Содержание к диссертации
Введение
1. Геодинамические процессы как объект картографирования .
1.1. Возникновение и развитие геодинамики и теории тектоники литосферных плит 6
1.2. Основные положения теории тектоники литосферных плит 9
1.3. Литосферные плиты, их кинематика. Основные геодинамические структуры 11
1.3.1. Существующие модели движения литосферных плит
1.3.2. Кинематика литосферных плит
1.3.3. Механизм движения литосферных плит. Горячие точки Земли (плюмы)
1.3.4. Основные геодинамические структуры.
1.3.4.1. Литосферные плиты
1.3.4.2. Типы межплитовых границ
1.3.4.3. Геодинамические зоны, оконтуривающие литосферные плит
1.4.0сновные принципы картографирования геодинамических процессов 17
1.4.1. Возникновение и развитие тектонического картографирования
1.4.2. Основные принципы картографирования геодинамических процессов
2. Методы и системы регистрации движений литосферных плит. Методика плито-тектонических исследований .
2.1. Геологические и геофизические методы регистрации движений литосферных плит 26
2.1.1. палеоклиматические методы
2.1.2. палеомагнитные методы
2.1.3. кинематические данные
2.2. Методы космической геодезии 28
2.2.1. Глобальная система позиционирования - Global Position System (GPS)
2.2.2. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ) -Very Long Baseline Interferometry (VLBI)
2.2.3. Лазерная локация искусственных спутников Земли -Satellite Laser Ranging (SLR)
2.2.4. Допплеровская орбитографическая радиопозиционная интегрированная спутниковая система - Doppler Orbit determination and Radiopositioning Integrated on Satellite (DORIS) 23. Международные геодинамические проекты и их дальнейшее развитие 34
3. Основные положения геоинформационного картографирования геодинамических процессов.
3.1. Принципиальная схема структуры ГИС "Геодинамика" 36
3.2. Картографическая часть ГИС «Геодинамика» 44
4. Разработка и составление системы электронных карт «Geodvnamics».
4.1. Создание раздела «Earthquakes»: серия карт и баз данных по землетрясениям 51
4.2. Создание раздела «Space geodesy stations velocities»: серия карт и баз данных по скоростям движения точек на земной поверхности 74
4.3. Создание серии карт невязок скоростей для Евразийской и Северо-Американской плит 82
4.3.1. Кинематика плит. Вычисление картографируемых показателей для карт невязок скоростей
4.3.2. Карты остаточных невязок скоростей для Евразийской и Северо-Американской плит
4.3.3. Карты невязок скоростей для Евразийской плиты
4.3.4. Карты невязок скоростей для Северо-Американской плиты
Заключение 96
- Литосферные плиты, их кинематика. Основные геодинамические структуры
- Методы космической геодезии
- Картографическая часть ГИС «Геодинамика»
- Создание серии карт невязок скоростей для Евразийской и Северо-Американской плит
Введение к работе
Геодинамика как наука возникла в конце 50-х годов XX в., когда теория литосферных плит была подтверждена научными открытиями (спрединг океанического дна, палеомагнетизм и т.д.). Одна из важнейших проблем геодинамики - изучение перемещения литосферных плит. Зная точное значение параметров перемещения плит (координаты полюса вращения и угловую скорость вращения), можно решать важнейшие геодинамические и геодезические задачи: построение и уточнение земной системы координат, исследование приливно-отливных явлений в океанах и земной коре, изучение гравитационного поля и формы Земли, изучение особенностей ее вращения. Так как землетрясения чаще всего происходят на границах плит, то результаты изучения тектоники плит могут быть использованы для предсказания землетрясений.
Развитие космической геодезии в последние десятилетия, обеспечивающее данными о скоростях движения точек на земной поверхности, позволило поднять геодинамические исследования на качественно новый уровень, а благодаря современным информационным технологиям исчезла проблема обработки больших массивов наблюденных данных.
