ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 538-545
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551.465
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ГЕОМОРФОЛОГИИ ДНА ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО (ЯПОНСКОЕ МОРЕ)
© 2014 г. Р. А. Коротченко1, А. Н. Самченко1, И. О. Ярощук12
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток 2Дальневосточный федеральный университет, Владивосток
e-mail: romankor@mail.ru Поступила в редакцию 23.08.2012 г., после доработки 02.04.2013 г.
На основе материалов судовых измерений, спутниковой информации систем GTOPO1 и ASTER, баз данных GEBCO и карт батиметрии создана цифровая модель территории, охватывающая шельф залива Петра Великого Японского моря. Методом двухмерного сингулярного спектрального анализа выполнена масштабная декомпозиция рельефной поверхности шельфа на компоненты с главной тектонической структурой, зонами вторичной складчатости и формами, возникшими при осадко-накоплении. Выполнено сопоставление с геологическими сведениями о территории Южного Приморья для уточнения возраста тектонических образований различного масштаба.
Б01: 10.7868/80030157414030046
ВВЕДЕНИЕ
Изученность рельефа шельфа является необходимой составляющей успешных исследований в области геоморфологии, геологии, геофизики и гидроакустики, поскольку рельеф отражает развитие геодинамических процессов региона. Изучение поверхности дна с позиции истории сейсмической активности позволяет узнать ее прошлое и оценить вероятность возможных катастрофических событий в ближайшем будущем. Из-за сильного влияния рельефа на характеристики течений и приливных явлений необходимо учитывать влияние топографии дна при оценивании экологических рисков и мониторинге техногенного влияния в процессе загрязнения океанских вод.
Объективное понимание эволюционного развития рельефа требует учета таких основных факторов, как геотектоника региона и процессы осадкообразования. Поскольку в геологии основными являются описательные методы, актуально применение современных методов сбора, обработки и численного анализа данных, позволяющих перейти на следующий уровень исследований. В силу разнообразия форм рельефа требуется создание подходящих моделей для интерпретации генетических особенностей поверхности дна океана. На примере залива Петра Великого Японского моря (рис. 1) выполнен численный анализ рельефа поверхности с разложением по пространственным масштабам, имеющий прямое отношение к происходившим в различные геологические эпохи тектоническим процессам. Обоснованию статистического анализа глобального рельефа и полу-
чению некоторых закономерностей энергетического баланса при формировании современного очертания поверхности планеты посвящены следующие работы [3, 11, 14, 15]. Более конкретные исследования подобного рода описаны [6, 7, 10].
Новизна данной работы состоит во взаимосвязанном восприятии информации из источников натурных данных о рельефе, геологического описания и результатов анализа данных современными численными методами. Необходимая совокупность информации была отобрана по материалам судовых измерений, дополнена оцифровкой карт региона и сведениями, предоставляемыми NASA (ETOPO1, ASTER) и GEBCO [16-18]. Фрагмент детальной пространственной сетки в районе залива Посьета основан на оригинальных данных батиметрической съемки, выполненной в 2009-2010 гг. [4]. По результатам цифровой обработки рельефа на основе двумерного сингулярного анализа рассмотрена согласованная с геологическим описанием интерпретация стадий и масштабов тектонических процессов, определяемых геометрией и протяженностью выделенных складчатых деформаций.
СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходным пунктом исследования геоморфологии является создание цифровой модели рельефа. Использование спутниковых данных и базы данных GEBCO позволяет создать основу модели морского дна на сетке с шагом около 600 м. Для залива Петра Великого такого разрешения недостаточно. Уточнение модели потребовало, во-
132° в. д.
Рис. 1. Залив Петра Великого.
Цель работы состоит в выделении пространственной масштабной шкалы структурных составляющих рельефа и ее сопоставлении с тектоническими особенностями региона. Основываясь на соотношении между размерами рельефных структур и затраченной энергией при развитии тектонических процессов, в качестве основного метода обработки использовался двумерный сингулярный спектральный анализ (ССА), входящий в состав метода естественных (эмпирических) ортогональных функций (ЕОФ) [12]. ЕОФ является одним из наиболее востребованных инструментов в метеорологии, физике атмосферы и океана [2, 13]. Принцип ЕОФ состоит в "расщеплении" исходных полей данных на пространственные структуры максимальной вариации и "измерении" относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой тектонических процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата.
первых, выполнить оцифровку батиметрических карт и, во-вторых, собрать доступную информацию судовых измерений. Личный вклад в получение данных в ходе экспедиционных исследований состоял в проведении батиметрических наблюдений в заливе Посьета с НИС "Малахит" в 2009-2010 гг.
