Современные методы, методики и технические средства мониторинга движений земной коры
Р.В. Шевчук1, 2, А.И. Маневич1, 2, Д.Ж. Акматов1, 2, Д.И. Урманов1, 2, А.И. Шакиров1, 2
1 Геофизический центр РАН, г. Москва, Российская Федерация
2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №5 / 2022 стр. 99-104
Резюме: В статье приведен обзор имеющихся методов и методик для проведения геодинамического мониторинга, таких как: высокоточное повторное геометрическое нивелирование, высокоточные линейно-угловые построения, высокоточные дальномерные измерения, лазерное сканирование, глобальные навигационные спутниковые системы, лазерные интерферометры и деформографы, радарная спутниковая интерферометрия. Также описан опыт применения данных технологий в различных физико-географических районах. Продемонстрированы инструменты, применяемые при измерениях, которые обеспечивают максимально достижимую точность методов в современных условиях. Составлена сводная характеристика инструментальных методов измерения параметров современных движений земной коры. На основании проведенного сравнительного анализа современных методов, методик и технических средств для производства геодинамического мониторинга из перечисленных выше методов были выбраны наиболее эффективные. К таким методам относятся методы высокоточного геометрического нивелирования I и II класса, также глобальные навигационные спутниковые системы. Комплексное использование этих методов позволит получить достоверные данные о геодинамической обстановке исследуемого района.
Ключевые слова: мониторинг, методы, методика, измерения, движения земной коры, деформация, смещения
Благодарности: Работа выполнена в рамках государственного задания Геофизического центра РАН, утвержденного Минобрнауки России.
Для цитирования: Шевчук Р.В., Маневич А.И., Акматов Д.Ж., Урманов Д.И., Шакиров А.И. Современные методы, методики и технические средства мониторинга движений земной коры. Горная промышленность. 2022;(5):99–104. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-99-104
Информация о статье
Поступила в редакцию: 12.09.2022
Поступила после рецензирования: 06.10.2022
Принята к публикации: 07.10.2022
Информация об авторах
Шевчук Роман Васильевич – младший научный сотрудник лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН, аспирант четвёртого года обучения Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Маневич Александр Ильич – научный сотрудник лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН, старший преподаватель кафедры безопасности и экологии горного производства Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Акматов Дастан Женишбекович – младший научный сотрудник лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН, аспирант четвёртого года обучения Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Урманов Данил Игоревич – инженер лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН, аспирант первого года обучения Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Шакиров Артур Ильдусович – инженер лаборатории геодинамики Геофизического центра РАН, аспирант первого года обучения Горного института НИТУ «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Введение
Основой геодинамического мониторинга является изучение современных горизонтальных и вертикальных движений. Геодинамический мониторинг – система постоянных и/или непрерывных наблюдений, анализа и прогноза современного геодинамического состояния геологической среды, проводимая в рамках заданного регламента в пределах рассматриваемой природно-технической системы [1].
Геодинамический мониторинг за современными движениями земной коры (СДЗК) проводится в формате режимных полевых компаний или непрерывных геодезических измерений. Выбор методов, инструментов и методик измерений обуславливается в первую очередь целями и задачами исследований, а именно определением интенсивности геодинамических процессов на данной территории. Методы изучения СДЗК можно разделить на три группы – геодезические методы, геофизические методы и методы дистанционного зондирования Земли.
Геодезические методы
Высокоточное повторное нивелирование Нивелирование – процесс определения разности высот точек земной поверхности или их превышения относительно выбранной точки. Существует три основных метода нивелирования – геометрический (нивелиром и рейками), тригонометрический (угломерными приборами), барометрический (при помощи барометра).
Высокоточное геометрическое нивелирование позволяет получать данные осадок и деформаций зданий и сооружений, осадок и деформаций земной поверхности, подрабатываемой горными работами, а также проводить долговременные наблюдения за вертикальными движениями тектонических структур (к примеру, смещения берегов тектонического разлома, определение процесса поднятия/опускания тектонического блока).
Для геодинамических полигонов согласно инструкции1 следует использовать I и II класс нивелирования (с пределом периметра нивелирного хода 40 и 20 км соответственно). Нивелирные линии I и II класса должны пересекать предполагаемые линии разломов, разрывов и блоков. Класс нивелирования выбирается в зависимости от степени геодинамической активности района и уровня опасности объекта. Так, для платформенных регионов со слабовыраженными современными движениями земной коры следует применять I класс нивелирования с ошибкой не более 0.8 мм/км хода и невязкой 3√L мм (где L – длина нивелирного хода, км). Для активных районов можно проводить работы II класса нивелирования с ошибкой не более 2 мм/км хода и невязкой 3√L мм (где L – длина нивелирного хода, км).
