Анализ фазовых наблюдений GPS 31
ГЛАВА 2. Деформационная сеть gps северной евразии (nedа) и глобальная геодинамическая сеть 40
2.1. Международная сеть IGS 40
2.2. Анализ глобальных геодезических сетей 42
2.3. Деформационный массив GPS Северной Евразии (NEDА) 47
2.4. Наблюдательные пункты сети NEDA в Международной Земной Системе Относимости 53
Приложение 2П.1. Наблюдательные пункты Деформационного Массива GPS
Северной Евразии 73
Приложение 2П.2. Общие характеристики приемника Ashtech-Z12 78
Приложение 2П.З. Организационная структура Международной Службы GPS
(IGS) 79
ГЛАВА 3. Геодинамический анализ и системы относимости 83
3.1 Общие принципы глобального геодинамического анализа 83
3.2. Конфигурация литосферных плит в Сибири и на Дальнем Востоке 89
3.3. Трехшштовая система относимости 93
3.4. Выводы к главе 97
Приложение ЗП.1. Региональные проекты 98
Приложение ЗП.2. Геодезические решения 123
ГЛАВА 4. Динамика медленных деформаций 130
4.1. Деформации пограничных областей 130
4.2. Кинематика плит в северо-восточной Азии 134
4.3. Гипотезы о микроплитах в северо-восточной Азии 136
4.4. Динамика субдуктивной зоны 142
4.5. Выводы к главе 150
Приложение 4.1. . Трехмерная модель дислокации прямоугольного источника. 152
ГЛАВА 5. Динамика очагов землетрясений 158
5.1. Сейсмические подвижки и постсейсмическая релаксация 158
5.2. Сейсмотектонический анализ Кроноцкого землетрясения 1997 г 159
5.3. Геодезический анализ Кроноцкого землетрясения 1997 г 163
5.4. Момент асейсмических подвижек Кроноцкого землетрясения 167
5.5. Сейсмические смещения Углегорского землетрясения 2000 г. по данным GPS 170
5.6. Параметризация взбросового очага Углегорского землетрясения 174
5.7. Выводы к главе 178
Заключение 179
Литература
- Лазерная локация спутников (SLR)
- Деформационный массив GPS Северной Евразии (NEDА)
- Конфигурация литосферных плит в Сибири и на Дальнем Востоке
- Гипотезы о микроплитах в северо-восточной Азии
Введение к работе
Динамика литосферы, один из важнейших вопросов геодинамики, была на протяжении многих лет предметом геологических и геофизических исследований, основанных на различных подходах, иногда взаимно исключающих. По мере накопления данных, в разное время преобладали различные концепции о происхождении современной конфигурации земной поверхности, истории ее развития и о движущих силах ее эволюции. Первоначально большая часть данных была получена геологическими методами, различающимися по степени детальности и по масштабам охватываемой части земной поверхности.
К числу первых наблюдений, вызвавших широкие дискуссии о возможных глобальных горизонтальных перемещениях литосферных плит, относятся выявленные полосовые магнитные аномалии, простирающиеся вдоль срединных океанических хребтов, которые в тектонике плит объясняются раздвиганием (спредингом) дна океанов и периодическими сменами ориентации глобального магнитного поля. Примерно в то же время сейсмология внесла свой вклад в понимание динамики литосферы на основе такой информации, как глобальное распределение сейсмических поясов, фокальные механизмы землетрясений в трансформных разломах, азимуты векторов смещений по разрывам при землетрясениях в зонах субдукции.
Сопоставление различных данных о движениях литосферы долгое время позволяло смоделировать весьма приблизительную общую картину динамики земной поверхности, что было обусловлено разнообразием гипотез о движущих силах наблюдаемых процессов. Из приведенных выше данных информация о скорости движения содержится только в структуре полосовых магнитных аномалий, а направления движения определяются из сейсмологических наблюдений и ориентации трансформных разломов. По совокупности этих данных были определены векторы относительного вращения плит, в том чис ле общепринятая модель NUVEL-1A, в которой скорости осреднены за последние 3 млн. лет. Данную модель принято называть геологической, имея в виду геологический масштаб периода времени, к которому она отнесена. Однако вопрос о возможности построения объективной и точной модели современных геодинамических процессов на земной поверхности остается открытым, так как возникает несколько серьезных проблем при попытке отождествления геологических моделей движения плит с современными движениями. Более конкретно, в данной работе исследуются следующие вопросы:
- соотношение осредненных за 3 млн. лет и современных скоростей;
- реальная точность геологических моделей в связи с тем, что они основаны на информации только по океаническим областям;
- влияние возможных систематических ошибок в данных по векторам смещений в связи с возможным влиянием сейсмической анизотропии.
Объективность модели подразумевает использование только таких априорных гипотез, которые допускают апостериорную проверку прямым сопоставлением с наблюдениями. Точность моделирования обусловлена, с одной стороны, уровнем технологии и объемом измерений, а, с другой стороны, методологией обработки и интерпретации наблюдений.
В последние годы развитие методов космической геодезии позволило осуществить прямые измерения современных движений литосферных плит и деформаций на их границах в планетарном масштабе с высокой точностью, и, тем самым, подтвердить или опровергнуть многие существовавшие до сих пор гипотезы о конфигурации и природе границ литосферных плит.
В связи с развитием современной космической геодезии, поставленные выше вопросы относительно динамики земной поверхности объясняют актуальность основной задачи, решение которой стало целью данного исследования, а именно - построение объективной модели современных движений литосферы, опираясь на прямые измерения современными геодезическими методами. Сформулированная цель подразумевает выделение стабильных, не деформируемых сегментов поверхности Земли и анализ зон деформации с оценкой динамики накопления напряжений в таких зонах. При этом представляет интерес как проверка гипотез о стабильности самих древних платформ, так и выяснение геометрии распределения деформаций на их границах, а именно, насколько локализованы по ширине пояса деформаций вдоль границ по отношению к стабильным частям и что можно сказать о глубинном строении таких зон по наблюдениям на поверхности.