Основываясь на исторической изменчивости береговой линии, было принято решение не ограничиваться данными о батиметрии залива, а охватить прилегающую территорию, поскольку морские границы — это переменные характеристики, отражающие развитие геотектонических процессов и колебаний уровня океана. Данные альтиметрии прилегающего к заливу района были получены из самой точной опубликованной на сегодняшний день цифровой топографической карты Земли ASTER GDEM, предоставляемой Американским и Японским космическими агентствами, с пространственным разрешением примерно 70 м [16].
Обработка состоит из двух стадий: декомпозиции и реконструкции. На этапе декомпозиции данные о высотах рельефа организуются в виде специальной траекторной матрицы W. Для этого поле высот разбивается на сегменты равной площади, выполняется усреднение по этим фрагментам и затем формируется траекторная матрица Ш Далее вычисляется разложение вида
й й у = = ,
1=1 1=1
где — собственные значения, {Щ,{У} — орто-нормальные системы левых и правых сингулярных собственных векторов.
В отличие от классического спектрального анализа, в котором функции разложения заданы изначально как набор синусов и косинусов, в ССА эти функции определяются из самих данных и формируют ортогональный базис разложения, оптимальный в статистическом смысле. В результате разложения исходного поля высот ожидается, что оно будет представлено в виде суммы гладкой поверхности, осцилляций и шума. Соответствие вкладов определяется амплитудой собственных значений. Относительный вклад в полную вариацию от сингулярного значения определяется как * * & * -)
Этап реконструкции (группирования) основан на выборе подмножества собственных векторов (мод) и проекции исходного поля на выбранное подпространство. Восстановление происходит при суммировании по заданному набору индексов. Этим достигается выделение одних составляющих поля и фильтрация других. Подробности алгоритма изложены в [12].
Разделение рельефных структур по их вкладу в суммарную вариацию дает информацию не только об энергетических уровнях их формирования, но и о временных рамках развития, поскольку существует связь масштаба, энергетических затрат и интервалов времени для развития структур [3].
На заключительном этапе анализа рельефа результаты цифрового анализа интерпретируются в свете геологических данных о южном Приморье. Объединение информации формирует более полное понимание эволюции рельефа территории, включающей залив, и уточняет геоморфологическое описание территории.
СВЕДЕНИЯ О ГЕОГРАФИЧЕСКОМ ПОЛОЖЕНИИ И ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ ШЕЛЬФА
Залив Петра Великого — самый большой залив Японского моря (рис. 1). Протяженность береговой линии залива, включая острова, около 1700 км,
его ширина почти 200 км, а площадь 55600 км2. В его пределах имеется множество островов и отдельных выступающих из воды скал. Самый крупный полуостров залива — Муравьева-Амурского — делит акваторию залива Петра Великого на две большие части — Амурский и Уссурийский заливы. Продолжением п-ова Муравьева-Амурского являются крупные острова: Русский, Попова, Рейнеке, Рикорда, архипелаг Римского-Кор-сакова. На западе залива расположен о. Фуру-гельма, а на востоке — о-ва Аскольд и Путятина. В залив впадает несколько крупных рек (Туманная, Раздольная) и много мелких речек и ручьев. Устьевые части многих рек в недавнем геологическом прошлом были затоплены морем, в результате чего здесь образовалось несколько заливов второго порядка — Амурский, Уссурийский, Восток, Америка. Подобное происхождение имеет и юго-западный залив Посьета.
Берега залива Петра Великого образовались в четвертичном периоде, для которого характерно чередование трансгрессивных и регрессивных эпох (наступления и отступления моря) [9]. Различные стояния уровня моря нашли свое отражение в надводных и подводных морских террасах, волноприбойных нишах, расположенных значительно выше современного уровня моря, затопленных пляжах и долинах рек [8]. Отроги горной системы Сихотэ-Алинь круто спускаются к Японскому морю, образуя скалистые склоны, расчлененные ущельями. Многочисленные мысы, самые крупные из которых — мысы Гамова, Брюса, Янковского и дреки, сложены твердыми вулканическими породами — гранитами и порфиритами, а берега бухт (Витязь, Славянка, Горностай и т.д.) — осадочными породами — сланцами и песчаниками. Береговая линия залива Петра Великого за время его существования претерпела значительные изменения в результате разрушающего действия волн и накопления осадков — песков, галечников и илов, выносимых в прибрежную зону реками и ливнями.
АНАЛИЗ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА ЗАЛИВА ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Использование высокоточных цифровых данных ASTER GDEM дает на суше разрешение порядка 10 м по высоте и 70 м по долготе и широте. Компиляция доступных ресурсов данных батиметрии (картографии, GEBCO и судовых измерений) определила среднее разрешение для залива Петра Великого 2—4 м по вертикали и около 300
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.