ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 6, с. 17-36
УДК 550.31
СОВРЕМЕННЫЕ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ (СЗДК) НА КАМЧАТКЕ
© 2014 г. В. Е. Левин1, В. Ф. Бахтиаров1, Н. Н. Титков1, С. С. Сероветников1,
М. А. Магуськин2, А. В. Ландер3
1Камчатский филиал Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский 2Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г. Петропавловск-Камчатский 3Международный институт теории прогноза землетрясений и геофизики РАН, г. Москва
E-mail: nik@emsd.ru Поступила в редакцию 05.08.2013 г.
Проводится обзор работ по геодезическому мониторингу современных движений земной коры (СДЗК) Камчатки и Командорских островов за 40-летнюю историю инструментальных наблюдений. Приводятся примеры регистрации СДЗК классическими геодезическими методами, а с 1996 года и с помощью системы спутникового позиционирования GPS. Созданная КФ ГС РАН региональная сеть GNSS-наблюдений KAMNET позволила решать задачи изучения геодинамических процессов, происходящих в области сочленения трех крупнейших плит: Евразийской, Северо-Амери-канской, Тихоокеанской, и плит среднего размера: Охотии и Берингии. Дается интерпретация примеров регистрации СДЗК. Намечаются перспективы дальнейшего развития в области изучения геодинамики Корякско-Камчатского региона.
DOI: 10.7868/S0002333714060040
ВВЕДЕНИЕ
Работы по исследованию современных движений земной коры (СДЗК) на Камчатском полуострове были начаты научными учреждениями Академии наук СССР (Институт физики Земли, Институт вулканологии) и Предприятием № 2 ГУГК при СМ СССР в 70-е годы ХХ века. Для выполнения этих работ создавались локальные научно-исследовательские полигоны, приуроченные к районам активных вулканов (Авачин-ский, Карымский, Толбачинский, Ключевской, Горелый, Ксудач) и эпицентральным зонам возможных мест сильных землетрясений (Авачин-ский залив, Кроноцкий залив, Камчатский залив) (рис. 1а). Создавались протяженные профили высокоточного нивелирования вдоль Восточного побережья Камчатки, по центральной Камчатской депрессии и перпендикулярно к Курило-Камчатской сейсмофокальной зоне (рис. 1б). В 1979 году был организован светодальномерный мониторинг СДЗК в районе Авачинского залива из обсерватории "Мишенная". Подобный светодальномерный мониторинг позднее были организованы в США (Калифорния), в Японии и в СССР на прогностических полигонах в Таджикистане (Гарм), в Киргизии (полигон ИВТАН), в Туркменистане (Ашхабад).
При изучении СДЗК на Камчатке ставились, в основном, следующие задачи:
— детальное исследование СДЗК на активных вулканах;
— изучение СДЗК, связанных с сильными землетрясениями;
— измерение СДЗК, как проявление перемещения литосферных плит [Федотов, Энман, 1973].
Работы по первым двум направлениям проводились с начала 70-х годов классическими геодезическими методами (трилатерация, нивелирование) с использованием аппаратуры наивысшей к тому времени точности. Трилатерация позволяла определять взаимное положение геодезических пунктов в плане с ошибкой 1 х 10-6 при длинах сторон 10—30 км; нивелирование — взаимное положение по высоте с ошибкой 0.5 х 10-6.
К концу XX века точностные возможности однолучевых светодальномеров для мониторинга СДЗК, ограниченные величинами порядка 1 х 10-6, были исчерпаны, а светодальномеры-рефрактометры [Арманд и др., 1990] с точностью 1 х 10-7 в России не вышли из стадии макетных разработок. Стал наблюдаться некоторый кризис в развитии исследований СДЗК. Но в это же время стали стремительно развиваться Глобальные Навигационные Спутниковые Системы GNSS (Global Navigation Satellite Systems), сначала GPS, а теперь и ГЛОНАСС, и для проведения дальнейших исследований на Камчатке и Командорских островах был совершен переход на использование этих систем.
Уже первые опыты использования GPS в геодезических целях, проведенные в первой половине 90-х годов, показали, что новые технологии позволяют определять взаимное расположение удаленных на сотни километров пунктов с точностью ±2—3 см при значительной экономической эффективности. К середине последнего десятилетия прошлого века многие зарубежные фирмы
Рис. 1. Схема расположения на Камчатке научно-исследовательских локальных полигонов и профилей высокоточного нивелирования, созданных Институтом вулканологии ДВО АН СССР (а) и Предприятием № 2 ГУГК при СМ СССР (б) в 1971-1984 годах.
стали выпускать специализированные геодезические приемники, при этом были значительно усовершенствованы методические вопросы учета влияния атмосферы за счет разработки более совершенных моделей строения сухой и влажной компонент воздуха. Наличие в GPS-приемниках возможности принимать две частоты, позволило точно учитывать задержки распространения сигнала через ионосферу, используя тот же дисперсионный метод, который был применен в прецизионных светодальномерах-рефрактометрах. Основным шагом к повышению точности измерений гражданскими потребителями GPS следует считать создание в 1994 г. специальной службы, работающей в рамках международной ассоциации, призванной обеспечивать всех пользователей прецизионными параметрами орбит спутников. Эта служба получила название IGS (International GNSS Service). В ходе работы IGS выявилось, что высокая (предельно возможная) точность измерений в первую очередь необходима специалистам решающих геодинамические задачи. Это задачи по изучению современных движений земной коры, задачи по изучению деформационных предвестников землетрясений, изучение постсейсмических деформаций, движения глобальных лито-сферных плит и деформаций на границах плит.
