Лаборатория "Геодезии и картографии"
Форма входа
Категории каталога
Наши статьи [4]
Нужные [35]
здесь помещены статьи различных авторов, которые могут в чём-то помочь
Поиск
Друзья сайта
Статистика
Четверг, 08 Дек 2022, 21:01
Главная » Статьи » Нужные

КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

ДЛЯ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

 

М. Т. Прилепин

Объединенный институт физики Земли РАН, г.Москва

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Опыт обнаружения деформационных признаков

Схема развития сетей

Точностные характеристики сети

Объекты Российской Федерации

Аппаратурное обеспечение объекта

Принципы обработки данных мониторинга для определения

деформационных параметров

Заключение

Литература

 

 

Введение

 

Человеческие жертвы и разрушения, причиняемые сильными землетрясениями, на долгое время дестабилизируют состояние общества и существенно влияют на бюджет страны, поэтому прогноз землетрясений — одна из наиболее значимых проблем, стоящих перед наукой.

 

Весомым подтверждением сказанному является факт, что на последнем заседании комиссии “Гор – Черномырдин” в июле 1996 г. рассмотрены предложения о сотрудничестве стран в области прогноза землетрясений с помощью космических средств.

 

Эта проблема будет приобретать все большую остроту, поскольку неизбежно освоение человеком тектонически активных регионов мира, где возникновение землетрясений наиболее вероятно.

 

Конечно, значимость проблемы осознана давно и уже много десятилетий назад в ряде стран мира (Япония, Китай, США, СССР) были разработаны программы по прогнозу и начаты практические работы в этом направлении.[Рикитаке, 1979; Mogi, 1985; Соболев, 1993]

Однако приходится признать, что и сейчас проблема далека от решения и ученое сообщество Мира не умеет прогнозировать даже сильные землетрясения (свежие примеры: Спитакское М7.2, Сахалинское М7.5, Кобе, М7.0).

 

Описанные в литературе единичные случаи успешного прогноза, [Ralegh et al., 1977], скорее подтверждают, чем опровергают это утверждение.

 

Чем можно объяснить такое положение дел? Прежде всего тем, что те страны, которых это касается, тратили и продолжают тратить на решение задачи прогноза существенно меньшие ресурсы, чем необходимо. Важно подчеркнуть также отсутствие реальной кооперации стран в части создания экспериментальных Международных полигонов в нескольких сейсмоактивных регионах мира, где бы аккумулировался практический опыт различных школ по изучению предвестников и экспертной оценки вероятности событий.

 

Понятно, что есть и объективные трудности, связанные со сложностью самой проблемы.  До сих пор нет общепризнанных концепций развития очага будущего землетрясения даже для наиболее частых и изученных случаев коровых землетрясений, когда землетрясение происходит как внезапное проскальзывание в противоположных направлениях бортов существующих крупных разломов типа Сан-Андреас в Калифорнии, Памбак-Севанского в Армении, Северо-Анатолийского в Турции и т.д.

 

Нет однозначного понимания физики подготовки сейсмических событий в зонах субдукций, зонах “выдавливания” вещества недр Земли или, наоборот, оттока вещества. Противоречивы взгляды ученых на значимость роли внешних воздействий (лунно-солнечных приливов, барометрического перепада давления в атмосфере, дождевых потоков) на время “срабатывания” подготовленного тектонического землетрясения.

 

Тем не менее, многолетний опыт натурного изучения сейсмических событий и лабораторных исследований напряженного состояния горных пород дает основание заключить, что землетрясение — это механический процесс внезапного высвобождения заключенной в геофизической среде энергии, когда напряжения превосходят критические. Таким образом, первичным признаком подготовки землетрясения в тектонически активном регионе являются деформационные процессы, обуславливающие накопление напряжений в среде.

 

Деформирование обуславливает изменение свойств среды, в частности, меняются скорости распространения сейсмических волн, перемещения флюидо-газовых компонент в литосфере, электрические и магнитные свойства пород. Все эти изменения могут быть с той или иной степенью уверенности зафиксированы   инструментально и могут служить прогностическими признаками при прогнозе землетрясений [Gokhberg et al., 1995; Гуфельд и др., 1992; Киссин, 1996; Моргунов и др., 1997]. В связи с этим на начальном этапе целесообразно комплексное изучение эффективности различных прогностических параметров при разработке реальной службы прогноза.

 

В данном предложении мы будем касаться обнаружения только деформационных признаков, которые могут быть зафиксированы с помощью системы GPS или ГЛОНАСС и которые вносят свой вклад в решение проблемы прогноза по совокупности многих признаков. [Prilepin, 1993]

 

 Опыт обнаружения деформационных признаков

 

Хотя геодезические измерения с целью прогноза землетрясений ведутся в мире довольно много времени, примеров реального обнаружения деформационных предвестников по результатам линейных измерений как более эффективных, по сравнению с нивелировками, для оперативного прогноза известно совсем немного. В литературе удалось найти три случая, когда такие измерения “совпали” по времени с сейсмическим событием, а расположение линий было в эпицентральной области.

 
Рис.1. Аномальное изменение длины линии (25 км), измеряемой геодиметром до и после землетрясения в Холлистере, Калифорния: М5.0, 1960 г. (Рикитаке, 1960)

Первый опыт кратко описан в работе Т. Рикитаке [1979]. На рис. 1 показана динамика изменения длины линии, измеренной геодиметром. Линия длиной 25 км пересекла разлом Сан-Андреас, в окрестностях которого и произошло землетрясение (Холлистер, 1960 г., М5.0). Как показано на рис. 1, за 15 мин до землетрясения началось резкое увеличение длины. Эти аномальные изменения вполне могли служить прогностическим признаком. Отметим, что характер изменения линейной деформации в этом случае очень похож на тот, что наблюдается в лабораторных экспериментах (см. [Mogi, 1985]).

 
Рис. 2. Схемы расположения линий, измеренных двухволновым геодиметром в окресностях эпицентральной области землетрясения Чалфант, Южная Калифорния, 1986 г. (Langbein, 1991)

 Во втором случае, представляющем для нас интерес, измерения также выполнены геодиметром, к этому времени уже двухволновым, гарантирующим измерения расстояний 10-15 км на уровне точности 1-2´10-7 [Langbein, 1989].  Характер сети показан на рис. 2, графики изменения деформаций — на рис. 3.

 

Как мы видим, при расположении очага на расстоянии 30-40 км отчетливо просматриваются аномальные изменения линейных деформаций, деформаций сдвига и площадной дилатации. Конечно, какого-либо прогноза по этим данным не было сделано, поскольку результаты обработаны позже. При этом потеряна самая важная информация об изменении параметров по времени вблизи события, поскольку измерения выполнялись практически один раз в неделю.

 

В третьем случае в качестве измерительного средства выступает сеть GPS с непрерывным набором данных и с выдачей результатов по изменениям компонентов относительных координат между станциями 1 раз в сутки [Bock et al., 1993; Blewitt et al., 1993]. Расположение станций наблюдений и характер изменения фиксируемых параметров показан на рис. 4 и 5.  Как мы видим из этих рисунков, деформации линий длиной порядка 170 км, расположенных примерно в 70-120 км от зоны разрывов, практически не проявились до землетрясения Ландерс (1992 г., M7.5).

 

Нам представляется, что это — результат не только неудачного расположения пунктов сети (которая развивалась не как прогностическая сеть, а как сеть для оперативного определения координат ИСЗ GPS), но и слишком большого интервала осреднения данных (сутки), что “смазывало” малый предвестниковый эффект.

 

Какие выводы напрашиваются из описанных случаев?

 

Как отдельные линии, так и сети линий, если они расположены достаточно близко к эпицентру готовящегося землетрясения (первые десятки километров), “чувствуют” приближение события по крайней мере за несколько суток (землетрясение Чалфант, 1986 г., М6.4), а иногда всего лишь за доли часа (Холлистер, 1960 г., М5.0), что отражает различие механизмов подготовки разных землетрясений.

 

Менее удачное расположение линий на расстояниях порядка сотни километров “пропускает” событие, т.е. чувствительность метода в случае, когда деформационные характеристики измеряются на уровне точности 1–3´10-7, недостаточна.

 

Конечно, представленного материала совершенно недостаточно для обобщающих выводов, и его предстоит набрать в ближайшем будущем. Однако ряд рекомендаций может быть сделан уже сейчас, если принять во внимание некоторые теоретические исследования сейсмического цикла, характерными особенностями которого являются длинные периоды (десятки–сотни лет) накопления с малой скоростью деформаций и весьма короткие периоды “возбуждения” перед событием [Stuart, 1986].