Научная новизна данной работы заключается в разработке и реализации нового объективного подхода к определению крупномасштабных движений земной поверхности с помощью спутниковой геодезии на основе проведенного автором многолетнего эксперимента в масштабах северной Евразии. Отличительная особенность построенного решения - минимальный набор априорных гипотез, ограничивающих множество решений, согласующихся с экспериментальными данными. При этом все гипотезы проверялись сопоставлением с независимыми измерениями, что позволило значительно поднять уровень достоверности и объективности предлагаемого решения. Устойчивость решения была подтверждена сравнением нескольких вариантов оценивания векторов взаимного вращения Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской литосферных плит. Варианты различались по наборам использованных станций и по способам введения системы относимости.
Предложена новая система относимости для оценки движений в тектонически активных областях. Эта система реализована в виде набора станций наблюдений GPS, ассоциированных со стабильными сегментами литосферы, и векторов взаимного вращения этих сегментов, которые отражают их современные движения. При этом объективно проверенные предположения о стабильности выделенных сегментов, на которых расположены опорные станции, позволили достичь высокой степени определенности при построении системы относимости.
Личный вклад автора состоит в разработке и реализации многолетнего эксперимента по созданию постоянной опорной геодинамической сети GPS континентального масштаба, выработке объективного алгоритма построения систем относимости на основе крупномасштабных геодинамических полигонов, геодинамической интерпретации деформационного поля тектонически активных областей [1].
Практическая значимость работы заключается в обосновании и реализации в масштабе северной Евразии системы непрерывного мониторинга медленных деформаций литосферы на основе сети постоянно действующих станций GPS. Система полностью автоматизирована, она позволяет решить ряд фундаментальных научных и практических задач, а именно:
- система дает опору для геодинамических исследований по всей территории северной Евразии, прежде всего в тектонически активных областях, на основе региональных наблюдательных сетей;
- создание и развитие системы дало возможность значительно более эффективно решать различные прикладные задачи в области геодезии и картографирования;
-значительно повышена точность определения орбит спутников GPS, что весьма существенно для высокоточной навигации в режиме реального времени.
В первой главе дается общая характеристика современных методов космической геодезии и их сравнительный анализ. Более подробно проанализирована обоснованность применения технологии GPS для задач геодинамики, так как дальнейшее изложение проведенных исследований и полученных результатов в определяющей степени построено на этой технологии.
В основе существующих методов космической геодезии лежит радио- и оптическое слежение за космическими объектами различного происхождения, расположенными на различном удалении от Земли. Технологии наблюдения и анализа движения таких объектов развивались с конца 70-х годов и обладают различными возможностями, в значительной степени зависящими от сложности и стоимости как оборудования, так и самих процессов наблюдений. В настоящее время сложились три основные метода космической геодезии: длин-нобазисная радиоинтероферометрия (VLBI), лазерная локация спутников (SLR) и глобальная система позиционирования (GPS). Каждый из этих методов обладает своими преимуществами, и их применение зависит от характера и масштаба решаемой геодинамической задачи.
Основная проблема с VLBI и SLR - очень высокая стоимость аппаратуры, а для SLR - еще и погодные ограничения, свойственные любому оптическому методу. Соответственно, количество станций VLBI и SLR невелико, и они размещены крайне неравномерно, практически, в Северной Америке и в Западной Европе.
Одна из наиболее современных геодезических систем GPS возникла первоначально как всепогодная спутниковая радионавигационная система с восьмидесятых годов 20-го столетия. В основе ее применения лежит измерение расстояний до активных спутников, излучающих сигналы, принимаемые наземными станциями. Расстояния до спутников вычисляются по времени прохождения излучаемого сигнала до наземного приемного устройства. Время прохождения, в свою очередь, определяется из сравнения времени прихода сигнала по собственным часам приемника и отметки времени, получаемой волновым пакетом при его формировании по часам, установленным на спутнике.
Одновременное определение расстояний до нескольких спутников позволяет определить координаты точки наблюдения в трехмерном пространстве и разрешить неопределенность относительно погрешности часов (для этого требуется, по крайней мере, четыре одновременно наблюдаемых спутника). Точность, достигаемая при таком использовании группового сигнала, в настоящее время составляет лишь несколько метров. Принципиально новые возможности системы были обнаружены в экспериментах по оценке фазовых задержек сигнала. Инструментальная точность приема фазовых сигналов составляет -0.2 мм в расчете расстояния до спутника, однако сами отсчеты изначально содержат неоднозначность в виде неизвестного целого числа длин волн, а также подвержены искажающему влиянию ряда факторов, в первую очередь, задержек сигнала, связанных с прохождением через ионосферу и тропосферу. Разрешение указанных неоднозначностей и устранение искажений позволили достичь точности измерения взаимных расстояний 1-2 мм, что обусловило возможность применения системы GPS для геодинамических исследований.
Во второй главе описывается структура и общая схема функционирования созданной автором континентальной сети NEDA (Деформационная Сеть GPS Северной Евразии), совмещенной с сейсмостанциями Геофизической Службы РАН. Переход от высокоточного определения взаимных положений к формированию геоцентрической системы координат дал возможность определить глобальную картину движений сегментов литосферы и деформаций на их границах. Возможность такого перехода в определяющей степени связана с развитием глобальной сети постоянных станций GPS (IGS), существенный компонент которой представляет сеть NED А.
Основной мотивирующей целью создания глобальной сети GPS для наук о Земле было определение положения любой точки с точностью в несколько миллиметров в геоцентрической системе координат. В конце 80-х годов среди многих научных организаций были осознаны потенциальные возможности использования сравнительно недорогой и доступной технологии GPS для изучения землетрясений, движений на разломах земной коры, а также ряда других приложений. Со времён первого пробного проекта 1992 г. сеть IGS выросла примерно с 30 постоянных станций до более 300, в то время как точность орбит, вычисляемых международными центрами, улучшилась на порядок, с 50 см до 5 см.