Как всякая область науки, занимающаяся изучением природных процессов, геодинамические исследования требуют соответствующего картографического сопровождения. До настоящего времени картографирование движения точек на земной поверхности должным образом не развивалось. Сравнительно немногочисленные карты, основывающиеся на результатах наблюдения систем космической геодезии, носят откровенно иллюстративный характер и имеют очевидные недостатки: они бессистемны и не унифицированы, не приведены к единой картографической основе, представляют информацию в чрезмерно обобщенном виде. Отмеченные недостатки приводят к тому, что эти карты выполняют только одну функцию, присущую картографическим изображениям - фиксировать, визуализировать результаты наблюдений, но они не могут быть инструментом исследования. В то же время значительная и постоянно возрастающая информация о движении точек на земной поверхности, обширные геологические и геофизические данные требуют создания системы картографического обеспечения геодинамических исследований, которая позволила бы выявлять пространственно-временные особенности и изменения
регистрируемых геодинамических параметров. В полной мере это может быть обеспечено только с использованием ГИС-технологий, что позволит проводить геодинамический мониторинг, обновлять базы данных, систематизировать и визуализировать полученные результаты в виде различных тематических карт, выявлять взаимодействие различных явлений в геодинамике и геодезии, а также в сейсмологии и других областях наук, связанных с тектоникой литосферных плит. Опыт создания такой ГИС отсутствует, необходимость разработки ее картографической части и определила выбор темы диссертации.
Цель данной работы - определение основных установок современного геодинамического картографирования на примере разработки принципов структуры и картографического содержания самостоятельной ГИС посвященной геодинамике и тектонике литосферных плит, создание тематической коллекции карт, отражающих различные геодинамические параметры.
Для решения поставленной задачи исследование должно развиваться в следующих направлениях:
изучение предметной области геодинамики, что позволит сформулировать основные принципы картографирования геодинамических процессов и определить элементы содержания создаваемых карт;
определение возможной структуры ГИС, соответствующей необходимому информационному обеспечению картографирования геодинамических процессов;
экспериментальное картографирование различных геодинамических параметров: землетрясений, скоростей движения точек на земной поверхности, результатов геодинамического моделирования (невязок наблюденных и модельных скоростей);
выявление потенциальной индикационной значимости картографируемых геодинамических параметров.
При экспериментальном картографировании помимо разработки методических вопросов, что неизбежно при отсутствии предшествующего опыта, необходимо оценить возможность анализа геодинамических процессов с помощью создаваемых карт, выявить потенциальную индикационную значимость картографируемых геодинамических параметров.
Литосферные плиты, их кинематика. Основные геодинамические структуры
Построение мгновенной, современной кинематической модели движения литосферных плит является центральной задачей тектоники плит. Первые модели относительной мгновенной кинематики плит были построены по геологическим и геофизическим данным (линейные скорости раздвижения плит в рифтовых зонах, азимуты трансформных разломов, и т.д.).
В 1968 году Ле Пишоном была создана подобная модель для шести наиболее крупных плит: Тихоокеанской, Евразийской, Северо-Американской, Южно-Американской, Индийской, Африканской [10]. Для нее было использовано около 30 значений линейных скоростей раздвижения плит в рифтовых зонах и почти столько же азимутов трансформных разломов в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. В 1974 г. появилась модель Минстера и Джордана (Minster, Jordan). Для вычисления глобальной замкнутой модели относительной мгновенной кинематики литосферных плит ими было использовано значительное количество определений фокальных механизмов в очагах землетрясений на трансформных разломах и в зонах подцвига плит, а также использован метод максимального правдоподобия, позволивший получить решение математически более корректное, чем в ранних исследованиях и оценить значимость геологических и геофизических исходных данных [11]. В более поздней модели Минстера и Джордана - АМО-2, были вычислены угловые скорости вращения для 11 плит: Африканской, Антарктической, Аравийской, Карибской, Кокос, Индийской, Наска, Северо-Американской, Тихоокеанской, Южно-Американской, Евразийской.
В 1978 году советские ученые Ю.И.Галушкин и С. А. Ушаков усовершенствовали модель Минстера и Джордана 1974 года и сделали расчеты относительной кинематики для 12 (была добавлена Филиппинская плита) наиболее крупных литосферных плит. Всего для расчета было использовано 83 значения линейных скоростей на дивергентных границах и 196 азимутов направлений относительных движений, определенных по простираниям трансформных разломов и по фокальным механизмам в очагах землетрясений на границах плит [12,13].
Еще более совершенная геолого-геофизическая модель - NUVEL-1 (с фиксированной Тихоокеанской плитой) была рассчитана Де Метсом, Гордоном, Аргусом (C.De Mets., RG.Gordon, D.F.Argus) и др. в 1990 г. В этой модели, в отличие от АМО-2, Индийская плита разделена на Австралийскую и Индийскую, а также добавлены плиты Филиппинская плита и Хуан-де-Фука [14,15].