 

Для того чтобы сети GPS могли служить средством получения деформационных предвестников, они должны удовлетворять следующим условиям:

покрывать большие площади сейсмических регионов (порядка n×100 км ´ k×100 км, где n, k = 1,2,3

сети должны быть достаточно густые, чтобы не пропустить событие с магнитудой M=5 и более;

на последней стадии построения сетей должны быть предусмотрены сети мониторинга деформаций с выдачей результатов по крайней мере 1 раз каждые 15–30 мин.

 

Удовлетворить указанные требования создания однородной и плотной сети в один этап - трудная задача по чисто экономическим соображениям, поэтому целесообразно постадийное развитие сетей GPS, учитывая сформировавшуюся последовательность решения задачи по долгосрочному, среднесрочному и оперативному прогнозу землетрясений [Соболев, 1993]

 

 Схема развития сетей

 

Предлагается следующий вариант развития GPS-сетей для сейсмоопасных регионов.

 

Положим, что сейсмический регион, где, по оценкам сейсмологов, в будущем возможны землетрясения с магнитудой М³5, занимает участок около 200´200 км (рис. 6) (Прим. автора: Это примерно соответствует зоне с семибалльным разрушением при коровых землетрясениях при магнитуде М~8 при глубине очага порядка 40 км).

 

Прежде всего на этом участке необходимо развить сети двух типов — тип А и тип В. Эти сети предназначаются для общего изучения деформационного поля региона и его аномалий во времени.

Сеть типа А со сторонами порядка 100 км не обязательно равномерно покрывает территорию региона, как это стилизованно показано на рис. 6. Главное требование к расположению пунктов состоит в том, чтобы не менее двух-трех пунктов приходились на характерные геологические провинции данной территории, могущие иметь специфический характер развития деформаций.  Наблюдения на этой сети должны повторяться каждый год.

 

       Пункты сети типа В со сторонами порядка 15–20 км выбираются уже применительно к конкретным локальным геологическим особенностям региона; различным типам разломов, надвигов, зонам коллизий и субдукций т.д.  Пункты этой сети могут служить индикаторами скрытых разломов,  поэтому  расположение  точек должно выбираться с учетом и этого обстоятельства. Таких пунктов на выделенном участке будет порядка 60–100. Первые две эпохи наблюдений на сети типа В должны быть выполнены через год. В дальнейшем период повторения наблюдений в сети типа В будет определяться характером изменения деформационного поля в регионе. Отдельные участки могут наблюдаться при необходимости раз в квартал и чаще.  Изучение характера изменения деформационного поля по сетям А и В, с учетом другой информации по региону, позволит выделить наиболее сейсмоопасные участки,  например, “запертые” участки активных разломов, где необходимо строить сети мониторинга типа С со сторонами 5–15 км. Таких пунктов должно быть не менее 12–15, наблюдения на них надо проводить в режиме оперативного прогноза с выдачей результатов по деформационным параметрам через каждые 15–30 мин.

 

Пункты деформометрических сетей должны выбираться совместно геодезистами, сейсмологами и сейсмогеологами. Не лишне отметить, что развиваемые сети, помимо “сейсмологической” нагрузки, могут весьма эффективно использоваться во всех областях хозяйственной деятельности, включая проведение съемочных и разведочных работ, возведения и эксплуатации инженерных сооружений и т.д.

 

 Точностные характеристики сети

 

Поскольку фоновые значения тектонических деформаций земной коры для территорий размером десятки на десятки километров соответствуют значениям порядка 1´10-7, разумно потребовать, чтобы деформационные характеристики на проектируемых сетях определялись на уровне точности, близкой к фоновым значениям. На нынешнем этапе развития GPS технологии это непростая задача.

 

Как показывает мировой опыт применения GPS, для сетей, с расстояниями в первые сотни километров, в постобработке с использованием прецизионных эфемерид спутников может быть обеспечена точность определения горизонтальных компонент относительных координат пунктов сети на уровне 2´10-8 при продолжительности наблюдений на пунктах не менее 3 сут.  Для расстояний в сети порядка первых десятков километров, также в постобработке,  может быть обеспечена точность на уровне 1´10-7 при продолжительности наблюдений не менее 3 сут. Вертикальные компоненты определяются с ошибками в 2-5 раза большими по сравнению с горизонтальными.[Прилепин, 1994]

 

Труднее дело обстоит с сетями мониторинга, где невозможно иметь на период обработки точные эфемериды. Международная геодинамическая служба Международной Ассоциации геодезии выдает для научного сообщества потребителей точные эфемериды ИСЗ GPS с задержкой 7–10 дней.[Прилепин, 1997]  В связи с этим для оперативной обработки результатов по сети мониторинга необходимо иметь дополнительную на каждый регион сеть опорных пунктов (3–4 пункта, см. рис. 6).  Назначение этих опорных пунктов — уточнение орбит ИСЗ. Опорные пункты выбираются на стабильных участках в окрестностях изучаемого региона, с расстояниями между ними не менее 400 км, в местах, где может быть обеспечена непрерывная связь для передачи данных наблюдений с этих пунктов в региональный центр обработки. Координаты этих станций определяются в Международной земной системе координат (ITRF) по длительным рядам наблюдений и используются как твердые при обработке прогностических сетей.

 

Поскольку на сети мониторинга требуется выдача результатов не реже чем через 15-30 мин, предстоит серьезная методическая работа как в части выполнения измерений, так и обработки результатов, чтобы обеспечить точность деформационных параметров на уровне 2-3´10-7.

 

Результаты нескольких эпох измерений в сетях, развитых по предлагаемой схеме, позволят получить следующие приближенные данные для прогноза:

 

магнитуду события по размеру площади, вовлеченной в деформирование, с использованием известных соотношений [Rikitake, 1988], а также путем сопоставления текущих значений деформаций сдвига, определяемых GPS, со значением критических деформаций, определяемых по результатам изучения ранее происшедших в данном регионе землетрясений;

координаты будущего эпицентра — по характеру распределения деформаций сдвига;

время события для долгосрочного и среднесрочного прогноза — по различию критического и текущего значений деформаций сдвига и скорости изменения текущего значения;

оперативный прогноз дается как результат экспертной оценки аномального поведения деформационных характеристик, определяемых GPS, с привлечением других доступных данных [Прилепин, 1993].

 

 Объекты Российской Федерации

 

Первоочередными объектами для GPS изучения с точки зрения получения деформационных предвестников можно назвать:

 

Регион Петропавловска-Камчатского,

Северо-Кавказский регион (Ставрополь, Кисловодск),

Байкальский регион,

Сахалино-Курильский регион.

 

Возможные совместные проекты:

 

1.     Россия – Армения – Грузия (Кавказский регион).

2.     Россия – Киргизия – Казахстан (Памиро-Тяньшаньский регион).

 

 Аппаратурное обеспечение объекта

 

Как мы видели, на заключительном этапе работ по прогнозу (оперативный прогноз) с помощью GPS необходимо на объекте иметь не менее 12-15 приемников для стационарных наблюдений на опорных пунктах и пунктах мониторинга.

 

В целом прогностической службе РФ на начальном этапе необходимо порядка 50–60 приемников (отметим, что в настоящее время в Калифорнии используется около 200 приемников, а в Японии создается сеть мониторинга по всей территории с привлечением около 600 приемников)., Для опорных станций целесообразно использовать приемники ROGUE, а для развития сетей — приемники фирм Trimble 4000 SSI или Ashtech Z-12. Однако необходима модернизация тех экземпляров, которые предназначены для сетей мониторинга (сети типа С). На этих пунктах должна быть предусмотрена телеметрическая связь с региональным центром обработки данных (в пределах 50–200 км). Учитывая большой объем данных, записываемых приемником, предстоит специальная разработка, связанная с отбором и сжатием информации, передаваемой в центр обработки.

 

Принципы обработки данных мониторинга для определения

деформационных параметров

 

Как показывают результаты проведенных ранее экспериментов, скорости изменения деформаций за 10-15 мин перед землетрясением могут достигать значений порядка 3´10-8 (Холлистер, 1960 г., М5.0), а суточные скорости могут составлять
2–7´10-7 за 13 сут до события (Чалфант, 1986 г., М6.4). Эти цифры могут быть использованы как ориентировочные для разработки принципов обработки данных GPS наблюдений. Главная проблема здесь — обеспечение относительной точности на уровне 2-3´10-7 для сети мониторинга по массивам данных, набранных за очень короткие промежутки времени (15–30 мин). Это непростая задача, хотя есть и благоприятные обстоятельства, связанные с тем, что работа идет длительное время на одних и тех же пунктах, координаты которых относительно опорных точек хорошо известны.  Это означает, что может быть всегда разрешена многозначность, могут быть изучены вопросы многопутности распространения сигнала для различных погодных условий, разработаны уточненные модели для учета сухой и влажной компонент атмосферы и т.д. Целесообразно в вычислениях предусмотреть получение вместе с деформационными параметрами и электронной концентрации ионосферы в направлении на зенит точек наблюдения. Этот параметр может служить как дополнительным прогностическим признаком, так и для оценки остаточного влияния ионосферы на результаты определения деформационных параметров.

 

Заключение

 

1.     Периодические измерения в сейсмоопасных регионах деформационных параметров (величин главных деформаций и их направлений деформаций сдвига и площадной дилатации) с точностью близкой к уровню фоновых значений, позволяют локализовать эпицентральную область и примерно оценить силу готовящегося землетрясения. Мониторинг деформационных параметров в эпицентральной области, по анализу аномальности изменений, позволяет делать заключение о вероятном времени сейсмического события.

2.     GPS технология, позволяющая изучать деформационное поле для целей прогноза, имеет существенные преимущества перед наземными методами в части точности, площадного охвата, возможности автоматизации измерений и комплексирования с другими измерительными комплексами. Уже сейчас GPS незаменима как инструмент “быстрого реагирования” для изучения пост-сейсмических деформаций в эпицентральных областях происшедших землетрясений.

3.     По нашему мнению, одной из первоочередных задач по прогнозу землетрясений является создание Международного прогностического полигона, в работах которого могли бы быть аккумулированы наработки как в части технологий сбора наблюдательного материала по различным предвестникам, так и принципам экспертной оценки ситуаций и выдачи рекомендаций для принятия решений. Подходящими регионами для создания таких полигонов является Северный Кавказ, с последующим расширением на весь Кавказ, а также Сахалин с окружающими территориями.

 

Литература

 

Blewitt G., et al. Absolute Far-Field Displacements from the 28 June, 1992, Landers Earthquake Sequence// Nature. 1993. No. 361. P. 340-342.

Bock Y., et al. Detection of Crustal Deformation from the Landers Earthquake Sequence Using Continuous Geodetic Measurements// Nature. 1993. No. 361. P. 337-340.

M.Gokhberg, V.Morgunov, O.Pokhotelov. Earthquake Prediction: Seismoelectromagnetic Phenomena. Reading-Philadelphia, Gordon and Breach Sci. Publ. 1995,287 p.

И.Л.Гуфельд, Г.А.Гусев, О.А.Похотелов. Прогноз даты сильных коровых землетрясений. Доклады РАН., т. 338, № 6, 1992.

И.Г.Киссин. Флюидонасыщенность земной коры, электропроводность, сейсмичность. Физика Земли, № 4, 1996.

Langbein J. Deformation of the Long Valley Caldera, Eastern California, from mid-1983 to mid-1988: Measurements Using Two-Colour Geodimeter// J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94, No. B4. P. 3833-3849.

Mogi K. Earthquake Prediction. Academic Press, 1985.

Чэнь Ли. Спутниковый мониторинг деформаций с выдачей результатов в квази-реальном масштабе времени. Автореферат кандидатской диссертации, ИФЗ 1995 г.

В.А.Моргунов, А.Я.Сидорин. Регистрация электромагнитных предвестников землетрясений. Сейсмические приборы. М:ОИФЗ РАН, 1997, вып. 25/26.

M.T.Prilepin. Detection of Earthquake Forerunners Using the Global Positioning System. Procv. of International Symposium of Recent Crustal Movements. Kobe, Japan, December, 1993.

М.Т.Прилепин. Использование глобальных спутниковых систем для изучения деформаций земной коры.//”Динамика континентальной литосферы” Подвижные пояса. Под ред. Н.А.Логачева и В.С.Хромовских. М., Недра, 1994.

М.Т.Прилепин, С.Ю.Баласанян, С.М.Баранова и др. Изучение кинематики Кавказского региона с использованием GPS технологии. Физика Земли, 1997, № 6.

Raleigh B., G.Bennett, H.Craig, T.Hanks, P.Molnar, A.Nur, J.Savage, C.Scholtz, R.Turner, F.Wu. Prediction of the Haicheng earthquake// EOS Trans. AGU. 1977. Vol.58. P. 236-272.

Rikitake T. Earthquake Prediction: an Empirical Approach// Tectonophysics. 1988. Vol. 148.

Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1979.

Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993.

Stuart W. Forecast Model for Large and Great Earthquake in Southern California// J.Geophys. Res. 1986. Vol. 91, No. B14. P. 13,771-13,786.

 
 
Категория: Нужные | Добавил: geokart (21 Окт 2008)
Просмотров: 2288 | Рейтинг: 0.0/0 |

Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]

GeoKart © 2007-2010Используются технологии uCoz