Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Тронин Андрей Аркадьевич
КОСМИЧЕСКАЯ ТЕПЛОВАЯ СЪЁМКА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ
25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург - 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском научноисследовательском центре экологической безопасности РАН
Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Яновская Татьяна Борисовна Доктор геолого-минералогических наук, профессор Можаев Борис Николаевич Доктор геолого-минералогических наук, профессор Путиков Олег Федорович
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН
Защита состоится 20 января 2011 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д212.232.19 при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, СанктПетербург, Университетская наб., 7/9, Геологический факультет (здание бывш. НИФИ), ауд.
347.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. М.Горького СанктПетербургского государственного университета.
Автореферат разослан л___ ___________________ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.г.-м.н. М.П. Кашкевич
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Спутниковые методы для исследования сейсмической активности Земли стали применяться почти сразу с появлением данных дистанционного зондирования из космоса. В первую очередь это были структурно-геологические исследования. По космическим фотоснимкам выделялись активные современные, а также палео- разломы и структуры. У этого метода есть принципиальный недостаток - невозможно наблюдать короткоживущие динамические процессы, связанные с подготовкой и реализацией землетрясения. С другой стороны, один из важнейших геофизических методов - геотермия - давно и успешно применялся для исследования землетрясений. Но классической геотермии присущ другой недостаток - в его распоряжении есть только точечные измерения в ограниченном количестве скважин и наземных пунктов. Разрешить эту проблему был призван дистанционный геотермический метод - аэрокосмическая тепловая инфракрасная съёмка. С появлением аэро и космической тепловой инфракрасной съёмки была реализована возможность регистрации температурного поля земной поверхности на больших площадях. Создание космических тепловых инфракрасных систем позволило осуществить регистрацию температурного поля в глобальном и региональном масштабе с высокой периодичностью, высоким пространственным разрешением и радиометрической точностью. Это открыло принципиально новые возможности изучения температурного поля, исследования ранее неизвестных явлений и процессов на земной поверхности и в её недрах. В полной мере это относится к исследованию сейсмической активности Земли.
Технические средства тепловой аэрокосмической съёмки - сканирующие инфракрасные тепловые радиометры выдают информацию с высоким пространственным разрешением в виде изображения (снимка) - форме, которая присуща известным методам аэрокосмической фотосъёмки и ранее была совершенно нехарактерна для геофизики. Поэтому возникают задачи не только геофизической интерпретации тепловых изображений, но и задачи, связанные с геометрической, радиометрической и атмосферной коррекцией изображений, законами формирования изображения оптико-электронными сканерами.
Эти общие положения легли в основу исследований в направлении развития тепловой аэрокосмической съёмки в Лаборатории аэрометодов (ныне НИИКосмогеологических методов) под руководством лауреата Государственной премии д.г.-м.н. Б.В.Шилина. Одна из задач развития аэрокосмической съёмки при исследовании землетрясений - изучение связи аномалий температурного поля с региональным геологическим строением, которое было поручено соискателю во время его пребывания в аспирантуре Лаборатории аэрометодов в 1985-1988 гг. К середине 80-х решение этой задачи оказалось реальным благодаря существованию спутниковых систем AVHRR/NOAA с тепловыми ИК каналами и центров приёма и хранения космической информации, архивирующих данные ежедневных съёмок всей земной поверхности в дневное и ночной время. Автором в коллективе сотрудников Лаборатории аэрометодов и Института физики Земли было открыто явление формирования аномалий уходящего ИК излучения - индикаторов сейсмической активности в регионах повышенной сейсмической активности (Горный, Сальман, Тронин, Шилин, 1988). Настоящая работа является продолжением и обобщением этих исследований, проводимых автором в течение 25 лет.
В последнее время отмечаются серьёзные трудности в изучении сейсмических процессов. С одной стороны они связаны с высокой стоимостью организации широкой сети наземных наблюдений. С другой стороны, в сейсмическом процессе участвуют значительные объёмы горных пород, что приводит к мозаичному распределению предвестников землетрясения, иногда на значительном удалении от эпицентра. Недостаток информации о механизмах генерации землетрясений и распределении предвестников не позволяет разместить сеть наблюдений рационально. Из-за высокой неоднородности проявления предвестников соседние станции наземных наблюдений зачастую дают несопоставимые результаты. В такой ситуации становится особенно актуально использование дистанционных методов исследований, позволяющих быстро и регулярно производить съёмки обширных территорий.
Развитие спутниковых методов исследований земной поверхности позволяет создать систему глобального мониторинга сейсмической активности в режиме реального времени.
Цель и задачи диссертационной работы. Основная цель исследования - разработка дистанционного метода исследования сейсмической активности Земли с помощью космической тепловой съёмки.
Исходя из поставленной цели были сформулированы задачи исследований:
1) Разработка физических основ применения космической тепловой съёмки для изучения сейсмической активности. Выявление круга процессов на земной поверхности, доступных для регистрации методом космической тепловой съёмки.
2) Разработка методики обработки (геометрической, радиометрической и атмосферной коррекцией изображений) данных космической тепловой съёмки для исследования сейсмической активности Земли.
3) Разработка методики геофизической интерпретации данных космической тепловой съёмки при исследовании сейсмической активности Земли.
4) Анализ долговременных рядов данных космической тепловой съёмки на различные сейсмически активные регионы.
5) Определение характера связи сейсмической активности и тепловых процессов на земной поверхности. Выявление природы тепловых аномалий, сопровождающих землетрясения.
6) Анализ современных методов изучения сейсмической активности из космоса. Разработка рекомендаций для развития спутникового мониторинга землетрясений. Определение технических средств, необходимых при использовании космической тепловой съёмки для изучения землетрясений. Определить место аэрокосмической тепловой съёмки в круге дистанционных методов для изучения сейсмической активности.
7) Создание каталога термальных и атмосферных явлений на земной поверхности при землетрясениях.
Направление и методы исследований. Для достижения главной цели работы исследования развивались в нескольких основных направлениях:
1) Анализ современных и исторических сейсмологических каталогов с целью определения круга процессов на земной поверхности, которые могут быть зафиксированы средствами космической тепловой съёмки. Выявлялись метеорологические, гидрогеологические, геотермальные и другие процессы на земной поверхности, связанные с землетрясениями. По сейсмическим каталогам устанавливалась магнитуда, глубина и географические координаты сейсмических событий. Полученные обширные данные систематизировались в каталог термальных и атмосферных явлений на земной поверхности при землетрясениях.
2) Разработка методов обработки и интерпретации данных космической тепловой съёмки для исследования землетрясений. Методика работ по анализу космических тепловых снимков была одинакова для всех регионов, кроме Средней Азии. Исследования в Средней Азии выполнялись в 80-х годах (в доцифровую эру), когда архивы цифровых изображений были недоступны и снимки в архивах хранились только в виде отпечатков. Поэтому и дешифрирование снимков проводилось с использованием методов визуального дешифрирования. Для остальных регионов методика обработки материалов космической тепловой съёмки заключалась в выборе данных (спутниковой системы), их поиске в архиве, заказе информации, её получении, предварительной и тематической обработке.
После получения исходных спутниковых данных необходима их предварительная обработка. Она включает в себя калибровку, радиометрическую, атмосферную и геометрическую коррекцию. После этого восстанавливается радиометрическая температура поверхности в спектральных каналах. Калибровка и радиометрическая коррекция выполняется по стандартным алгоритмам для каждого спутника в отдельности. Затем выполняется атмосферная коррекция и восстанавливается термодинамическая температура поверхности.
Далее производится геометрическая коррекция данных. Для спутников серии NOAA обычно она выполняется в два этапа: первый - коррекция по орбитальным данным - устраняются искажения изображения за кривизну земной поверхности, наклонение орбиты и вращение Земли; второй - точная коррекция для привязки изображения к карте, выполняется трансформация изображения по опорным точкам. В современных спутниковых системах, таких как EOS, геометрическая коррекция выполняется проще. Исходные данные содержат достаточно геодезической информации для точной геометрической коррекции. Автором совместно с коллегами разработано программное обеспечение для чтения исходных данных NOAA, выделения спектральных каналов из записи, геометрической, радиометрической и атмосферной коррекции спутниковых данных.