Модель NUVEL-1 совершенствовалась ив 1991 г. Аргус и Гордон создали NNR-NUVEL-1 (No-net-rotation), основанную на принципе отсутствия глобального вращения. Расчеты относительной кинематики были сделаны для тех же 14 плит, что и в модели NUVEL-1 [16]. В 90-хх гг., благодаря развитию космической геодезии и новой информации в области тектоники плит, появилась возможность уточнения существующих моделей. Были замечены расхождения скорости изменения длин баз, определяемых по лазерной локации спутников и по модели NUVEL-1. Примерно такие же расхождения наблюдались и по данным РСДБ наблюдений. Например, скорость изменения базиса WESTFORD (США) - WETZELL(TepMamM) согласно модели составляет 18,8±0,5 мм в год, а по измерениями РСДБ за период (1985-1990 гг.) равна 14,9±0,4 мм в год [17]. При этом имелись в виду базисы, расположенные во внутренних, стабильных участках плит. Вероятно, что определенный эффект вносят локальные деформации и движения конечных пунктов локальных базисов относительно ближайших геологических структур. В итоге была введена некоторая коррекция астро-геохронологической временной шкалы модели NUVEL-1 (все оценки скоростей уменьшены на 6%) и в 1994 г. появилась более совершенная модель NUVEL-1A. Расчеты для этой модели были сделаны для 12 плит: Евразийской, Северо-Американской, Южно-Американской, Тихоокеанской, Африканской, Индийской, Австралийской, Антарктической, Аравийской, Карибской, Наска, Кокос.
Самая поздняя и точная геолого-геофизическая модель NNR-NUVEL-1А была создана в 1994 г. Параметры относительной кинематики вычислялись для 16 плит (были добавлены плиты: Филиппинская, Хуан-де-Фука, Ривера, Скотия). В 1998 г. появилась кинематическая модель Германа Древеса (HLDrewes) -Apkim 2000.0,, построенная по данным методов космической геодезии VLBI, GPS, SLR. Расчеты проведены для 12 плит: Африканской, Антарктической, Арабской, Австралийской, Карибской, Евразийской, Наска, Северо-Американской, Тихоокеанской, Южно-Американской, Восточно-Азиатской, Сомалийской. Пока это единственная модель, где для вычисления параметров кинематики плит были использованы геодезические данные об абсолютных скоростях движения плит [18]. Ни одна из существующих кинематических моделей не является совершенной, они отличаются количеством плит и оценками скоростей движения. В геофизических моделях исходными данными служили сведения об относительных скоростях движения плит, в геодезической модели - абсолютные скорости плит. Но современных данных космической геодезии пока еще не хватает для того, чтобы рассчитать движение всех выделяемых плит. Поэтому большой популярностью пользуются геофизические модели NNR-NUVEL-1A и NUVEL-1A, которые уточняются с помощью данных космической геодезии. 1.3.2. Кинематика литосферных плит. В основе построения кинематической модели взаимно согласованного движения литосферных плит на сферической Земле лежит теорема, доказанная великим русским математиком Леонардом Эйлером в 1776 г [8].
Согласно теореме Эйлера любое перемещение абсолютно жесткой плиты на сфере из некоторого начального положения в некоторое конечное можно осуществить путем ее поворота на некоторый угол вокруг мгновенной оси вращения - прямой, проходящей через центр сферы. Ось вращения пересекает поверхность сферы в двух точках- полюсах вращения, или в эйлеровых полюсах. В сферическом пространстве все перемещения являются вращениями, они происходят по дугам окружностей, а кратчайшее расстояние между двумя точками - не прямая, как на плоскости, а дуга большого круга с центром, расположенном в центре сферы.
Система вращения каждой плиты представляет собой два эйлеровых полюса-антипода и связанную с ними систему эйлеровых меридианов и параллелей. Каждой литосферной плите соответствует своя индивидуальная система вращения. Эйлеровы меридианы являются большими кругами, а эйлеровы параллели (кроме экватора) - малыми кругами. Количественной характеристикой движения плит является угловая скорость вращения со. При постоянной угловой скорости вращения различные точки вращающейся плиты движутся с разными линейными скоростями V. 1.3.3. Механизм движения литосферных плит. Горячие точки Земли (плюмы). Тектоника плит является поверхностным проявлением конвективных движений в недрах мантии. Эти движения очень сложны и еще недостаточно изучены. Прямым свидетельством существования единой структуры массообмена, пронизывающего верхнюю и нижнюю мантии, являются сейсмические наблюдения.