Построение системы относимости с помощью глобального полигона IGS и его региональных сегментов требует анализа обширного объема данных со всех станций за достаточно продолжительный период времени (около 10 лет, начиная с 1994 г.). Вследствие движений литосферы, взаимное положение точек глобального полигона подвержено непрерывным изменениям, так что введение общей геоцентрической системы координат, применимой для высокоточных геодезических определений в течение длительного периода (от одного года и более), возможно только при одновременном определении координат и скоростей точек полигона в единой системе относимости. Значительная разветвленность глобальной сети IGS и продолжительность наблюдений обусловили развитие математических подходов к интеграции результатов обработки данных GPS, представляющих собой отдельные массивы на земной поверхности и относящихся к различным (возможно, продолжительным) периодам времени, с помощью фильтра Калмана.
Специфика анализа измерений глобальной сети GPS обусловила актуальность непрерывного автономного функционирования всех станций, составляющих опорную сеть, и автоматизированной системы сбора, обработки и объединения данных по сети. Такая система разработана и реализована автором, начиная с 1997 г., с использованием для обработки измерений существующих программных пакетов ряда международных научных центров (MIT, JPL, AIUB).
До 1997 года северная часть Евразии была покрыта станциями GPS крайне неравномерно, в основном в западной Европе, что создавало значительные ошибки при анализе движения сибирской и дальневосточной областей. С 1997 года в рамках Геофизической Службы РАН была создана опорная сеть станций GPS по всей территории северной Евразии - сеть NED А, охватывающая континент от Восточноевропейской платформы - через Уральский хребет и всю Сибирь - до Чукотки, Камчатки и Сахалина.
Проект NEDA включает в себя около 80% всех постоянных станций GPS в Северной Евразии, он функционирует с 1995 г. (первоначально в режиме временных полевых станций). В последнее время станции NEDA представля ют опору для региональных проектов GPS, которые осуществлялись и совершенствовались параллельно с развитием NEDA в районах наибольшей сейсмической активности на границах взаимодействия трех крупнейших лито-сферных плит: Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской. В рамках региональных исследований были проведены многолетние измерения в таких районах, как:
- слабо изученная граница Евразии и Северной Америки в районе хребта Черского (восточная Сибирь);
- субдуктивная зона сейсмической и вулканической активности на полуострове Камчатка;
- зона сложной деформации и высокой сейсмической активности, связанной с конвергенцией Евразии и Северной Америки на острове Сахалин.
Применение специализированных программных пакетов, разработанных в международных научных центрах, позволило интегрировать наблюдения на станциях сети NEDA в глобальный геодинамический полигон всемирной службы IGS. Результаты многолетних наблюдений были скомбинированы в единые продолжительные временные ряды. Устойчивый линейный тренд, характеризующий общий ход вариаций геоцентрических координат станций, демонстрирует состоятельность соотнесения наблюдаемых смещений опорных точек антенн с медленными тектоническими движениями.
В целом, развитие глобальной наземной сети постоянных опорных станций GPS, в том числе сегмента NEDA в северной Евразии, привело к качественному изменению в методологии геодезических измерений GPS и позволило реализовать идею глобального геодинамического мониторинга.
Наряду с эффективной организацией и обоснованной методикой обработки наблюдений, объективный геодинамический анализ результатов, изложенный в третьей главе, представляет собой ключевой фактор крупномасштабных геодинамических исследований с помощью GPS. Анализ многолетних временных рядов наблюдений по глобальному полигону, включая континенталь ный сегмент NEDA, позволяет с достаточной определенностью получить поле скоростей пунктов полигона на земной поверхности в геоцентрической системе координат. Тогда общая картина взаимных движений сегментов литосферы определяется полем горизонтальных проекций этих скоростей.
При указанном проецировании следует учитывать возможное искажающее влияние, которое оказывает выбор априорной системы относимости на интерпретацию горизонтальных скоростей, полученных в результате обработки многолетних временных рядов измерений GPS. Причиной искажения является возможное движение всего глобального полигона, то есть системы координат, реализуемой полигоном, относительно земной системы координат с началом отсчета в центре масс Земли. Скорость такого движения накладывается на горизонтальные скорости наблюдательных пунктов в виде составляющей, которая заметно варьирует по поверхности Земли в силу ее кривизны.
Начало отсчета в общепринятой Международной Земной Системе Относимости ITRF2000 совмещено с центром масс Земли на основе совместного уравнивания наблюдений различного рода, в основном, лазерной локации спутников SLR и длиннобазисной радиоинтероферометрии VLBI. Результат такого совмещения, в свою очередь, зависит от правильного выбора соответствующих весовых коэффициентов, который остается, в существенной степени, субъективным.
Изложенные аспекты объясняют принципиальную важность более объективного подхода к геодинамическому анализу данных GPS, состоящего в коррекции исходной системы отсчета вместе с ее началом в процессе построения геодезического решения. В данном исследовании для реализации такого подхода предлагается альтернативное определение системы отсчета, которая включает: (а) набор координат и скоростей пунктов глобального полигона; (б) набор векторов Эйлера, описывающих мгновенное вращение стабильных не-деформируемых сегментов земной поверхности. Для этого требуется соотне сти пункты GPS со стабильными сегментами, так чтобы удовлетворялась система уравнений:
= О,хЛ,+- Д,х(й,хУ0)
где Ry - радиус-векторы точек со скоростями Vy, лежащие на сегменте с вектором Эйлера Q.J, V0 - остаточная скорость системы отсчета. При заданных Щ и Vy, которые получаются из геодезического решения в априорной системе отсчета, данная система уравнений является линейной относительно искомых векторов Qy и У0. Для достаточной обусловленности системы, определяемой соотношением числа искомых параметров и общего числа уравнений, требуется наличие достаточно большого количества пунктов, расположенных на каждом из предполагаемых стабильных сегментов. Решение методом наименьших квадратов, минимизирующее невязки скоростей в левой и правой частях указанных уравнений, является критерием для коррекции остаточной скорости смещения системы отсчета и проверки правильности априорного соотнесения наблюдательных пунктов со стабильными сегментами. При этом привлечение геологических и сейсмологических представлений о конфигурации деформационных поясов позволяет избежать многочисленных переборов возможных вариантов такого соотнесения.