Таким образом, в результате выполнения всех предварительных коррекций создаётся карта температуры земной поверхности на момент пролёта спутника или за какой-то временной интервал осреднения, например, за одну неделю. Водные поверхности и облака маскировались и не участвовали в дальнейшей обработке.
Тематическая геофизическая обработка снимков заключается в выделении на изображении тепловых аномалий, расчете их площади и температуры. Для этого производится предварительный анализ тектонической и сейсмологической ситуации в регионе, выявляются основные сейсмогенные и геотермически активные структуры региона. Для каждого снимка рассчитывались статистические параметры фона и аномалии над различными геологическими структурами. В результате статистического анализа рассчитывалась площадь тепловой аномалии и её средняя температура. Площадь и температура аномалии регистрировались в каталоге тепловых аномалий для построения графиков изменения этих параметров во времени для совместного анализа с сейсмологическими данными. Для обработки цифровых спутниковых данных использовалось как собственное программное обеспечение автора и коллег, так и стандартные пакеты обработки изображений ERDAS Imagine и PCI.
3) Исследования природы тепловых аномалий на земной поверхности в сейсмических процессах. Для изучения природы аномалий был выполнен комплекс модельных и полевых экспериментальных исследований. Модельные расчёты были выполнены на крупной тепловой аномалии над Каратауским разломом и Каракумами в Средней Азии. Методика расчета заключается в анализе данных многократной космической тепловой съёмки участка земной поверхности в течение суток. По спутниковым данным восстанавливается суточный ход температуры и альбедо земной поверхности. Затем собираются наземные метеорологические данные и формируются уравнения теплового баланса для решения обратной геофизической задачи. Результатом решения являются три тепловых потока: поток, создаваемый суточным тепловым ритмом, тепловой поток на испарение, геотермальный конвективный поток. Затем эти потоки пересчитываются соответственно в тепловую инерцию, скорость испарения и конвективный геотермальный поток. Анализ этих физических величин и характер их распределения в пространстве и во времени позволяет сделать выводы о природе тепловых аномалий.
Полевые исследования были проведены на Предкопетдагском разломе, на Ашхабадском сейсмологическом полигоне. Наблюдения проводились вкрест простирания одной из ветвей разлома. Они включали комплекс тепловой автомобильной съёмки, отбор проб грунта для определения влажности и измерения газового состава (углекислый газ) почвенного воздуха. На этом же профиле Институтом сейсмологии Туркменской ССР проводились измерения радона и температуры грунта на глубине 1.5 м. Результаты исследований позволили подтвердить высказанную ранее гипотезу о природе тепловых аномалий над зонами разломов.
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов базируется на:
Ц Глубокой изученности вопроса. Каталог термальных и атмосферных явлений при землетрясениях содержит описание 1507 событий, что позволяет сделать достоверные статистические оценки, а его библиография насчитывает 125 источников, в том числе редких.
Ц Обширном экспериментальном материале и наблюдениях, которые проводились по сейсмоопасным регионам мира в различных климатических, географических, геологических и сейсмологических условиях. Всего исследовано более 100 землетрясений, обработано более 12000 тепловых снимков, из них более 1500 изображений прошло тематическую обработку.
Только для региона Средней Азии временной ряд составляет 7 лет.
Ц Материалах разнообразных спутниковых систем (NOAA, EOS, Landsat) и опирается на современные количественные цифровые методы и алгоритмы обработки данных дистанционного зондирования.
Ц Результатах полевых экспериментальных исследований, результатов моделирования и данных метеорологических наблюдений на стандартной сети метеостанций.
Ц Многочисленных примерах анализа тепловых аномалий при исследовании сейсмической активности по данным космической тепловой съёмки в различных регионах мира независимыми исследованиями специалистов в области дистанционных методов и сейсмологии.
