Комплексный мониторинг литосферных процессов с использованием GPS и лазерной интерферометрии

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6

УДК 550.34 С.В.ЯКОВЕНКО

Комплексный мониторинг литосферных процессов с использованием GPS и лазерной интерферометрии

Рассматриваются результаты работы широкодиапазонного комплекса для наблюдения за деформационными процессами земной коры, созданного в ТОИ ДВО РАН. Основа комплекса - лазерные деформометры и двухчастотные GPS-приемники, предназначенные для мониторинга уровня микродеформаций земной коры и положения GPS-пунктов в системе имеющихся станций. Проект направлен на комплексное изучение длиннопериодных процессов, приводящих к изменению уровня напряжения в верхнем слое литосферы, и поиск предвестников опасных геодинамических процессов.

Ключевые слова: лазерный деформограф, смещения земной коры, двухчастотный GPS-приемник, система глобального позиционирования, частотно-стабилизированный лазер, предвестники землетрясений, региональная система мониторинга литосферных процессов.

Integrated monitoring of lithospheric processes using GPS and laser interferometry. S.V.YAKOVENKO (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

The article is dedicated to wideband measure complex for observation over the strain processes of the Earth crust that was built and started in POI FEB RAS and to its working results. The basis of a complex is the laser strainmeters and the bi-frequency GPS receivers. These instruments are intended for monitoring a level of microstrains of the Earth crust and location of GPS-points within the system of the available stations.

The project is directed on integrated study of long-period processes, resulting to change of a stress level in the upper lithosphere and search for the forerunners of dangerous geodynamic processes.

Key words: laser strainmeter, strains of the Earth crust, bi-frequency GPS receiver, global positioning system, frequency-stabilized laser, forerunners of earthquakes, regional system of lithosphere processes monitoring.

Связь локальных деформаций земной коры с протекающими в ней глобальными процессами регионального и даже планетарного масштаба неоспорима. Но регистрируемые современными приборами микросмещения, отражающие эти процессы, не несут информации о масштабе источника. А если возмущения связаны с глобальными длиннопериодными колебаниями, то можно предположить корреляцию между смещениями в локальных точках и на базах значительной протяженности. Необходимо использовать постоянно действующие приборы, способные с высокой точностью фиксировать возмущения на базах от единиц и десятков метров (для локальных измерений) до тысяч километров (для регистрации в глобальном масштабе).

Фоновые колебания Земли находятся на уровне 0,1 нм, а опасные геодинамические процессы подвижек верхнего слоя земной коры, приводящие к землетрясениям, горным ударам, цунами и т.п., очень медленны и находятся в крайне левом инфразвуковом диапазоне частот. В настоящее время на основе современных лазерно-интерференционных методов созданы установки, рабочий диапазон частот которых простирается условно от 0 до 1000 Гц и более, а чувствительность определяется частотной стабильностью применяемых лазеров: в лучших образцах - порядка 10-13-10-14. При длине плеча интерферометра

ЯКОВЕНКО Сергей Владимирович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: ser_mail@poi.dvo.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 08-05-00330-а.

порядка 100 м прибор может измерять смещение земной коры с точностью 10-12, что на 1-2 порядка выше необходимой точности для проведения измерений на уровне фоновых колебаний. Приборы такого класса как нельзя лучше подходят для изучения физики зарождения и развития процессов геодинамического характера, но приспособлены только для измерений в пределах базы прибора, ограниченной его размером, и о событии можно судить лишь по колебаниям, дошедшим до прибора и на микроуровне изменившим его базу, вдоль которой пролегает ось основной чувствительности деформографа.

Для измерения перемещения земной коры в большом масштабе (до сотен и тысяч километров) лучше всего подходят спутниковые геодезические приемники, работающие по сигналам систем GPS и ГЛОНАСС. Благодаря появлению относительного метода измерений и развитию электроники и математических методов обработки результатов наблюдений точность определения координат станций с использованием спутниковой навигации повысилась до единиц миллиметров. Оборудование для спутникового позиционирования

удобно прежде всего для наблюдения за медленными перемещениями точек установки станций, поскольку нижняя граница его рабочего частотного диапазона теоретически стремится к нулю и зависит лишь от времени работы. Принцип действия системы позволяет безболезненно прерывать мониторинг без риска потерять информацию о деформациях во время паузы. Поэтому такими приборами проводят как непрерывные мониторинговые, так и разовые (зондирующие) измерения в интересующих точках. Мониторинг состояния земной коры ведется во многих странах, в том числе Японии, США и России.

В 2007 г. в ТОИ ДВО РАН создан комплекс из лазерных деформометров, работающих совместно с системами глобального позиционирова-ния1. Он включает в себя три станции (Vlad_POI, NKHD и Shults) для наблюдения за деформационными процессами и охватывает площадь более 4000 км2, образуя треугольник со сторонами 88,8, 93,4 и 144,7 км (рис. 1).

1 Долгих Г.И., Яковенко С.В. Широкодиапазонная региональная система мониторинга литосферных процессов

// Приборы и техника эксперимента. 2007. № 6. С. 142-143.