Наблюдения могут выполняться как оптическим, так и электронным нивелиром. Электронные нивелиры кроме механизма автоматической фиксации отсчетов по рейкам имеют процессор, дающий возможность производить расчет превышений и высот отметок. Благодаря этому практически полностью исключаются ошибки наблюдателя и снижаются затраты на измерения.
Высокоточные линейно-угловые построения
Линейно-угловые построения – это процесс измерений углов и сторон треугольников в геодезической сети. В линейно-угловых сетях измеряются все или часть углов и сторон. По сравнению с триангуляцией и трилатерацией сеть, в которой удачно сочетаются угловые и линейные измерения, в меньшей степени зависит от геометрии фигуры; существенно уменьшается зависимость между продольным и поперечным сдвигами; обеспечивается жесткий контроль угловых и линейных измерений. Линейно-угловая сеть позволяет вычислить координаты пунктов точнее, чем в сетях триангуляции и трилатерации.
Линейно-угловые измерения применяются для определения горизонтальных смещений сооружений и мониторинга СДЗК.
Высокоточные дальномерные измерения
Принцип действия заключается в измерении времени, за которое посланный дальномером сигнал проходит расстояние до объекта и обратно. При этом скорость распространения сигнала (скорость звука или света) считается известной. В исследовании [2] представлен обзор светодальномерных наблюдений на Камчатке за 1984–1995 гг. Наблюдения проводились на специально организованных семи деформационных площадках вместе с нивелированием I класса.
В работах [3; 4] представлены результаты анализа многолетних светодальномерных наблюдений на одном из камчатских и на Ашхабадском геодинамических полигонах. Был проведен тензометрический анализ результатов наблюдений на Камчатской обсерватории «Мишенная» для трёх отражателей за период наблюдений более 20 лет, а для светодальномерных линий на Ашхабадском полигоне период наблюдений составил около 40 лет. Анализ наблюдений показал прецизионную точность наблюдений на уровне деформаций 5∙10–8 при длинах линий до 30 км, что позволяет выявлять деформации на уровне приливных [4].
Лазерное сканирование
Лазерное сканирование с помощью активных оптических дальномеров (LIDAR), использующих явление поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах, позволяет получить двумерную или трёхмерную картину пространства [5]. В результате лазерного сканирования формируется изображение в виде облака точек. Далее из них создаются цифровые модели объекта – поверхности, интенсивности света и другие. По методу сканирования выделяют воздушное лазерное сканирование (ВЛС), мобильное лазерное сканирование (МЛС) и наземное лазерное сканирование (НЛС).
Лазерное сканирование активно используется в строительстве, горнодобывающей, нефтегазодобывающей промышленности, архитектуре и других областях. Определение смещений и деформаций объекта происходит в результате повторных съемок, посредством сравнения координат объекта с первой эпохой измерений. Для мониторинга смещений и деформаций используют НЛС и ВЛС [6], где приводится математическая модель пространственно-временной деформации, получаемой в результате наблюдений лазерным сканированием. Авторы предлагают деформационную модель, основанную на получаемом облаке точек. Более представительный обзор и описание технологии на русском языке можно найти в диссертации Хиллера Бернда [7].
Глобальные навигационные спутниковые системы
Мониторинг СДЗК методами ГНСС позволяет получить приращение координат геодезического пункта за интервал измерений. Принцип работы построен на получении ГНСС-приемником сигналов от нескольких спутников (минимум – четырёх) и вычислении точного положения антенны ГНСС приемника относительно их. Подробно вопросы технологии получения и обработки ГНСС данных для мониторинга СДЗК на геодинамических полигонах приведены в работах [8–11].
Одна из первых известных работ использования ГНСС в задачах геодинамики принадлежит известному исследователю из Стенфордского университета, где приводятся примеры временных рядов смещений для сильных землетрясений за период 1996–1997 гг. [12]. В [13] рассмотрены особенности мониторинга смещений на всех масштабных уровнях – тектонические движения в масштабе мировых литосферных плит, региональные современные движения земной коры в масштабе одной или нескольких литосферных плит, связанные с вулканической деятельностью, сейсмической активностью или активными движениями на крупных тектонических разломах и т.д.