Описываемый анализ был применен для исследования всего набора измерений, осуществленных на территории северной Евразии с 1995 года, в который вошли:
- постоянные станции массива NEDA;
- постоянные станции IGS;
-данные региональных проектов в тектонически активных районах: хребет Черского, полуостров Камчатка, остров Сахалин.
Следуя изложенным выше рассуждениям, по результатам анализа скоростей всех указанных станций, часть из них была отнесена к стабильным внут ренним областям трех крупнейших плит: Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской, и составила опорный набор для реализации трехплитовой системы относимости (GPS-ЗрІ). Измерения по остальным станциям были использованы в дальнейшем для анализа пограничных деформаций этих плит в построенной системе относимости.
Наиболее существенный результат проведенного в третьей главе анализа состоит в определении современной конфигурации взаимных движений плит, при этом показано, что для ряда плит наблюдаются существенные отличия от конфигурации по геологической модели плит (NUVEL-1A).
Одна из важнейших задач, решаемых с помощью полученного в третьей главе геодезического решения GPS-ЗрІ, - исследование областей деформации, простирающихся вдоль границ взаимодействия литосферных плит и образующих сейсмогенные пояса, - подробно анализируется в четвертой главе.
Крупномасштабные геодезические решения, вместе с оценками полюсов взаимного вращения плит, дают возможность моделировать движения стабильных областей плит повсюду в пределах их простирания, включая и области, где нет измерений или вообще невозможно их проведение. Моделирование ожидаемой скорости движения в произвольной точке недеформируемой части литосферы основано на упомянутой выше параметризации мгновенного движения сегмента с помощью вектора Эйлера Q, который найден для данного сегмента в геодезическом решении GPS-ЗрІ: Vmou = Их Я, где R - радиус-вектор данной точки. Такой подход позволяет оценить современную динамику накопления деформаций и напряжений вдоль границ взаимодействия плит, что особенно важно ввиду того, что большая часть границ расположена в океанических областях.
В свою очередь, особенный интерес представляет сравнение полученных модельных оценок скоростей с прямыми измерениями на поверхности там, где это осуществимо. В таких случаях становится возможным прямое выделение горизонтального простирания распределенной деформации вдоль границ плит. В результате подобного анализа впервые установлено, что западная ветвь сейсмического пояса хребта Черского является северо-восточной границей Евразии, а Чукотка и Камчатка относятся к Североамериканской плите.
Корректное моделирование линейных скоростей существенно зависит от удаления полюса Эйлера и от угловой скорости, а именно: (а) когда полюс оказывается вблизи границы, от его положения существенно зависит направление модельных скоростей; (б) по мере удаления от полюса, расстояние до него в большей степени сказывается на оценках горизонтального градиента скоростей; (в) при дальнейшем увеличении расстояния до полюса наибольшее значение имеет угловая скорость, от которой зависят абсолютные величины модельных скоростей.
Наиболее характерный пример качественного различия моделируемых деформаций в зависимости от положения полюса - район хребта Черского, где полюс взаимного вращения Евразии и Северной Америки расположен в непосредственной близости от пограничной области. В данном случае из модели NUVEL-1A вытекает, что вдоль указанной границы здесь имеют место растяжения в сочетании с правосторонними сдвигами, однако, согласно геодезическому решению GPS-ЗрІ данного исследования, должны происходить сжатия, а вблизи полюса - полное затухание заметных деформаций.
Детальный анализ кинематики деформационных областей в северовосточной Азии вдоль границ между тремя крупнейшими плитами (Евразийская, Североамериканская и Тихоокеанская) позволил критически рассмотреть гипотезы о микроплитах: Охотской и Амурской, существование которых в северо-восточной Азии предполагается в ряде публикаций. В целом, недостаточное число и ограниченное пространственное распределение станций GPS в этом регионе не позволяет ассоциировать движение этих станций с какими-либо микроплитами.
Сопоставление результатов крупномасштабного моделирования с региональными измерениями в районе субдукции, позволило сделать обоснованные выводы о глубине простирания наклонной границы взаимного трения плит. Такой анализ был проведен для Камчатской субдуктивной зоны, для которой характерны весьма высокие скорости сближения Тихоокеанской и Североамериканской плит: -80 мм/год. Моделирование динамики зон субдукции опирается на следующие допущения:
- жесткость пододвигающейся океанической плиты сохраняется при ее погружении до больших глубин в горячие слои подстилающей мантии;
- существует механически сомкнутая зона наклонной границы контакта плит, вдоль которой происходят разрывы и подвижки во время землетрясений.
Из первого допущения следует, что скорость пододвигания наклонного фрагмента вдоль границы контакта плит совпадает со скоростью взаимного сближения плит в данном регионе и, как указано выше, определяется из вектора взаимного вращения плит 2. Второе допущение позволяет применить метод дислокации для моделирования распределения скоростей в рассматриваемой зоне и построить теоретические зависимости скоростей на поверхности от скорости конвергенции плит и глубины залегания механически сомкнутой зоны. Сравнение модельных скоростей с реально измеренными на поверхности скоростями GPS позволяет решить обратную задачу определения глубины и протяженности механически сомкнутой зоны.
Важность представленного подхода обусловлена тем, что из сейсмологических данных, как правило, известен наклон сейсмогенной зоны (зоны Бени-оффа), в то время как вопрос о глубине залегания зоны механического контакта остается трудно разрешимым в рамках только сейсмического исследования. Кроме того, в подобных областях эта глубина определяет, в свою очередь, горизонтальное простирание сейсмогенной зоны. По данным геодинамического полигона на Камчатке, для области субдукции были получены оценки ширины горизонтального простирания контактной зоны: от -ПО км в южной части полуострова до 55 км вблизи Алеутского желоба.
В целом, для изучения геодинамических процессов на границах взаимодействия стабильных сегментов литосферы необходимо, с одной стороны, равномерное покрытие измерительными станциями стабильных внутренних частей этих сегментов, а с другой стороны, достаточная густота покрытия областей активных деформаций.
Оценка потенциала упругих (или вязко-упругих) деформаций в разлом-ных зонах - это наиболее существенный результат анализа пространственно-временного распределения деформаций по данным GPS. При этом для корректного оценивания сейсмического потенциала накопленных деформаций требуется сопоставить эти оценки с величиной энергии, выделяющейся во время сейсмических подвижек. В пятой главе исследуется механизм сброса накопленных напряжений в очаговой зоне и показываются возможные различия между деформационным и сейсмическим потенциалами, которые могут быть обусловлены постсейсмическими подвижками.
Как показывают измерения межсейсмических деформаций в зонах суб-дукции в различных регионах земного шара, степень механического контакта плоскости взаимного трения плит варьирует в широком диапазоне: от полного смыкания по всей ширине до сегментов свободного проскальзывания. Однако даже в зонах субдукции с полным смыканием могут происходить значительные подвижки в отсутствие сейсмических событий.
Задачи оценки сейсмического потенциала решаются в главе 5 на примере двух землетрясений: Кроноцкого 1997 г. на Камчатке и Углегорского 2000 г. на Сахалине.
В связи с Кроноцким землетрясением анализируется развитие деформации во времени, обнаруженное с помощью непрерывных измерений по региональной сети GPS, в ходе которой обнаружена фаза быстрой постсейсмической подвижки в течение двух месяцев после основного толчка. Горизонтальные смещения на поверхности за этот период оказались сравнимы по величине с самими сейсмическими подвижками, а их быстрое затухание говорит о том, что деформация была вызвана постсейсмической подвижкой, обусловленной механизмом трения в зоне контакта плит. Решение обратной задачи определения параметров разрыва по данным GPS с наложением сейсмологических ограничений на параметры показало в данном случае, что сейсмический момент землетрясения сопоставим с постсейсмическим моментом подвижек, наблюдавшихся после землетрясения. Возможность прямого измерения сейсмических и постсейсмических подвижек на основе предложенной в данном исследовании геодезической методологии позволила обоснованно оценить значительный по величине постсейсмической момент и объяснить возникающее иногда заметное расхождение между оценками сейсмического момента по скорости взаимного сближения плит и фактической величиной сейсмического момента ряда известных субдуктивных землетрясений.
В связи с Углегорским землетрясением на Сахалине, был проведен анализ скоростей GPS в межсейсмический период и смещений, которые сопровождали основной толчок и были зарегистрированы с помощью региональной сети GPS. В данном случае более информативными оказались измерения вертикальных подвижек, что, скорее всего, объясняется значительно большей крутизной взброса во время данного землетрясения по сравнению с пологим надвигом Кроноцкого субдуктивного землетрясения.
Данный район известен за последние десятилетия рядом крупнейших землетрясений по всей протяженности острова (900 км), среди которых наиболее сильными были Нефтегорское землетрясение 1995 г. с магнитудой Mw=7.0 и анализируемое Углегорское землетрясение 4 августа 2000 г. с магнитудой Mw=6.8. Скорости станций GPS в асейсмичный период на Сахалине показывают, что, в целом, остров движется в западном направлении со скоростью 3-4 мм/год относительно Евразийской плиты, что составляет примерно половину скорости взаимного сближения Евразийской и Североамериканской плит. Это свидетельствует о том, что Сахалин расположен в зоне распределенной деформации на границе взаимного сближения этих плит. Проведенные измерения GPS также показывают, что в районе Сахалинской системы разломов происходит накопление как напряжений сжатия, так и сдвиговых напряжений со скоростью около 3 мм/год. По вертикальным смещениям, связанным с Углегорским землетрясением, были определены параметры плоскости разрыва методом нелинейной обратной задачи с ограничениями.
Комплексный анализ геодезических измерений в районе Углегорского землетрясения 2000 г. за продолжительный период (более 25 лет, включая период землетрясения) не обнаруживает заметного момента постсейсмических подвижек в сравнении с сейсмическими. Решение обратной задачи по данным GPS и нивелировок, согласующееся с сейсмологическими данными, подтвердило взбросовый механизм разрыва с направлением падения к востоку и характерное для взбросов отсутствие постсейсмических подвижек. В целом, кинематика описываемого события согласуется с большинством крупных землетрясений на Сахалине, для которых были уверенно определены сейсмофо-кальные механизмы, а также с общим полем скоростей деформаций в области Сахалина в межсейсмический период.
Таким образом, решение фундаментальных вопросов о крупномасштабных движениях с помощью современной методологии космической геодезии позволяет делать обоснованные практически важные выводы о геодинамике сейсмоактивных регионов.
Лазерная локация спутников (SLR)
Определение расстояний до спутников, снабженных уголковыми отражателями, с помощью наземных лазеров (SLR), уже в течение десятилетий широко применялось в различных программах измерений на Земле [12, 17]. Лазерная локация использовалась для определения координат станций и скоростей движения земной поверхности, вычисления параметров вращения Земли, а также приливов и гравитационного поля (как статического, так и изменяющегося во времени). Лазерная технология обеспечивала исходное слежение за орбитами спутников-высотомеров, измеряющих топографию поверхности океанов.
Средневзвешенная точность, продемонстрированная наилучшими SLR системами, достигла значений 1-3 мм (средне-квадратическое отклонение, далее СКО). Несколько десятков станций SLR, размещенных по всему земному шару, отличаются в отношении вспомогательного оборудования и других подсистем, что приводит к различиям в достигаемой точности, однако, в целом, принципиальное устройство всех станций одинаково.
Результативность системы SLR зависит прежде всего от качества моделирования атмосферы, особенно в связи с трудностью учета горизонтальных градиентов и отклонений от гидростатического поведения в вертикальном распределении. Вследствие этого наибольшие искажения наблюдаются при углах возвышения спутников менее 20 над горизонтом. Кроме того, измерение базисных линий на Земле в значительной степени зависит от моделирования гравитационного поля и движения станций, используемых при динамических решениях. Погрешности такого моделирования могут приводить к еще большим ошибкам, чем погрешности моделирования атмосферы.
Основные преимущества системы SLR: 1) долговременная стабильность измерений (многие годы, десятилетия и, возможно, столетия) с привязкой к центру масс Земли с использованием пассивных спутников для обеспечения связи между центром масс Земли и геометрическим центром фигуры; 2) малая чувствительность к существенно динамическим компонентам атмосферы (в частности, к ионосфере и содержанию водяных паров в тропосфере); 3) измерения в различных диапазонах спектра (цветового) дает возможность прямого вертикального зондирования сухой атмосферы для моделирования рефракции; 4) прямые измерения расстояний до спутников, при этом источники ошибок принципиально отличаются от факторов, влияющих на VLBI и GPS; 5) измерения длиннопериодных и вековых вариаций гравитационного поля; 6) сравнительно невысокий вес, дешевизна пассивных спутников в сочетании с легкостью комплексирования оборудования и отсутствие необходимости управления спутниками и их поддержания; 7) SLR представляет первичную основную связь между существующими спутниками-высотомерами (ERS-1, TOPEX/POSEIDON) и Международной Земной Системой Относимости (ITRF) для высокоточного вычисления орбит.
Факторы, ограничивающие применение SLR: 1) оценки геодезических параметров довольно чувствительны к ошибкам в определении орбит спутников; 2) высокая стоимость наземных операций и оборудования; 3) измерения подвержены влиянию погодных условий; 4) различия в конструкции систем и их компонент усложняют интеграцию измерений для совместного анализа.
Одна из позднейших геодезических систем, GPS развивалась первоначально как автономная спутниковая навигационная система с 80-ых годов 20 го столетия [18-21]. В основе ее применения лежит измерение расстояний от наземных станций до активных спутников, излучающих сигналы специальной формы. Эти расстояния определяются по времени прохождения излучаемого сигнала до наземного приемного устройства. Время прохождения, в свою очередь, определяется из сравнения времени прихода сигнала по часам приемника с отметкой времени, получаемой волновым пакетом в передатчике по часам спутника. Для определения координат в трехмерном пространстве теоретически достаточно получить расстояния до трех спутников, однако, учитывая погрешности часов, фактически необходимо наблюдать одновременно четыре спутника.
Точность, достигаемая при таком использовании группового сигнала, в настоящее время составляет несколько метров. Принципиально новые возможности системы были выявлены в результате экспериментов по оценке фазовых задержек сигнала, когда точность измерений достигла 1-2 мм, что позволило применять системы GPS для геодинамических исследований [22-28].
Группировка NAVSTAR, обеспечивающая функционирование системы GPS, состоит из 24 спутников, орбиты которых расположены в 6 плоскостях, по 4 спутника в каждой [29]. Эксцентриситет эллиптических орбит незначительный, т.е. их форма практически близка к окружности, с высотой над земной поверхностью около 20000 км. Орбитальные плоскости имеют наклонение 55 к экватору. Периоды обращения 11 часов 58 минут (около половины астрономических суток). Таким образом, расположение спутников на земном небосводе почти полностью повторяется ежесуточно с опережением на 4 минуты каждый день. Схема орбит представлена на рис. 1.1 и 1.2.
Спутники системы GPS служат несущей платформой для установленного на них разнообразного оборудования, которое включает: радиопередающие устройства, атомный стандарт частоты, компьютеры и др. в целях обеспечения возможности определения координат как на земной поверхности, так и в воздушном и околоземном пространстве [30].
Деформационный массив GPS Северной Евразии (NEDА)
Проект NEDA включает в себя около 80% всех постоянных станций GPS в Северной Евразии, он функционирует с 1995 г. (первоначально в режиме вре менных станций). В последнее время станции NED А представляют собой опору для региональных проектов GPS, прежде всего для исследования слабо изученной границы литосферных плит Евразия - Северная Америка, Евразия -Тихоокеанская плита, Евразия - Индия.
Все станции NEDA оснащены идентичными системами GPS - приемники Ashtech Z-12 с антеннами с кольцевым экранированием многолучевых отражений. Большинство станций (в ближайшее время все) имеют также метеорологические датчики Paroscientific МЕТЗ, соединенные с приемниками GPS. В приложении 2П.1 на рис. 2П.1-9 показано закрепление антенн всех станций, а на рис. 2П.10-11 - выборочно, приемная аппаратура. Характеристики приемников приведены в приложении 2П.2.
Сеть NEDA создавалась Геофизической Службой РАН при сотрудничестве с Международной службой GPS (IGS), Колумбийским университетом, НА-СА и Массачусетским технологическим институтом. Эта сеть обеспечивает решение таких разнообразных задач, как крупномасштабная геодинамика, процессы в ионосфере и климатология на основе анализа водяных паров в тропосфере.
С 1997 г. сеть NEDA обеспечила непрерывные измерения GPS на огромном пространстве северной Евразии. Все станции NEDA классифицированы Международной службой GPS в качестве глобальных станций, т.е. эти измерения обрабатываются ежедневно не менее, чем тремя международными центрами. Передача суточных файлов измерений полностью автоматизирована, задержка не превышает 1 час. (Рис.2.2).
Сбор и передача первичной измерительной информации осуществляется с помощью компьютеров, подключенных к приемникам через встроенный интерфейс RS-232. При этом, в зависимости от местных условий (прежде всего расстояния между компьютером и приемником) интерфейс реализован в следующих различных вариантах:
Станционные компьютеры ежесуточно в автоматическом режиме генерируют запросы на приемники для снятия накопленной в приемнике информации в виде файлов. В свою очередь, станционные компьютеры подключены к локальным компьютерным сетям и установлены в режиме серверов, что позволяет, с одной стороны, получать по каналам интернет накапливаемую в их памяти измерительную информацию, а, с другой стороны, посылать управляющие команды на приемники для их перепрограммирования и контроля за их состоянием.
Файлы с измерениями передаются со станционных компьютеров на центральный сервер, установленный в Геофизической Службе РАН, по запросам, генерируемым ежесуточно в автоматическом режиме. На центральном сервере осуществляется фильтрация и первичная архивация данных, поступающих со станций, а затем предварительная обработка с помощью специализированного программного обеспечения (GAMIT/GLOBK) [85, 86] массива данных по всему региону Северной Евразии (рис.2.2).
Проанализированные данные передаются с центрального компьютера ГС РАН в глобальные центры данных Международной Службы IGS (список центров в приложении 2П.З), где производится окончательная фильтрация, архивация и совместная обработка по всему земному шару измерений, поступающих со всех станций, зарегистрированных в Международной Службе IGS.
Результаты анализа данных и получаемые решения становятся доступными через интернет для получения в региональных центрах данных, в частности, на центральном компьютере ГС РАН.
В целом схема передачи данных по сети NEDA представлена на рис. 2.2. Информация, получаемая из глобальных центров данных IGS ежесуточно включает [96]: - параметры орбит спутников (эфемериды) и ковариационные матрицы соответствующих поправок [97,98], - уточненные координаты и ковариационная матрица поправок к координатам станций глобальной сети [99, 100], - параметры вращения Земли (движение полюса и колебания скорости суточного вращения) [101-103], -тропосферная задержка радиосигналов в зените для каждой станции [64, 104-107], - характеристика ионосферы (в виде полного электронного содержания)[108], - поправки к станционным часам [109].
Перечисленная информация позволяет уточнить предварительные решения по региону и привязать региональные геодезические решения к глобальным в геоцентрической системе координат.
Ключевой фактор, определяющий результативность работы всего регионального массива станций, в особенности его применимость для геодинамических исследований, - это стабильность закрепления наблюдательных пунктов относительно подстилающих слоев земной коры. Для проверки надежности соотнесения наблюдаемых смещений опорных точек антенн с движениями литосферы проводилось сопоставление взаимного положения наблюдательных пунктов массива NEDA с другими пунктами на расстояниях различного масштаба. Отсутствие локальных подвижек монументов антенн проверялось с помощью дополнительных выносных пунктов на расстояниях от нескольких метров до нескольких сотен метров, измерения на которых привязывались к измерениям на основном пункте. Аналогичным образом проверялось отсутствие региональных деформаций в слоях, подстилающих монументы антенн массива NEDA, с помощью выносных пунктов на расстояниях от нескольких километров до нескольких десятков километров.
Для окончательного анализа геодезического качества работы всей сети была проведена привязка пунктов NEDA к Международной земной системе относимости ITRF2000 [ПО], что позволило сопоставить положения и смещения станций NEDA в глобальном масштабе с другими станциями мировой сети, и в том числе между собой. Расстояния между пунктами глобальной сети IGS и входящей в нее NEDA при этом составляли в среднем 1000-2000 км. В данном исследовании был проведен анализ многолетних временных рядов ежесуточных оценок геоцентрических координат станций NEDA в системе ITRF2000 с помощью методологии, изложенной в п. 2.2. Результаты такого многолетнего мониторинга за положением наблюдательных пунктов сети NEDA отображены на следующих рисунках (рис. 2.3-20).
Конфигурация литосферных плит в Сибири и на Дальнем Востоке
Для изучения деформаций в пределах какой-либо плиты и на ее границах можно минимизировать движение всех станций, расположенных в ее внутренней стабильной части (например, [4, 91, 117]). При этом неопределенности в скоростях по отношению к сети, определяющей систему относимости, будут нарастать по мере удаления от сети из-за неточности в оценке угловой скорости плиты. Поэтому такая одноплитовая система относимости становится менее надежной для изучения пограничной зоны в случае, когда эта зона обширна и удалена от стабильной части любой из взаимодействующих плит. Более общий и устойчивый подход к изучению пограничных областей состоит в определении системы относимости, основываясь на станциях, определяющих стабильные части всех граничащих плит. При этом решение системы уравнений (3.3) более оптимально относительно векторов вращения соприкасающихся плит и положения начала отсчета.
Предлагаемая система относимости для геодинамического анализа имеет значительное преимущество по сравнению с общепринятой системой ITRF2000. Проблема, связанная с ITRF2000, состоит в том, что ее начало отсчета предполагается совпадающим с центром масс Земли (геоцентром), положение которого определено из данных длиннобазисной радиоинтероферо-метрии VLBI и лазерной локации спутников SLR (Глава 1). Такое определение основано на совместном уравнивании разнородных данных, какими являются наблюдения GPS, VLBI и SLR, что требует присвоения им соответствующих весовых коэффициентов, выбор которых остается существенно субъективным. В результате остается открытым вопрос о величине остаточной скорости смещения геоцентра относительно начала отсчета в ITRF2000.
Как следует из приведенных выше рассуждений, для обоснованной коррекции априорной системы относимости необходима представительная геометрия распределения пунктов наблюдения на земной поверхности. В свою очередь, при анализе наблюдательных сетей континентального масштаба, таких как NEDA, следует учитывать возможное искажение поля горизонтальных скоростей за счет скорости смещения геоцентра в принятой системе относимости. Результаты рассмотренных ниже многолетних экспериментов позволяют провести сравнительный анализ различных геоцентрических систем относимости, включая систему, предложенную в данной работе.
Применение вышеизложенной методики для анализа взаимодействия трех крупнейших тектонических плит в районе Дальнего Востока Евразии: Евразийской, Североамериканской и Тихоокеанской, позволило исследовать геометрию границ этих плит и выяснить характер их взаимодействия на границах. В целом, данный регион характеризуется наложением взаимных вращений перечисленных выше плит, что проявляется в деформациях различного рода на их границах: субдуктивных, сдвиговых и коллизионных. В различных публикациях [118-121] встречаются также предположения о существовании микроплит в этом районе, таких как Охотская и Амурская. Однако ряд авторов [122, 123] отрицают эти микроплиты, отсутствующие также в общепринятой геологической модели NUVEL-1A. Общая конфигурация литосферных плит, построенная в соответствии с геометрией сейсмических поясов и ориентацией фокальных механизмов землетрясений в районе Дальнего Востока Евразии, представлена на рис. 3.3.
Изучение геометрии такой деформационной зоны стало возможным благодаря проведению детальных региональных измерений GPS в течение про должительного времени, которые осуществлялись, в зависимости от местных условий, либо на постоянно работающих станциях региональных сетей, либо на полевых пунктах периодического наблюдения с интервалом в 1 год с повторением в один и тот же период года (в основном, летний) с целью исключения сезонных вариаций (как местного характера, так и самой системы). Периоды наблюдений и общие схемы районов наблюдений: хребет Черского, полуостров Камчатка, остров Сахалин, приведены в приложении ЗП.1.