«Шлейфы» опускающихся в мантию литосферных плит прослеживаются под зонами субдукции (субдукция - процесс погружения в мантию литосферных плит) значительно глубже предельного уровня возникновения землетрясений (до 1400 км), то есть уже в нижней мантии. Доказательствами существования глубинных мантийных конвективных течений, не связанных с движением плит, могут служить факты раскола Африканского континента по системе Красное море - Аденский залив - Восточно-Африканские рифты, отодвигание Аравии от Африки; расширение Атлантического и частично Индийского океанов и т.д. Эти явления не могут быть связаны с затягиванием тяжелых океанических плит в мантию, так как они требуют для своего объяснения привлечения идеи существования самостоятельных конвективных течений мантийного вещества, действующих на подошву литосферных плит снизу. Доказательством этого служит раскол Пангеи на отдельные части - современные материки. Это произошло в середине мезозоя, а дрейф континентов (и раскол Африки) продолжается до сих пор. Геодинамические реакции океанических и континентальных плит на конвективные движения в мантии существенно различаются. Скорее всего этим и объясняются меньшие скорости движения плит смешанного типа (где континентальная кора «спаяна» с океанической) по сравнению со скоростями чисто океанических плит [2].
Методы космической геодезии
Единственную возможность определять с высокой точностью современные (абсолютные и относительные) движения литосферных плит дают методы космической геодезии. Космическая геодезия как раздел геодезической науки зародилась в начале 20-го века, но бурно развиваться стала только после запуска первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 г. [62-65]. Благодаря значительному повышению точности измерительной техники, используемой для определения параметров движения искусственных спутников Земли, методы космической геодезии стали широко применяться для изучения глобальных и региональных геодинамических процессов и движения Земли как планеты Солнечной системы [66-69].
Первые оценки движения плит (начало 80-х гг.) базировались на данных наблюдений радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой - РСДБ (Very Long Baseline Interferometry - VLBI) и лазерной локации искусственных спутников Земли (Satellite Laser Ranging - SLR), с начала 90-х годов - глобальных систем позиционирования (Navigation Satellite Timing and Global Position System - GPS) и допплеровской орбитографической радиопозиционной интегрированной спутниковой системы (Doppler Orbit determination and Radiopositioning Integrated on Satellite - DORIS). Благодаря совершенствованию измерительной аппаратуры появляется новая информация, которая служит основой для уточнения и дополнения современных геодинамических теорий [70-73]. 2.2.1. Глобальная система позиционирования - Global Position System (GPS).
GPS, называемая также "Navstar", была создана Министерством обороны США как спутниковая навигационная система для применения в военных и гражданских целях, способная решать также научные или коммерческие задачи. Каждый спутник GPS непрерывно (с дискретностью в несколько секунд) излучает эфемеридную информацию и целый ряд других параметров в виде закодированных радиосигналов на рабочих частотах Li и hz- Эти радиосигналы принимаются и раскодируются приемником GPS, установленным на земной станции, на транспортном средстве или на борту космического аппарата, в результате чего находят эфемериды спутника, сигналы времени, значения измеряемых параметров и др. [70,74]. Необходимо, чтобы каждый приемник получал сигналы от 5-7 спутников почти одновременно ("почти" употребляется потому, что одновременность может иметь место только при исключении ошибки приемника (небольшой) и ошибки часов спутника). Вычислительное устройство приемника обрабатывает принятые сигналы, вычисляет их положение, а если требуется, то и скорость их движения. В системе GPS использовались два кода: общедоступный и защищенный точный - только для военных потребителей США. С мая 2000 г. это ограничение снято, и оба кода системы GPS стали доступны всем пользователям.
Главная проблема спутниковых систем - ошибка определения положения спутника на орбите. Точность определения земной системы отсчета зависит от точности расчета орбиты искуственного спутника Земли. Если орбита спутникавычислена с большими погрешностями, то земная система координат тоже будет установлена недостаточно точно. Поскольку при обработке наблюдений используются различные редукционные модели, учитывающие различные эффекты (модель твердотельного прилива, модель океанического прилива, модель атмосферной нагрузки и т.д.), то неточности при составлении этих моделей приводят к ошибкам определения орбит и, как результат, к ошибкам в земной системе отсчета. Космическая часть GPS состоит из 24 спутников, каждый из которых вращается по 12-часовой круговой орбите на высоте 20 200 км над Землей. Контрольная часть GPS, состоящая из наземных станций (30-40 основных станций и 150-200 опорных), осуществляет спутниковый мониторинг и выполняет командные функции.