Переход на использование GNSS при изучении СДЗК на Камчатке был осуществлен в середине 90-х годов ХХ в. После этого появилась возможность проводить исследования в региональном и в глобальном масштабах. Сегодняшний этап развития исследований СДЗК с помощью GNSS характерен развитием глобальных и региональных сетей на основе постоянно работающих станций.
Помимо геодезических технологий, для исследования СДЗК с середины 70-х годов ХХ в. применялись уровенные наклономеры конструкции Ю.С. Доброхотова [Доброхотов, 1972], в 80-х годах был осуществлен переход на скважинные наклономеры модели ТМ-1В (производства США) [Operating Instructions, 1975]. В 90-х годах использовались скважинные деформометр и наклономер конструкции Исиа. Деформометр представляет собой не извлекаемый трехкомпонентный датчик, который был установлен в скважине глубиной 30 метров. Чувствительность деформомет-ра 5 х 10-8, наклономера — 0.1 мкр, что позволяло регистрировать, как приливные волны с амплитудой порядка 0.05 ppm и 1 мкр соответственно, так и деформационные сигналы, связанные с землетрясениями различной магнитуды на разном расстоянии от места установки приборов.
После большого перерыва наклономерные наблюдения были продолжены в 2010 году, после установки на территории Камчатского края восьми наклономеров. Благодаря удачной конструкции безынерционные наклономеры Applied Geo-mechanics 701-2A, разработанные первоначально для узкой цели мониторинга колебаний высот-
ных зданий, используются для проведения геодинамических наблюдений. Установлено две группы наклономерных станций. Первая группа представляет собой 4 станции в районе г. Петропавловска-Камчатского PETT (с/с Петропавловск), MIHT (Мишенная), IVIS (Институт вулканологии), KRMT (с/с Карымшина). Вторая группа установлена в рамках совместных работ с Университетом Хоккайдо, ИВиС ДВО РАН и КФ ГС РАН в районе вулкана Ключевская сопка: KLYT (с/с Ключи), LGNT (Логинова), APHT (с/с Апахончич), CYRT (с/с Цирк) (рис. 2). Данные со станций PETT MIHT KLYT IVIS принимаются в оперативном режиме с задержкой в 1 час. Информация с остальных станций передается на внешних носителях с периодичностью от 1 недели до 3 мес.
В дальнейшем станции в районе Ключевской группы вулканов будут оборудованы системами автономного питания и передачи данных, что позволит увеличить оперативность получения и обработки информации. Данные могут быть использованы для понимания деформационных процессов, связанных с тектоническими, вулканическими и техногенными воздействиями. Также представляет интерес совместный анализ волновых форм землетрясений, полученных сейсмографами и наклономерами.
ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ GNSS-НАБЛЮДЕНИЙ НА КАМЧАТКЕ И КОМАНДОРСКИХ ОСТРОВАХ
До 1997 г. северная часть Евразии была покрыта GPS-станциями крайне неравномерно, что порождало значительные ошибки при моделировании СДЗК на территории Сибири и Дальнего Востока России. С 1997 г. в рамках Геофизической Службы РАН была создана опорная сеть GPS-станций входящая в IGS по всей территории северной Евразии (сеть NEDA), охватывающая континент от Восточно-Европейской платформы через Уральский хребет и всю Сибирь до Чукотки, Камчатки и Сахалина [Быков и др., 2009].
Для решения региональных задач необходимо было создать более плотную региональную сеть GPS станций на Камчатке и Командорских островах с шагом 200—300 км. Работы по созданию сети KAMNET были начаты в 1996 году КФ ГС РАН (тогда КОМСП) совместно с ИВиС ДВО РАН в рамках международного соглашения с Университетом Хоккайдо (Япония) "Исследование сейсмотектоники Охотоморской плиты" и проекта "RUSEG" (Российско-Американский геодинамический экс-перимент/Russia—US Experiment on Geodynamics) c Колумбийским университетом (США). И к октябрю 1997 г. сеть в составе 8 станций постоянных наблюдений начала свою работу.
Основные задачи, которые приходилось решать при создании региональной сети KAMNET это создание полностью автоматизированной си-
Рис. 2. Схемы расположения постоянных пунктов GPS и наклономерных наблюдений в районах: (а) — г. Петропавлов-ска-Камчатского; (б) — Ключевской группы вулканов.
стемы сбора и предварительной обработки данных на станциях, создание Центра Сбора Данных (ЦСД), освоение и внедрение в рутинный режим программных средств высокоточной обработки и анализа GPS-наблюдений. Для установки GPS-ан-тенн был использован опыт создания устойчивых пилонов для призменных отражателей светодаль-номеров. Учитывая малую населенность территории Камчатки и практически полное отсутствие инфраструктуры, станции GPS совмещали с метео и сейсмостанциями, обес
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.