Прецизионные лазерные интерферометры и деформографы
Лазерные интерферометры-деформографы (ЛИД) – это уникальные, высокоточные обсерваторские установки, предназначенные для измерения деформации базовых линий (30 –100 м). ЛИД предназначены для регистрации слабых литосферных деформаций, в том числе – приливных суточных деформаций, слабых деформаций околоразломных зон, для изучения корреляции слабых деформаций с сейсмологическими данными, изучения глобальных геодинамических процессов, связанных с вращением Земли, изучения собственных колебаний Земли. Измерения ЛИД основаны на явлении интерференции – когда из блока лазерного излучателя подается пучок электромагнитного излучения, который с помощью специального устройства разделяется на несколько когерентных пучков. Каждый из пучков проходит разные оптические пути и направляется в регистратор, который фиксирует интерференционную картину [14]. Обзор опыта использования лазерных интерферометров-деформографов для задач геодинамических исследований приводится в работе [15].
Один из примеров таких установок – это лазерный интерферометр в подземной геофизической обсерватории ГАИШ МГУ, расположенной в Кабардино-Балкарии, в Баксанском ущелье. Интерферометр смонтирован в штольне горы Андырчи. Длина его базы составляет 75 м. Более подробно устройство Баксанского лазерного интерферометра описано в работах [16; 17]. В результате работы Баксанского ЛИД было получено множество фундаментальных результатов о современных движениях земной коры. К примеру, в результате наблюдений приливных деформаций было выявлено существование в структуре вулкана Эльбрус близповерхностной магматической камеры [18; 19].
В исследовании [20] по рядам наблюдений деформационных станций Баксан и Протвино (Среднерусская равнина) и данным о неравномерности вращения Земли был описан характер взаимной связи деформационных процессов в литосфере и глобальной геодинамики Земли на коротких интервалах времени. Авторами была выявлена сильная корреляционная связь между деформационными полями двух деформационных станций и вариациями вращения Земли [20]. ЛИД также используется для анализа собственных деформаций Земли, возбужденных сильными землетрясениями [20].
В геофизической обсерватории «Мокса» (Йенский университет, Германия) также проводятся высокоточные деформационные измерения с использованием ЛИД [21; 22]. Система высокоточных деформационных измерений на обсерватории Мокса включает в себя две перпендикулярных друг другу ЛИД с длиной базы 26 м и дополнительный ЛИД, соединяющий их по диагонали [21] (т.е. получается правильный треугольник с катетами, ориентированными на север и восток). Результаты измерений также используются для выявления приливных деформаций и слабых деформаций сильных землетрясений [21].
Радарная спутниковая интерферометрия
Радарная спутниковая интерферометрия, радары синтезированной апертурой (РСА-интерферометрия), или в англоязычной литературе – Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), является эффективным методом построения цифровых моделей рельефа и мониторинга состояния поверхности Земли с разрешением и точностью, недостижимыми при применении наземных методов измерений. Метод РСА-интерферометрии использует пару снимков одного участка земной поверхности, сделанных с двух близких, локально параллельных орбит одного и того же спутника. Получаемую после обработки интерферометрическую картину можно проинтерпретировать как поле смещений земной поверхности в направлении на спутник за интервал времени между парой снимков. Более подробно методика обработки и анализ полученных данных приведены в работе [23].
РСА-интерферометрия активно используется для мониторинга СДЗК, так как в случае применения этого метода нет необходимости производить натурные измерения на территории изучаемого геодинамического полигона. Существующие миссии спутников, к примеру, Sentinel-1A и Sentinel-1B, позволяют получать данные на бесплатной основе и без задержки информации по времени. Однако, следует отметить, что для получения картины смещений методом РСА-интерферометрии в районе исследований должно быть достаточное количество так называемых «устойчивых отражателей» (природных или искусственных) [24; 25], смещения которых и оцениваются парой радарных снимков. В этом отношении методы РСА-интерферометрии не слишком хорошо работают для территорий с большим количеством растительности (деревья, тайга), то есть там, где устойчивых отражателей в виде площадок, скальных выходов и т.д. нет и установить их нет возможности.
В работе [25] приводится обзор опыта использования РСА-интерферометрии для задач анализа смещений в районах землетрясений с магнитудой M > 4. В работе приводится сравнительный анализ технологий обработки радарных данных методами дифференциальной интерферометрии (DInSAR) и методом разделения частот (Split-bandwidth Interferometry – SBI). Также приводятся основные методы поправок на ошибки в спутниковых данных (ионосферная и тропосферная корректировки). В работе [26] на примере землетрясения Кумамото (16 апреля 2016 г., Япония) приводится детальная методология обработки радарных данных для получения поля смещений для районов сильных землетрясений.