За последнее десятилетие развитие GPS привело к созданию технологии, способной удовлетворять строгим требованиям точности, необходимым для изучения геодинамики. В настоящее время уровень точности измерений методом GPS изменяется от нескольких миллиметров для небольших отрезков (около 10 км) до нескольких сантиметров для больших расстояний (порядка 10000 км) [70,75]. В России существует Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС, которая является аналогом GPS. Она состоит из 24 спутников (в настоящее время в рабочем состоянии только 14), которые равномерно распределены в трех орбитальных плоскостях, разделенные на 120 и с наклоном 64,8 по отношению к экваториальной плоскости. Научное использование системы ГЛОНАСС пока ограничено из-за отсутствия высокоточной наземной аппаратуры. Совместное использование систем GPS и ГЛОНАСС даст возможность увеличить количество наблюдаемых на каждом пункте объектов и тем самым исключить некоторые ошибки в определении координат пунктов. В данный момент существуют совместимые геодезические приемники GPS/ГЛОНАСС, которые следят за спутниками обеих систем. 2.2.2. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ) - Very Long Baseline Interferometry (VLBI).
РСДБ - это система, использующая измерения временного интервала между моментами прихода волнового фронта от удаленного радиоисточника (например, квазара) на два или более радиотелескопа [76]. Расстояние между радиотелескопами (длина базы) как правило более 1000 км. Погрешность измерения длины базы, полученная в результате обработки современных 24-часовых серий, находится в пределах от 1-2 мм для коротких баз (длиной около 1000 км) до 1 см для больших баз (длиной примерно 10000 км). Так как скорости движения литосферных плит достигают нескольких сантиметров в год, то относительное движение станций легко обнаружить на современном уровне точности. В настоящее время работают около 50 станций наблюдений. В 80-х годах РСДБ наблюдения проводились в рамках проектов Crustal Dynamics Project (CDP) и International Radiointerferometric Surveying (IRIS), координируемых Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА). По результатам выполнения этих проектов впервые удалось зарегистрировать относительное движение литосферных плит Земли [77]. Возрастающая точность проведения экспериментов, совершенствование оборудования и программ наблюдений позволили выявить систематические изменения при движении плит на уровне нескольких миллиметров. Благодаря этому были зафиксированы не только долговременные горизонтальные смещения литосферных плит, но и вертикальные движения, а также нелинейные тренды [17]. 2.2.3. Лазерная локация искусственных спутников Земли - Satellite Laser Ranging (SLR). Система SLR измеряет время, за которое лазерный импульс проходит расстояние от телескопа до спутника и обратно. Наблюдения проводятся по различным спутникам с оптико-отражательными системами [53].
Общее количество лазерных станций более 60, но точность получаемых данных сильно различается: от 1-2 до 10-15 сантиметров. Глобальная сеть SLR наиболее эффективно определяет геоцентрическую систему координат и структуру гравитационного поля Земли. Расположение станций позволяет изучать тектонические процессы, постледниковые подъемы земной коры, изменения во вращении Земли. При этом точность практически не зависит от длины базы. К сожалению, большинство станций расположено в Северном полушарии, что приводит к понижению точности геодезических измерений в Южном полушарии. В настоящее время прилагаются усилия к выравниванию точности земной системы координат в обоих полушариях [78]. 2.2.4. Допплеровская орбипюграфическая радиопозиционная интегрированная спутниковая система - Doppler Orbit determination and Radiopositioning Integrated on Satellite (DORIS).
Система космического слежения DORIS, состоящая из 60 станций, равномерно распределенных по поверхности земного шара, разработана во Франции и функционирует с 1990-х годов, формируя густую однородную сеть и обеспечивая точное измерение скоростей точек. Система DORIS, основанная на использовании эффекта Допплера, была создана главным образом для определения орбит спутников, но с ее помощью можно также устанавливать положение станций [69]. Результаты наблюдений DORIS незначительно отличаются от результатов других технических средств космической геодезии и, кроме того, обеспечивают оценки движения литосферных плит в тех районах, которые не охвачены сетями GPS, VLBI и SLR, например, в Африке [79].
