научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗ КОСМОСА ПРЕДВЕСТНИКОВОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, ПРОЯВЛЯЮЩЕЙСЯ В ДИНАМИКЕ ЛИНЕАМЕНТНЫХ СИСТЕМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗ КОСМОСА ПРЕДВЕСТНИКОВОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, ПРОЯВЛЯЮЩЕЙСЯ В ДИНАМИКЕ ЛИНЕАМЕНТНЫХ СИСТЕМ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 1, с. 3-20

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗ КОСМОСА ПРЕДВЕСТНИКОВОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ, ПРОЯВЛЯЮЩЕЙСЯ В ДИНАМИКЕ ЛИНЕАМЕНТНЫХ СИСТЕМ © 2012 г. В. Г. Бондур1*, А. Т. Зверев2, Е. В. Гапонова1, А. Л. Зима1

1Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС", Москва Московский государственный университет геодезии и картографии 1*Е-таИ: ojfice@aerocosmos.info

2Е-таП: zverev@miigaik.ru Поступила в редакцию 03.10.2011 г.

Изложены результаты исследования предвестниковой цикличности напряженно-деформированного состояния литосферы в период подготовки значительных сейсмических событий путем автоматизированного линеаментного анализа разновременных космических изображений. Предлагаемая методика апробирована на примере ряда сильных и катастрофических землетрясений, произошедших за последнее десятилетие в различных регионах мира. Выявленная предвестниковая цикличность динамики линеаментных систем имеет период от 1 до 3 мес. и позволяет осуществить прогноз времени, места и возможной силы землетрясения.

Ключевые слова: космические изображения, дистанционное зондирование, предвестники землетрясений, геодинамика, деформационные волны, линеаменты, розы-диаграммы, сейсмоопасные территории

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в период подготовки землетрясений происходят перестройки напряженно-деформированного состояния земной коры и мантии. Это проявляется в закономерных изменениях геофизических, геохимических, тектонических, гид-рогеодинамических и других полей. Временные перестройки напряжений и возникновение в связи с этим деформационных волн перед землетрясением обнаруживаются по сейсмическим (Базавлук, Юдахин, 1993), геодезическим (Никонов, 1984; Певнев, 2000; Кузьмин, Жуков, 2004), геохимическим (Гидрогеодинамические..., 1985) данным, по результатам гидрогеодинамических наблюдений (Киссин, Гумен, 1994; Киссин, 2009) и по другим данным.

Возвратно-поступательные изменения напряженно-деформированного состояния коры и мантии в период подготовки землетрясений были выявлены также путем анализа динамики линеа-ментных систем на основе результатов автоматизированной обработки разновременных космических изображений (Бондур, Зверев, 2005а; 2005б; 2007). С этой целью использовались такие показатели динамики линеаментных систем, как розы-диаграммы линеаментов и изменение величины отношений суммарных длин локальных и региональных линеаментов разных направлений (Бондур, Зверев, 2005а; 2005б; 2006; 2007; Бондур

и др., 2005; 2006; 2009; 2010; 2011). В последнее время стал использоваться еще один показатель динамики систем линеаментов — линии вытяну-тости их роз-диаграмм, который оказался достаточно информативным, подчеркивающим возвратно-поступательный характер изменения преобладающих ориентировок линеаментов в период подготовки землетрясений (Бондур и др., 2011). В настоящей работе приведены результаты исследования предвестниковых деформационных волн путем анализа разновременных космических изображений на примере катастрофических землетрясений, произошедших в 2000—2010 гг.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнялись на основе результатов автоматизированного линеаментного анализа разновременных космических изображений с использованием программного пакета LESSA (Злато-польский, 2008). В качестве основных исходных данных рассматривались космические изображения, полученные аппаратурой MODIS с пространственным разрешением 250 м (спутники TERRA и AQUA).

Ранее на примере катастрофических землетрясений в Калифорнии, Иране, Перу и в других регионах было выявлено наличие предвестниковой закономерности в изменении роз-диаграмм ли-неаментов, выявляемых по космическим изображениям, которая заключается в следующем: за 1—

3 мес. до землетрясения начинаются изменения формы роз-диаграмм, достигающей максимальной величины за 20 дней до сейсмического толчка и сохраняются 20 дней после него; затем в течение

1—3 мес. розы-диаграммы постепенно приобретают прежнюю форму (Бондур, Зверев, 2005а; 20056; 2006; 2007). Данная предвестниковая цикличность позволяла осуществить прогнозы времени начала землетрясения, но не позволяла определить с достаточной точностью место землетрясения, так как розы-диаграммы строились для относительно больших площадей — от 125 х х 125 км2 до 400 х 400 км2 — и не были прямо связанны с эпицентрами землетрясений (Вопёиг, Кшпе180Уа, 2006).