Таблица 1 Методы измерений современных движений земной коры
Table 1 Methods to measure current movements of the Earth's crust
В табл. 1 приведена сводная характеристика инструментальных методов измерения параметров СДЗК. Можно видеть, что все методы очень требовательны к инфраструктуре геодинамического полигона и не все они применимы для некоторых масштабов. К примеру, лазерное сканирование невозможно применить для масштабов 30–100 км, в рамках которого полигон еще является локальным. А такие установки, как лазерные интерферометры-деформографы, устанавливаются в единственном количестве на специальных геофизических обсерваториях.
Светодальномерные и деформографические наблюдения выполняются в обсерваторском режиме, так как приборы чувствительны к окружающей среде. Для геофизических измерений (светодальномерные измерения, наклономерные, деформографические) необходимо организовать постоянную регистрацию измерений прибора и обеспечить долговременные непрерывные ряды наблюдений. Это необходимо для того, чтобы выявить систематические ошибки измерений, связанные с различными метеорологическими факторами [27; 28], и выделить деформации, связанные с геодинамическими процессами. Методы РСА-интерферометрии требуют наличия достаточного количества устойчивых отражателей (природных или искусственных), при этом в результате измерений можно получить только компоненту смещения в направлении на спутник.
Выводы
В результате анализа современных методов мониторинга СДЗК можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день существует достаточное количество методов, методик и средств измерений для изучения современных движений земной коры с высокой или прецизионной точностью. Наиболее эффективными методами мониторинга СДЗК являются: высокоточное геометрическое нивелирование I и II класса точности (для наблюдений за вертикальными движениями) и глобальные навигационные спутниковые системы (для наблюдений за горизонтальными движениями).
Список литературы
1. Кузьмин Ю.О. Геодинамические полигоны в решении фундаментальных проблем геодинамики и перспективы их сопряжения с региональными тектонофизическими исследованиям. В кн.: Ребецкий Ю.Л. (ред.) Тектонофизика и актуальные вопросы наук о земле: Материалы докладов пятой всероссийской конференции с международным участием, посвященной столетию М.В. Гзовского, г. Москва, 5–9 окт. 2020 г. М.: Институт физики Земли РАН; 2020. С. 108–115.
2. Миронов И.К., Магуськин В.М. Опыт наблюдений за деформациями земной поверхности на малых площадках в разломных зонах в 1984–1995 гг. на Камчатке. Вулканология и сейсмология. 2019;(4):52–68. https://doi.org/10.31857/S0203-03062019452-68
3. Кузьмин Ю.О., Фаттахов Е.А. Тензометрический анализ деформаций земной поверхности по результатам длительных светодальномерных наблюдений на Камчатке. Путь науки. 2016;2(5):75–78.
4. Фаттахов Е.А. Спектрально-временной анализ светодальномерных наблюдений на Камчатском и Ашхабадском геодинамических полигонах. Вестник СГУГиТ. 2017;22(4):5–17.
5. Telling J., Lyda A., Hartzell P., Glennie C. Review of Earth science research using terrestrial laser scanning. Earth-Science Reviews. 2017;169:35–68. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.04.007
6. Harmening C., Neuner H. A spatio-temporal deformation model for laser scanning point clouds. Journal of Geodesy. 2020;94(2):26. https://doi.org/10.1007/s00190-020-01352-0
7. Бернд Х. Разработка и исследование автоматизированной системы геодезического деформационного мониторинга инженерных сооружений на основе высокоточной цифровой инклинометрией и техеометрии: дисс. … канд. техн. наук. М.; 2017. 144 с.
8. Кафтан В.И., Докукин П.А. Геодезические спутниковые измерения, обработка и деформационный анализ. М.: РУДН; 2017. 272 с.
9. Кафтан В.И., Гвишиани А.Д., Морозов В.Н., Татаринов В.Н. Методика и результаты определения движений и деформаций земной коры по данным ГНСС на Нижне-Канском геодинамическом полигоне в районе захоронения радиоактивных отходов.
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019;16(1):83–94. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2019-16-1-83-94
10. Красноперов Р.И. Анализ сейсмотектонических движений земной коры по данным наблюдений глобальных навигационных спутниковых систем: дисс. … канд. физ.-мат. наук. М.; 2012. 150 с.