Картографическая часть ГИС «Геодинамика»
В ГИС «Геодинамика» следует различать картографический блок и картографическую часть. К картографическому блоку мы относим только те карты, которые отражают непосредственные геодинамические характеристики (границы, зоны, скорости и др.) и являются результатом работы самой ГИС. Картографическая часть ГИС - более широкое понятие. Наряду с картографическим блоком сюда входят и карты, используемые для картографирования геодинамических характеристик. Часть этих карт существует независимо и вводится в ГИС по имеющимся оригиналам (геологические, палеоклиматические карты и др.), некоторые создаются и при необходимости обновляются непосредственно при работе ГИС (сети опорных точек, гипоцентров землетрясений и др.) Картографическая часть должна включать в себя четыре группы карт: I. существующие и при необходимости постоянно обновляемые или заново создаваемые геологические, геофизические и палео- карты различной тематики, используемые для определения положения некоторых геодинамических объектов (в основном границ литосферньгх плит и различных геодинамических зон); II. карты, обеспечивающие локализацию различных количественных показателей, таких как скорости движения точек на земной поверхности, невязки скоростей и др.; III. карты отдельных установленных геодинамических объектов и параметров; IV. обобщающие карты, содержание которых опирается на все предшествующие источники и комплексно отражают геодинамическую ситуацию на определенном пространственном уровне. Обратимся к детальному рассмотрению тематики карт, входящих в различные группы картографической части ГИС. I группа карт.
Как указывалось в 1.4, геодинамические исследования опираются на карты геологические, тектонические, карты палеосодержания, карты землетрясений. Именно они входят в состав первой группы, которая должна включать следующие карты: - тектонические карты. Для геодинамических исследований тектонические карты представляют наибольший интерес, так как дают полную информацию о структуре и изменениях земной коры. По охвату территории тектонические карты делятся на глобальные, обзорные и региональные, по содержанию - на общие и специальные. В мелких масштабах на общих тектонических картах изображаются платформы, щиты, плиты, геосинклинали, складчатые области, в крупных масштабах - отдельные складки, разломы, горсты, грабены и т.д. На специальных картах отображается какой-то один аспект тектонического строения региона или какой-либо этап его эволюции. Из специальных тектонических карт наибольший интерес представляют палеотектонические, неотектонические, карты современной тектоники, а также карты палеогеодинамических реконструкций. Палеотектонические карты детально раскрывают тектоническую историю картографируемого региона. Их логическим продолжением являются неотектонические карты, составляемые для неотектонического этапа (олигоцен-квартер). Карты современной тектоники делятся, в свою очередь, на два типа: карты современных вертикальных движений и карты (или карты-схемы) мгновенной кинематики литосферных плит, на которых отражены горизонтальные смещения плит. По сути, карты мгновенной кинематики являются картами моделей движения плит.
Карты палеогеодинамических реконструкций отражают перемещения литосферных плит в разные геологические эпохи и необходимы для изучения современной кинематики плит. В раздел тектонических карт можно также отнести и карты горячих точек. - геологические карты. Необходимы при изучении геодинамики для получения информации о возрасте различных участков земной коры, составе пород, мощности отложений; - карты палеосодержания: палеомагнитные, палеоботанические, палеонтологические, палеогеографические и палеоклиматические. Являются основой для составления карт геодинамических реконструкций; - сейсмологические карты. Должны учитывать все землетрясения за период организованного наблюдения с разделением на определенные временные интервалы, с дифференциацией по глубине гипоцентров и магнитуде. Их дополняют карты сейсмических зон и карты сейсмологических станций.В первую группу карт могут включаться литолого-фациальные, металлогенические, инмсенерно-геологические, общегеографические и другие карты, на основе которых можно получить дополнительную информацию для изучения геодинамических процессов. II группа карт.
Вторая группа карт является в определенном смысле служебной и не несет специализированной геодинамической информации. Главное назначение этих карт -обеспечить привязку и локализацию основных исходных данных, служить географической основой в широком смысле этого слова, при создании серии тематических карт. Как указывалось в 3.1, в эту группу входят географические основы в классическом понимании (контурные очертания, гидрография, рельеф) и карты, отражающие сети различных опорных точек. К последним относятся карты, построенные на основе координат, хранящихся в разделе исходных данных. Это должны быть карты: сейсмологических сетей (глобальный, региональный и локальный уровни), опорных точек космической геодезии (для каждой системы и совместная) и, при необходимости, сети геодезических пунктов, которые участвуют в геодинамических исследованиях. При создании географических основ должны быть учтены требования, предъявляемые к их математическим свойствам. Для карт всех пространственных уровней целесообразно подготовить основы и в равноугольных, и в равновеликих проекциях. Первые должны использоваться для карт, в содержание которых входят только ориентированные в пространстве линейные элементы (границы плит, сейсмические пояса, векторы движения точек). Если в содержании карты основными являются площадные элементы, их целесообразно строить в равновеликих проекциях.