Защищаемые положения.
1) В сейсмических зонах мира (Средиземноморская, Центральноазиатская, Тихоокеанская) возникают закономерно расположенные и повторяющиеся тепловые аномалии - индикаторы сейсмической активности. На количественном уровне установлена статистически значимая связь аномалий с сейсмической активностью.
2) Тепловые аномалии - индикаторы сейсмической активности возникают над зонами крупных разломов, сопровождают только коровые землетрясения и развиваются за 1-2 недели до толчка.
В зонах тепловых аномалий выявлено синхронное изменение температуры и влажности почвы и воздуха, дебита и температуры воды в скважинах.
3) Основным механизмом образования тепловых аномалий является повышение влажности поверхности почвы из-за гидродинамических процессов, возникающих в сейсмическом цикле.
Повышение влажности почвы ведет к формированию положительной в ночное время суток и отрицательной в дневное время аномалии температуры поверхности почвы, повышению влажности приземного слоя воздуха.
4) Космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом изучения сейсмической активности по тепловым эффектам на земной поверхности, связанным с землетрясениями.
Научная новизна.
1) Открыто неизвестное ранее явление формирования тепловых аномалий - индикаторов сейсмической активности.
2) Показано, что анализ динамики геотермального поля поверхности Земли даёт новую информацию о геологических процессах в земной коре.
3) Составлен каталог атмосферных явлений при землетрясениях, содержащий описание 15событий. Систематически проанализированы разнообразные атмосферные процессы, происходящие при землетрясениях. Показано, что в связи с сейсмической активностью изменяется температура почвы и воздуха, влажность почвы и воздуха. Эти изменения происходят в различных географических регионах и геологических ситуациях.
Продемонстрировано, что атмосферные явления перед землетрясениями относятся к краткосрочным предвестникам.
4) Разработаны методики обработки и геофизической интерпретации данных космической тепловой съёмки при исследовании сейсмической активности.
5) Проанализированы материалы космической тепловой съёмки на различные сейсмические регионы во всём мире с целью поиска тепловых аномалий, сопровождающих землетрясения.
Показана идентичность процессов формирования тепловых аномалий сопровождающих землетрясения во всех регионах.
6) В качестве механизма формирования тепловых аномалий впервые показана роль изменения влажности почвы из-за гидродинамических процессов в сейсмическом цикле на процесс формирования тепловых аномалий - индикаторов сейсмической активности.
7) Показано, что космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом для исследования землетрясений. Определёно место аэрокосмической тепловой съёмки в круге дистанционных методов, способных регистрировать различные явления на земной поверхности и в атмосфере, связанные с сейсмической активностью. Разработаны предложения по системе спутникового мониторинга сейсмической активности.
Апробация работы и реализация результатов. По теме диссертационной работы опубликовано 36 статей, докладов, отчётов с 1988 по 2006 гг. в отечественных и международных журналах рецензируемых журналах, докладах конференций.
Результаты исследований были доложены на многочисленных международных и отечественных конференциях, например: Тепловое поле земли и методы его изучения, Москва, 17-20 июня, 2002; International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2000, Honolulu, 24-July, 2000; Western Pacific Geophysics Meeting, Tokyo, 27-30 June, 2000.
В рамках ЮНЕСКО в 2001 г. создана рабочая группа Integrated Global Observing Strategy (IGOS) - GEOHAZARD по применению космических методов для контроля за геоопасностями и выработке рекомендаций для дальнейшего развития. Автор руководил направлением применения космической тепловой съёмки для изучения сейсмических явлений.
Результаты исследований приняты для внедрения в рамках глобального проекта ЮНЕСКО IGOS GEOHAZARD.