Раздольное Артен 1 \° Сч Партизанск \ 7 ° \ 1 / J

/ 1 \ 1 V, х-7 Ж Г Vlst'd POL;  ^5—^ \ и "1 Находка Y

J \ Владивосток . 1Р р ' 1 V^>^hd\

7 у///^^ Славянка J / / <^'

i /Shults''-. 10 км

Рис. 1 Схема расположения комплекса приборов для мониторинга литосферных процессов

Рис. 2. Примеры амплитудных спектров длины вектора между GPS-станциями

Все станции комплекса оборудованы двухчастотными GPS-приемниками «Trimble 5700» с антеннами «Zephir Geodetic», которые определяют координаты фазового центра антенны на поверхности Земли с точностью до нескольких миллиметров.

Особенность данного комплекса - лазерные деформометры горизонтального типа (ЛДГТ). Пункт Vlad_POI оснащен прибором с длиной измерительного плеча 10 м, а Shults - 52,5 м.

Установленные в них частотно-стабилизированные лазеры «MellesGriot» позволяют измерять смещения земной коры с точностью порядка 0,3 нм.

Амплитудные спектры получены в результате обработки вариаций составляющей север-юг вектора Vlad_POI-Shults за сентябрь 2007 г. (рис. 2а), микродеформации записаны ЛДГТ той же ориентации (рис. 2б). Пики на обоих графиках представляют собой гармоники приливов. Более низкочастотные процессы также зафиксированы приборами обоих типов.

Непрерывные измерения с февраля 2007 г. по январь 2009 г. позволили выявить циклические изменения (рис. 3). Каждая точка представляет собой осредненное положение координат станции в течение 5 сут в календарном месяце. Точки соединены линиями предполагаемого движения, хотя мы, разумеется, понимаем, что реальные траектории значительно сложнее и, конечно, не прямолинейны. Тем не менее такой способ отображения позволяет понять общий характер движения станций.

Некоторые авторы2 отмечают, что современные тектонические движения на территории Приморского края носят неустойчивый возвратно-поступательный характер, а положение пункта Vlad_POI стабильно (в их работе фигурирует пункт Vladivostok, находящийся на расстоянии 400 м от пункта Vlad_POI). Это позволило в данном исследовании фиксировать эту точку, т.е. перемещения остальных точек указаны относительно Vlad_POI.

Кроме того, исследуется влияние приливных процессов в гидросфере и литосфере на смещение базовых станций (рис. 4).

2 Коломиец А.Г., Шестаков Н.В., Герасименко М.Д. и др. Предварительные результаты исследования стабильности GPS-пункта Vladivostok и тектонической активности Приморья // Материалы докладов 4-го Всерос. симпоз. «Сейсмоакустика переходных зон», Владивосток, 5-9 сент. 2005 г. Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2005. С. 140-143.

Рис. 3. Траектории перемещения точек Shuls

Рис. 4. Запись изменения положения станции по оси

север-юг

Теоретическая связь локальных литосферных процессов с глобальными смещениями регионального и планетарного масштабов подтверждается при рассмотрении записей, полученных с использованием лазерных деформографов и приемников системы глобального позиционирования (рис. 5а). Однако несмотря на то что сигналы хорошо коррелируют между собой, между ними часто появляется фазовое смещение (рис. 5б). Это явление пока не изучено.

Таким образом, используя данную систему, можно обнаруживать смещения земной коры в зоне расположения комплекса, следить за ними и в случае необходимости принимать меры по предотвращению катастрофических последствий геодинамических процессов.

Приборы на всех станциях работают непрерывно в режиме мониторинга. При этом оборудование спутникового позиционирования играет роль сигнального флажка, который появляется при перемещении одной из станций на величину, превышающую обычные фоновые колебания. Это говорит о возросшем напряжении в геологических структурах, которое может найти выход, например в виде землетрясения, горного удара. В этом случае особое внимание уделяется данным с лазерных деформометров, а именно поиску возможных предвестников начинающегося опасного процесса для раннего предупреждения о нем.

Выводы

Комплексный подход к поиску предвестников опасных геодинамических процессов является единственно правильным. Системы наблюдений следует установить во многих местах на Земле и оснастить самым современным оборудованием, которое должно работать совместно в режиме мониторинга. Только так мы сможем иметь всю информацию об изменениях земной коры и заранее предупреждать о приближающейся опасности.

На существующих станциях Приморского края планируется введение дополнительных пунктов наблюдения, оснащенных лазерными деформографами, исследуются длиннопериодные колебания с целью выяснения амплитудо-частотной зависимости локальных деформаций и глобальных процессов в верхнем слое земной коры.

Картина ежемесячных смещений опорных пунктов говорит о том, что в данный момент на территории расположения комплекса существенного накопления геопотенциаль-ной энергии не происходит, сезонные колебания имеют возвратно-поступательный характер, т.е. накопленная энергия регулярно расходуется на обратное движение. Изменение локальных координат опорных точек системы - сложный процесс нелинейного характера, только длительное непрерывное слежение за их положением позволит сделать выводы о реальных перемещениях.

Рис. 5. Примеры записи изменения положения станции по оси север-юг