Проведенные региональные измерения вошли составной частью в комбинированный анализ следующих наборов данных: - постоянные станции массива NEDA; - постоянные станции IGS; -данные периодических полевых измерений, выполняемых повторно с интервалом в 1 год (начиная с 1995 года).
Фазовые измерения GPS на региональных сетях анализировались на основе изложенной выше методологии при помощи программного пакета GAMIT (см. пункты 1.5 и 2.2); в совместную обработку были включены 6-7 близлежащих станций глобальной сети IGS (включая станции NEDA в данном регионе: MAGO, YAKT, РЕТР, YSSK, BILI). Для каждого дня измерений оценивались координаты станций, а также набор параметров, представляющих орбиты спутников, ориентацию Земли и атмосферную задержку. Затем, согласно п. 2.2, оценки координат и их ковариации, рассматриваемые в качестве квази-наблюдений, были скомбинированы с помощью фильтра Калмана с аналогичными решениями по глобальной сети IGS, которые формируются в одном из глобальных центров данных - Центре Орбит и Постоянных Сетей Калифорнийского университета в Сан-Диего (SOPAC). Для подавления ко-роткопериодного рассеяния и улучшения оценок ошибок, коррелированных во времени, суточные решения были объединены за периоды 5-30 дней, так что получилось 208 эпох квази-решений по 76 станциям.
Гипотезы о микроплитах в северо-восточной Азии
Вопросы иерархии и взаимодействия блоков в литосфере обсуждались в литературе с геологических и механических позиций: [136-144], в том числе и применительно к северо-восточной Азии [112, 122, 145-150]. Существование малых плит, или микроплит, в восточной Азии было впервые предположено в работах [151, 152]. В некоторых сейсмологических исследованиях по данному региону [118, 119, 153] обращается внимание на характер векторов сдвига землетрясений, происходящих в Японском и Охотском морях, и предполагается, что эти векторы говорят о возможном существовании Охотской микроплиты (ОКН) и ее вращении в направлении против часовой стрелки относительно Евразии с полюсом около северного Сахалина.
В решении GPS-ЗрІ (данная работа) три станции в районе Магадана (MAGO, TALI, KUL1), движутся к юго-востоку относительно Северной Америки (рис. 4.4.Б). В целом, скорость GPS этих станций характеризуется большей составляющей в направлении на юг, чем это предсказано вектором вращения OKH-NAM по [118] из анализа сдвиговых векторов землетрясений.
Другой набор станций, расположенных на суше в предполагаемом районе Охотской плиты, составляют станции региональной сети GPS на Сахалине. В соответствии с геологическими представлениями, остров расположен в районе комплексной деформации на границе взаимного сближения плит EUR и NAM [122, 123] (рис. 4.5). Из всех станций сети GPS на острове Сахалин (рис. 4.5), наиболее точно определены положения и скорости следующих точек: - YSSK (Южно-Сахалинск), одна из опорных станций массива NEDA; - UGLE (Углегорск); - ОКНА (Оха).
Наблюдения на этих станциях проводились не менее 5 лет с 1995 г., они расположены в пределах разломных зон Тым-Поронайск и северного Сахалина [155].
Скорости этих трех станций были оценены относительно плит: Евразийской (EUR) и Североамериканской (NAM), каждая из которых была задана совокупностью станций во внутренней стабильной области. Полученные здесь скорости YSSK и ОКНА заметно отличаются от оценок в [120], что связано с недостаточным количеством опорных станций по стабильной части Евразии в [120].
Следует отметить близость скоростей, полученных по GPS для станций YSSK, UGLE и ОКНА в настоящем исследовании: 3-4 мм/год в западном направлении по отношению к Евразии и 3-5 мм/год в восточном направлении по отношению к Северной Америке. Абсолютное значение приведенных скоростей по отношению к каждой из двух плит составляет 50-100% от скорости взаимного сближения этих плит (рис. 4.5в). Почти одинаковые скорости станций YSSK, UGLE и ОКНА при их расположении, соответственно, в южной, центральной и северной частях острова указывают на незначительный градиент скоростей в данном регионе. Исходя из геодезического решения GPS-3pl (Глава 3), остров находится на удалении 1650 - 2360 км от полюса взаимного вращения EUR-NAM (рис. 4.2). Поэтому, в соответствии с рассуждениями п. 4.1, вполне обоснованной представляется двухплитовая (EUR и NAM) геометрия в данном районе (рис. 4.5а) по сравнению с трехплитовой (EUR, NAM и ОКН) по [118]. Первый случай (двухплитовый) соответствует более удаленному расположению полюса и согласуется с геодезическим решением GPS-3pl. Кроме того, если учесть накопление упругих напряжений, вызванное подо-двиганием Тихоокеанской плиты под Евразийскую в районе Японо-Курильской дуги, то соответствующая коррекция скоростей указанных выше станций приводит к уменьшению их величин относительно Евразии на 2-6 мм/год на юге и на 1-3 мм/год на севере. После такой коррекции, противоре чиє между скоростями GPS и скоростями, предположенными в [118], становится еще более сильным.
Для подтверждения предположений, сделанных по долговременным измерениям на постоянных станциях о характере и скорости деформаций на Сахалине, были дополнительно проведены измерения, начиная с 2000 г., на 6 станциях, расположенных вкрест простирания Тым-Поронайского разлома на широте -50, а также на 2 станциях, расположенных в южной части острова (прилож. ЗП.1: рис. ЗП.18 и табл. ЗП.З). Измерения повторялись с интервалом один год в 2001 и 2002 гг. В указанный период не наблюдалось крупных сейсмических событий. Крупное Углегорское землетрясение 4 августа 2000 г. с магнитудой Mw=6.8 произошло за 3 месяца до начала наблюдений. Такой достаточно продолжительный интервал и удаленность станций от эпицентра дают основание предполагать, что измеренные скорости не были подвержены влиянию постсейсмических подвижек, сопровождавших это землетрясение.