По результатам XI ежегодного совещания Совместной российско-американской рабочей группы "Науки о Земле" (Вашингтон, 23-26 апреля 2001 г.) в разделе "Твёрдая оболочка Земли:
предвестники землетрясений" предложено следующее: "Интерпретация электромагнитных и тепловых аномалий в качестве предвестников землетрясений - предмет, вызывающий значительный интерес и споры в научном сообществе. Подгруппа рекомендует уделить больше внимания оценке достоверности и воспроизводимости этих экспериментальных данных" (Лавёров, Ведешин, 2002).
В Системном проекте по развитию Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений указано на необходимость наблюдения за предвестниками разрушительных землетрясений в околоземном пространстве, атмосфере и на земной поверхности (Системный..., 1995).
Результаты исследований автора получили широкое международное признание. В настоящее время исследования по анализу тепловых аномалий как части проблемы литоатмосферных связей при землетрясениях проводятся в Университете Базиликата (Италия), нескольких научно-исследовательских институтах и университетах Китая. В Китае был создан специальный "Спутниковый прогностический центр для природных катастроф" (Zhu Yilin, 1998), который широко использует разработки автора. По утверждению китайских коллег им удалось спрогнозировать более 100 землетрясений с 1990 по 2000 гг. (Qiang, Du, 2001). В настоящее время автор участвует в апробации метода прогноза землетрясений по данным тепловой космической съёмки. Отдельные исследования проведены автором в Испании, Греции, Японском космическом агентстве NASDA (Tronin, 2000). Развиваются космические тепловые методы изучения землетрясений и в научно-исследовательских центрах NASA им.
Годдарта и им. Эймса (Zandonella, 2001, Ouzounov, Freund, 2001, Ouzounov, 2003).
В рамках Российско-индийской объединенной долгосрочной программы научнотехнического сотрудничества (ILTP) между Российской академией наук и Министерством науки и технологий Индии с 2008 г. автор руководит совместным проектом "Использование космической тепловой съёмки для изучения предвестников землетрясений".
Результаты исследований послужили основой для разработки аппаратуры для установки на спутники, предназначенные для прогноза землетрясений. Такие разработки ведутся в России, США, Китае (Qiang и др., 2000, Malik, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 (на 25.01.2010) работ в отечественных и зарубежных журналах. Приоритетная публикация была сделана в 1988 г. в Докладах АН СССР (Горный, Сальман, Тронин, Шилин, 1988). В настоящее время в публикации находится несколько работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и трёх приложений. В диссертации 188 страниц, в Приложении 1 Каталог термальных и атмосферных явлений при землетрясениях - 246, Приложении 2 - Каталог тепловых аномалий в Средней Азии - 54, и Приложении 3 - Лито-атмосферные связи в историческом аспекте - 32 страницы. В диссертации 94 иллюстраций, 30 таблиц, 2использованных источников.
Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность проблемы использования космической тепловой съёмки для исследования землетрясений.
В первой главе дается анализ методам изучения землетрясений и определяются физические основы применения космической тепловой съёмки при исследовании сейсмической активности. В главе кратко изложены современные методы исследования землетрясений, связанные с космической тепловой съёмкой: геотермические, гидрогеологические и геохимические, метеорологические и электромагнитные исследования, работы по изучению поведения животных и человека. Особое внимание уделено геотермическим явлениям.
Изложены исторические представления о связи землетрясений и атмосферных явлений.
Показаны представления о землетрясениях, как о едином природном, а не только сейсмическом процессе. Приведён анализ каталога термальных и атмосферных явлений при землетрясениях.
В таблице 1 представлены примеры наблюдений за температурой почвы при землетрясениях, а в таблице 2 - температуры воды (каталог находится в Приложении № 1 к диссертации).
Таблица 1. Изменение температуры почвы в связи с землетрясениями.
Дата Район Магни Описание Литература туда 26 апреля Ташкент, 5.6 Температура почвы на глубине 3 м Милькис, 191966 Узбекистан выросла на 1 С с 1956. Максимум температуры наблюдался за месяц перед толчком.
14 мая Махачкала, 5.7 Тепловой поток в неглубоких скважинах Дагестанское...