11. Мельников А.Ю. Разработка методики анализа деформационного процесса в сейсмоактивных регионах по данным спутниковых высокоточных координатных определений: дисс. … канд. техн. наук. М.; 2019. 152 с.
12. Segall P., Davis J.L. GPS applications for geodynamics and earthquake studies. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 1997;25(1):301–336. https://doi.org/10.1146/annurev.earth.25.1.301
13. Bock Y., Melgar D. Physical applications of GPS geodesy: a review. Reports on Progress in Physics. 2016;79(10):106801. https://doi.org/10.1088/0034-4885/79/10/106801
14. Дубров М.Н., Алешин В.А. Высокоточные лазерные интерферометры в многокомпонентных измерительных системах. Журнал радиоэлектроники. 2000;(10):7–13. URL: http://jre.cplire.ru/jre/oct00/4/text.html
15. Braitenberg C. The deforming and rotating Earth – A review of the 18th International Symposium on Geodynamics and Earth Tide, Trieste 2016. Geodesy and Geodynamics. 2018;9(3):187–196. https://doi.org/10.1016/j.geog.2018.03.003
16. Милюков В.К., Кравчук В.К. Наблюдения спектра деформаций земли лазерным интерферометром-деформографом. Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 1996;(2):73–78. Режим доступа: http://vmu.phys.msu.ru/ru/abstract/1996/2/96-2-073/
17. Milyukov V.K., Klyachko B.S., Myasnikov A.V., Striganov P.S., Yanin A.F., Vlasov A.N. A laser interferometer-deformograph for monitoring the crust movement. Instruments and Experimental Techniques. 2005;48(6):780–795. https://doi.org/10.1007/s10786-005-0140-9
18. Милюков В.К. Мониторинг состояния магматических структур вулкана Эльбрус по наблюдениям литосферных деформаций. Вулканология и сейсмология. 2006;(1):3–15.
19. Милюков В.К., Копаев А.В., Лагуткина А.В., Миронов А.П., Мясников А.В. Наблюдения приливных деформаций земной коры в Приэльбрусье. Физика Земли. 2007;(11):21–29.
20. Милюков В.К., Кравчук В.К., Миронов А.П., Латынина Л.А. Деформационные процессы в литосфере, связанные с неравномерностью вращения Земли. Физика Земли. 2011;(3):96–109.
21. Jahr T. Non-tidal tilt and strain signals recorded at the Geodynamic Observatory Moxa, Thuringia/Germany. Geodesy and Geodynamics. 2018;9(3):229–236. https://doi.org/10.1016/j.geog.2017.03.015
22. Jahr T., Kroner C., Lippmann A. Strainmeters at Moxa observatory, Germany. Journal of Geodynamics. 2006;41(1-3):205–212. https://doi.org/10.1016/j.jog.2005.08.017
23. Акматов Д.Ж., Николайчук В.В., Тихонов А.А., Шевчук Р.В. Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности. Горная промышленность. 2020;(1):144–147. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-144-147
24. Михайлов В.О., Киселева Е.А., Смольянинова Е.И., Дмитриев П.Н., Голубев В.И., Тимошкина Е.П., Хайретдинов С.А. Радарная спутниковая интерферометрия: новые технологии спутникового мониторинга областей разработки полезных ископаемых, смещений природных и техногенных объектов. Наука и технологические разработки. 2016;95(3):5–11.
25. Boncori M.J.-P. Measuring coseismic deformation with spaceborne synthetic aperture radar: A review. Frontiers in Earth Science. 2019;7:16. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00016
26. He P., Wen Y., Xu C., Chen Y. Complete three-dimensional near-field surface displacements from imaging geodesy techniques applied to the 2016 Kumamoto earthquake. Remote Sensing of Environment. 2019;232:111321. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.111321
27. Михайлов В.О., Киселева Е.А., Дмитриев П.Н., Голубев В.И., Смольянинова Е.И., Тимошкина Е.П. Оценка полного вектора смещений земной поверхности и техногенных объектов по данным радарной спутниковой интерферометрии для областей разработки месторождений нефти и газа. Геофизические исследования. 2012;13(3):5–17.
28. Мясников А.В. О проблеме учета влияния метеорологических факторов на большие прецизионные системы на примере баксанского большебазового лазерного интерферометра. Сейсмические приборы. 2019;55(2):27–38. https://doi.org/10.21455/si2019.2-2