По нашему мнению, при разработке географических основ достаточно сложным и требующим в дальнейшем экспериментальной проработки является вопрос об изображении рельефа. С одной стороны наличие рельефа на картах позволяет оценить согласованность выбора точек натурных наблюдений с этим элементом ландшафта, выявлять наличие или отсутствие корреляции между геодинамическими параметрами и рельефом, и ее изменение или сохранение при работе на разных пространственных уровнях (мега-, мезо- и микро- плиты). В то же время наличие рельефа может приводить к графической перегрузке, что затруднит работу с картой. Поэтому представляется целесообразным создавать отдельные оригиналы рельефа, используемые в режиме оверлея. Ш группа карт. Достаточно многочисленной является третья группа карт, отображающая отдельные качественные и количественные геодинамические характеристики и объекты, среди которых основными являются: - различные типы границ: дивергентные границы (спрединговые и континентальные рифтовые); конвергентные границы (субдукционные и коллизионные); трансформные границы; - геодинамические зоны ( 1.3.4.3): зоны раздвижения (спрединга и континентальные рифтовые); зоны сжатия (субдукционные и коллизионные); зоны трансформных разломов; - типы плит: континентальные, океанические, смешанные; - деление плит по размерам: мегаплиты, мезоплиты и микроплиты; - скорости движения точек на земной поверхности по данным различных методов космической геодезии; - скорости движения точек по данным геофизических методов; - модельные (вычисленные) скорости движения плит: относительные и абсолютные; - вертикальные смещения, полученные с помощью различных геодезических методов; - невязки скоростей; - угловые скорости вращения и центры вращения плит (по данным различных моделей); - горизонтальные деформации плит; - вертикальные деформации плит; - деформации вращения. Карты невязок скоростей исходят из представлений о твердотельной модели движения литосферных плит и характеризуют расхождение между наблюденными и модельными скоростями.
Создание серии карт невязок скоростей для Евразийской и Северо-Американской плит
Карты предыдущей серии были составлены по данным наблюдений различных систем космической геодезии. Но в создаваемой ГИС "Геодинамика" предполагается не только отображение информации наблюдения, но и математическая обработка, анализ этих данных, а также моделирование геодинамических процессов, результаты которого сопоставляются с материалами реального наблюдения. Данные, полученные в ходе подобного исследования, требуют визуализации и должны быть нанесены на картографическую основу. Карты подобного типа, отражающие результаты геодинамического моделирования до настоящего времени не создавались. Отсутствие предшествующего опыта картографирования определяет необходимость решения двух задач: выбор методики вычисления картографируемых показателей и разработка способа его картографического представления. Построение единой глобальной модели твердотельного вращения, основанной на данных наблюдения методов космической геодезии, пока не представляется возможным в связи с тем, что не на всех плитах расположено достаточное для анализа количество станций наблюдения. В силу этих обстоятельств моделирование выполняется для каждой плиты отдельно, а, следовательно, и обработка данных, вычисление параметров вращения, модельных скоростей и остаточных невязок скоростей, а также картографирование полученных результатов проводятся уже не на глобальном, а на региональном уровне. Для проведения исследования и вычисления невязок скоростей на основе твердотельной модели вращения были выбраны две плиты: Северо-Американская и Евразийская, как наиболее обеспеченные натурными наблюдениями.