В связи с этим нами предложен целый комплекс признаков динамики линеаментных систем, регистрируемых методами дистанционного зондирования, позволивший в ряде случаев определить не только время начала землетрясения, но и место расположения сейсмогенерирующего разлома. В качестве подобных признаков — индикаторов — используются статистические показатели, прежде всего, общие розы-диаграммы для всей исследуемой площади и частные (локальные), розы-диаграммы, отношения и суммы лине-аментов разных направлений, линии вытянутости локальных роз-диаграмм (Бондур и др., 2010а).

При исследовании свершившихся сейсмических событий подбирались разновременные космические изображения, полученные начиная за

2—4 мес. до землетрясения и заканчивая через 2—

4 мес. после них с интервалом съемки в несколько дней, недель или 1—2 мес. Конкретные временные интервалы подбора космических изображений во многом зависят от погодных условий, так как для обработки должны использоваться или безоблачные изображения, или с облачностью, покрывающей не более 10—15% площади.

Методической основой автоматизированного линеаментного анализа космических изображений является выделение текстурных (ориентаци-онных) характеристик рисунков фрагментов изображений по направлениям линейных элементов (линий, границ). Изучение ориентацион-ных (текстурных) характеристик производилось с использованием программы ЬЕ88Л, начиная с выявления линейных элементов — спрямленных границ или линий протяженностью в 5—10 пикселов. Эти элементарные линейные локальные элементы называются штрихами. Для каждого штриха определяется его направление с осреднением 22.5°, т.е. выделение штрихов происходит по восьми направлениям: 90°; 67.5°; 45°; 22.5°; 0°; 337.5°; 315°; 292.5° (Златопольский, 2008).

Используемая программа позволяла определить суммарную длину (в километрах или пикселах) штрихов каждого из данных восьми направ-

лений и вычислить парные отношения суммарных длин штрихов разных направлений. Так как анализируются восемь направлений, то число сочетаний восьми по две дает цифру 28 возможных сочетаний парных отношений.

На следующем этапе с использованием скользящего окна с диаметром 50 элементов разрешения (пикселов) строятся частные (локальные) розы-диаграммы, отражающие распределение штрихов по направлению для анализируемых фрагментов изображений. Для всего космического изображения (или его фрагмента) строится общая роза-диаграмма, отражающая распределение штрихов по всей площади изображения. По частным розам-диаграммам строятся линии вытянутости, характеризующие изменение среднего направления локальных роз-диаграмм для различных участков космического изображения. При проведении анализа учитывается, что на границах блоков земной коры, имеющих различные поля напряжений и деформаций, обычно разграниченных разрывными нарушениями, линии вытянутости либо обрываются, либо резко изменяют свои направления.

При проведении обработки выявляются также цепочки штрихов, трассирующих протяженные (сквозные) региональные линеаменты. Для этого анализируются прямолинейные "коридоры" всех положений и направлений, пересекающих изображение, и подсчитывается, сколько в них попадает штрихов соответствующего направления (так называемая "выраженность" или проявленность линеаментов). Затем, задавая порог "выраженности" путем изменения плотности штрихов определенного направления, проводилась пороговая фильтрация сквозных линеаментов. Увеличение порога соответствует увеличению плотности штрихов. Таким образом, при больших порогах (более 70—80) проявляются лишь линеаменты с максимальной плотностью штрихов заданного направления.

Все перечисленные характеристики являются индикаторами напряженно-деформированного состояния земной коры и используются для выявления деформационных волн-предвестников землетрясений (Бондур и др., 2011).

Степень проявленности линеаментов зависит не только от порога, но и от спектрального диапазона космических изображений, используемых для обработки. Анализ многоспектральных космических изображений, полученных при помощи аппаратуры MODIS в трех спектральных каналах оптического диапазона спектра, показал (Бондур и др., 2005), что в зеленой области (0.52—0.6 мкм) наиболее четко (в количественном и качественном отношении) выражены локальные линеа-менты (штрихи), а в ближней инфракрасной (ИК) зоне (0.78—0.86 мкм) — региональные

(сквозные) линеаменты. Красная зона спектра (0.63—0.69 мкм) по своей информативности для линеаментного анализа занимает промежуточное положение, так как в ней локальные линеаменты проявлены лучше, чем в ближней ИК-зоне, а региональные — лучше, чем в зеленой зоне. Во всех изученных случаях отклонения результатов линеа-ментного анализа, полученных по космическим изображениям, сформированным в красном спектральном канале, не превышали 5—10% по сравнению с результатами, полученными при обработке изображений в зеленом и ИК—спектральных каналах, что является допустимым. Поэтому при проведении исследований использовались только изображения, полученные в красном спектральном канале аппаратуры MODIS — ДХ = 620—670 нм, — что сокращало сроки и объемы исследований.

При использовании метода линеаментного анализа для исследований геодинамики необходимо учитывать, что линеаменты, выявляемые при автоматизированной обработке космических изображений, имеют различную физическую природу. Одни из них, наиболее стабильные (консервативные), связаны с линейными объектами (элементами) и спрямленными границами частей ландшафтов, различающихся по отражательным спектральным характеристикам. Такими линейными объектами являются валы, линейные складки, овраги, рус

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком