Применение GPS в задачах геологии и геодинамики

Геодинамика – научная дисциплина о динамических процессах, происходящих в системе «планета Земля», и о силовых полях, обуславливающих эти процессы. Основная теоретическая задача геодинамики состоит в том, чтобы, зная силовые поля, определить характер динамических процессов, происходящих под их воздействием, в теле, литосфере и атмосфере Земли. Геодинамика, изучая динамику Земли, отчасти решает задачу определения характера силовых полей и изменений их во времени.

Геодинамика как самостоятельная научная дисциплина развивается на стыке астрометрии, геодезии, геологии, геофизики, океанологии и других наук о Земле. Последнее время в геодинамике начинается использование высокоточной GPS-аппаратуры как наиболее приемлемого решения задачи о привязке результатов измерений к единой глобальной системе координат.

Исходным материалом для изучения динамики Земли служат данные о фигуре (физической, гравитационной и динамической),внутреннем строении, литосфере, гидросфере, атмосфере Земли, солнечно-земные и лунно-земные связи, геогравитационное, геомагнитное, геотермическое и другие силовые поля, суточное вращение и годовое движение Земли.

Для решения геодинамических задач требуется единая система отсчета – система геодезических координат и отсчета времени.

В настоящее время ясно, что твердая, воздушная и водная оболочки Земли и Космос должны рассматриваться как единая динамическая система, непрерывно изменяющаяся во времени. Наиболее стабильная часть этой системы – твердая оболочка Земли – тоже подвержена заметным изменениям во времени, в особенности на дне Мирового океана и местах повышенной вулканической активности – на разломах тектонических плит.

В настоящее время проблемы точного измерения подвижек земной коры решаются с применением спутникового нивелирования, радиоинтерферометрии и длиннобазисной интерферометрии(Very Long Baseline Interferometry- VLBI).

Работы по созданию спутниковых геометрических построений проводились в СССР и других социалистических странах с 1961 г. На основе наблюдений ИСЗ Echo-1 и Echo-2 в 1963 г. со станций в Звенигороде, Николаеве, Риге, Ужгороде, Бухаресте, Познани, Праге была построена экспериментальная сеть космической триангуляции, протяженностью более 10 тыс.км.

Практические результаты в решении геометрических задач космической геодезии были получены на основе синхронных и квазисинхронных наблюдений камерами Бейкера-Нанна со станций, расположенных в США, Перу и на о-ве Кюрасао. В 1962 г. из наблюдений с мая по ноябрь были определены направления линий, соединяющие соседние станции, с ошибкой порядка 1”.

В соответствии с программой NGSP (США), из наблюдений камерами ВС-4 спутника-баллона PAGEOS, была построена Мировая сеть космической триангуляции, состоящая из 45 пунктов, с расстояниями между пунктами 2-5 тыс.км. Сеть образована 174 сторонами, в ней измерено 7 космических базисов – 2 из них в Европе: Тромсе-Хохенпайсенберг-Катания. Первый базис протяженностью 2458 км определен с ошибкой 3*10^-7, второй базис с протяженностью 1195 км – 1*10^-6. В среднем по сети, средняя квадратическая ошибка положения пункта составила 4.5 метра. Ошибки направлений на звезды и спутник в среднем составили соответственно 1.57 и 1.61”.

С 1966 года спутник PAGEOS регулярно наблюдали на станциях ряда западноевропейских стран с целью отдельных региональных программ.

Также широкое распространение получил метод допплеровского наблюдения ИСЗ. Одним из возможных методов использования допплеровской аппаратуры является проведение синхронных наблюдений, при котором положение неизвестной станции определяют при одновременных наблюдениях как минимум с пяти станций. Координаты четырех станций должны быть известны, а параметры орбиты знать не требуется. Несмотря на то, что данный метод применяется крайне редко, тем не менее, в мае 1975 года пять станций в Западной Европе проводили синхронные допплеровские наблюдения, в соответствии с программой EDOC (European Doppler Observation Compaign). Вообще, допплеровские наблюдения широко используются для целей навигации, для обеспечения координатной привязки геологоразведочных работ. Например, в Канаде допплеровским методом выполнялось создание опорной геодезической сети из 40 пунктов и заполняющей сети из 80 пунктов; в США в 70-х годах была создана сеть из 140 допплеровских станций с расстояниями между ними 150-300 км.

Большие возможности открывают новые методы космической геодезии: спутниковая альтиметрия, спутниковая градиентометрия, наблюдения по линии “спутник-спутник”, лазерная локация Луны и радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой. Прогресс в развитии вычислительной техники и усовершенствование теории движения ИСЗ обусловливает успешное решение динамических задач космической геодезии.

Сразу после запуска первых спутников ученые разных стран стали проводить эксперименты по определению параметров геопотенциала Земли. Было уточнено значение полярного сжатия Земли из определений зонального коэффициента, подтверждена эллиптическая форма экватора и обнаружена ассиметрия северного и южного полушарий («грушевидность» Земли). Также проводились широкомасштабные исследования по получению параметров гравитационного потенциала Земли (ГПЗ). Это позволило уточнить незональные гармонические коэффициенты и определить поправки к координатам пунктов наблюдений.

В 70-х годах в рамках программы NGSP проводились определения параметров гравитационного поля Земли, которые привели к получению спутниковых моделей Земли GEM-1, -3, -5,-7 и –9, содержащих как зональные, так и незональные гармонические коэффициенты, при этом определялись поправки в геоцентрические координаты пунктов наблюдения. Для получения этих моделей использовались результаты фотографических, радиотехнических и лазерных наблюдений. При этом объем лазерных и радиотехнических (допплеровских) наблюдений возрастал от модели к модели: для вывода модели GEM-5 понадобилось 10000 лазерных наблюдений, для GEM-7 – 76000, а для GEM-9 – уже 213000. Результаты для каждой модели были получены из наблюдений 27-30 спутников с использованием 100 и более станций. В модели GEM-5 был определен 241 гармонический коэффициент, в модели GEM-7 – 400, а в модели GEM-9 – 566.

Результаты, полученные в космической геодезии динамическими методами, являются основой для геофизических выводов, проливающих свет на развитие Земли как планеты.

Среди работ в этой области, помимо изучения параметров гравитационного поля Земли и параметров вращения, следует отметить: исследование плотностных неоднородностей Земли, определение положения источников аномалий силы тяжести в теле Земли, исследование зависимостей между физическими полями (например, зависимость гравитационного поля от рельефа), исследование упругих свойств нашей планеты, получение информации о континентальном дрейфе, исследование физики атмосферы и океана и использование спутников для получения информации для прогнозирования землетрясений.