В ходе исследований разработана следующая схема обработки данных и их последующего картографирования для твердотельной модели вращения плит (рис. 29). В разделе вычислительной обработки выполняются следующие операции: - вычисление параметров движения плит (угловая скорость вращения и полюс вращения плиты); - расчет модельных значений скоростей движения точек на земной поверхности (для твердотельной модели). - вычисление невязок скоростей движения точек на земной поверхности, которые и принимаются в качестве картографируемого показателя. В разделе графических построений сохраняется тот же блок локализации и привязки данных, который использовался для построения карт скоростей движения точек на земной поверхности. 4.3.1.Кинематика плит. Вычисление картографируемых показателей для карт невязок скоростей. Обработка данных проводилась по следующей схеме: Линейные (V) и угловые (со) скорости движения точек на земной поверхности связаны следующим соотношением: V(x) = co(y)Q:- D(z)Cy V(y) = co(z) Dc - со(х) Dz V(z) = co(x) Of - oo(y) Dc Используя данные натурных наблюдений мы получаем значения проекций вектора со для каждой станции, после чего, применяя метод наименьших квадратов оцениваем параметры вращения всей плиты: где со (со(х), (у), oo(z)) - вектор вращения плиты. На основе предположения о твердотельном вращении каждой плиты, зная координаты каждой станции (х, у, z) и общие для всей плиты компоненты вектора а, можно вычислить модельные скорости каждой станции Vm(x),Vm(y),Vm(z)[98].
Разности, найденные по правилу вычитания векторов, между наблюдаемыми скоростями и скоростями, вычисленными при условии твердотельного вращения, называются остаточными невязками скоростей. Эти невязки характеризуют точность используемой модели, и их величины позволяют оценить отклонение от твердотельной модели движения литосферных плит. Предельное значение (5 мм/год), удовлетворяющее концепции твердотельного вращения, определялось на основе среднеквадратических отклонений модельных и наблюденных скоростей для обеих плит. Большие (более 5 мм/год) и не совпадающие с направлением вектора скорости станции невязки свидетельствуют о нетвердотельности плиты в данном районе. Небольшие невязки (до 5 мм/год), возникающие при отсутствии значительных угловых уклонений от вектора наблюденной скорости - о том, что данные наблюдения совпадают с вычисленной моделью и этот район можно считать твердотельным . Еще одной причиной больших невязок могут быть ошибки наблюдений. Для того, чтобы исключить из анализа такие станции необходимо пользоваться дополнительными материалами в виде геологических и тектонических карт, так как большие невязки характерны для приграничных зон литосферных плит и районов с повышенной тектонической активностью.
И для Северо-Американской, и для Евразийской плит компоненты вектора со и погрешности их определения были вычислены как отдельно по наблюдениям GPS, VLBI, SLR, так и совместно для всех четырех методов, включая и систему DORIS. Проводить оценивание по данным только системы DORIS пока не представляется возможным из-за ограниченного количества информации. Первоначально были обработаны данные для Евразийской плиты [99]. В таблице 8 приведены соответствующие оценки. Оценки компонент находятся в хорошем согласии, особенно по YLBI и SLR наблюдениям. Обработка данных в рамках совместного решения приводит к заметному улучшению точности. Такие же вычисления, отдельно по всем методам и совместно, были выполнены и для Северо-Американской плиты [100-101]. При этом выявились значительные остаточные невязки скоростей. Например, на территории Аляски при наблюденных скоростях от 20 до 50 мм/год невязки иногда достигают 35 мм. Такие величины не могут быть объяснены ошибками наблюдений, так как фиксируются по данным разных систем космической геодезии и локализуются на определенных участках. Они обусловлены тем, что Аляска - очень сложный тектонический район, по территории которого проходят несколько разломов (главным образом сдвигов), а Южная Аляска является областью молодого вулканизма
Большие остаточные невязки скоростей в пределах Северо-Американской плиты привели к решению о проведении вычислений с разными наборами станций. Были приняты следующие наборы станций: -все станции -без станций, находящихся у границы плиты -без станций, находящихся на Аляске -без станций у границы плиты и на Аляске -только станции, находящиеся на Аляске Результаты оценки вектора скорости вращения плиты при использовании различных наборов станций приведены в таблице 9. Оценки компонент находятся в хорошем согласии, особенно по VLBI и SLR наблюдениям (так же как и для Евразийской плиты). Очевидно, это связано и с высоким уровнем точности наблюдений данных методов, и с меньшим количеством станций. Лучшие оценки компонент получены с набором данных, в котором отсутствуют станции на Аляске и на границе. Лучшая точность получена для наборов станций совместного решения различных методов космической геодезии. Дополнительно были обработаны данные по GPS для Северной Америки на эпоху наблюдений 2000.0 (табл.10). За 3 года число станций GPS на территории Северной Америки, участвующих в наблюдениях, увеличилось более, чем в два раза. Но из-за введения новых станций с низким уровнем точности измерений результаты ухудшились (произошло накопление ошибок) и оценки компонент вектора со (особенно по компоненте ю(х)) сильно отличаются от результатов обработки данных GPS на эпоху наблюдений 1997.0.