1970 Дагестан увеличился в 3.4 раза., 195 июня Самарканд, 6.8 Температура почвы на глубине 3 м Омуралиев и 1970 Узбекистан выросла на 0.4-0.6 С за 5 дней до толчка. Каракеев, 1917 мая Газли, 7.0 Температура почвы на глубине 1.6 м Милькис, 191976 Узбекистан выросла на 1.5 С за 10 месяцев до толчка.
24 марта Киргизия 7.0 Температура почвы на глубине 3 м Омуралиев и 1978 выросла на 0.4-0.6 С за 9 дней до толчка. Каракеев, 1912 ноября Киргизия 6.1 Температура почвы на глубине 3 м Омуралиев и 1990 выросла на 0.4-0.6 С за 5 дней до толчка. Каракеев, 19Таблица 2. Изменение температуры воды в связи с землетрясениями.
Дата Район Магни Описание Литература туда 5 октября Ашхабад, 7.3 Пульсирующие изменения температуры: Милькис, 1948 Туркмения долговременные - с амплитудой до 6 С, 19краткосрочные - до 2-3 С.
27 июня Байкал 7.6 Температура горячих источников выросла Новый..., 1957 на 5 С. 19 18 июня Камчатка 7.6 Температура горячих источников Осика, 191959 возросла на 5 С.
26 апреля Ташкент, 5.6 Температура воды в скважинах возросла и Каталог..., 1966 Узбекистан уровень воды изменился на 5 м. 1914 мая Махачкала, 5.4 Наблюдался региональный рост Дагестанское 1970 Дагестан температуры на 1-4 С на площади 60 000..., 19кв. км.
5 июня Саракамыш, 6.8 Температура выросла на 8-12 С за два Каталог..., 1970 Узбекистан месяца до толчка. 1923 декабря Махачкала, 5.0 Температура горячих источников выросла Осика, 191974 Дагестан на 3.5 С, значительно выросло выделение газов.
30 ноября Исмаилы, 5.2 Температура воды в скважинах выросла Каталог..., 1981 Азербайджан на 5.5 С. 19По результатам анализа многочисленных геотермических, геохимических и гидрогеологических исследований были сделаны следующие выводы: 1) В период подготовки землетрясения изменяется дебит и температура подземных, а иногда и поверхностных вод. 2) Происходит изменение химического состава вод, часто наблюдается усиленная дегазация источников. 3) В период подготовки землетрясения изменяется поток газов из литосферы в атмосферу. 4) Изменяется газовый состав приземного слоя атмосферы. 4) Эти проявления носят мозаичный характер, например, в одни местах наблюдается уменьшение дебита, в других - его увеличение. 4) Можно говорить об интегральном повышении температуры и дебита вод, усилении дегазации в период подготовки землетрясений, даже учитывая мозаичный характер проявлений. 5) Время появления предвестников различно, но наиболее ярко они проявляются за несколько дней до толчка. 6) Расстояние появления предвестников также различно, иногда оно достигает сотен километров от эпицентра. Часто это расстояние значительно превышает радиус деформационных изменений вокруг эпицентра готовящегося землетрясения.
Во второй главе дается методика обработки данных космической тепловой съёмки при исследовании землетрясений. Для анализа данных космической тепловой съёмки до последнего времени использовались данные спутников NOAA, сканера AVHRR. Характеристики спутников и сканеров приведены в таблицах 3 и 4.
Таблица 3. Основные технические характеристики спутников NOAA Спутник Наклонение Период Высота орбиты, Время пересечения орбиты, обращения перигей/апогей, экватора, местное град минут км время NOAA 7-16 98.5-98.9 101.2-102.1 800/850 ~07:~14: Таблица 4. Основные технические характеристики сканера AVHRR, установленного на спутнике NOAA.
Спутник Сканер Спектральный Пространственное Полоса Периодичность диапазон (мкм) разрешение (м) обзора (км) съемки (сутки) NOAA 7, AVHHR-2 0.58-0.68 1100/1100 2700 6 часов 9, 11-14 0.70-1.10 для системы 3.55-3.93 из 2х спутников 10.3-11.11.5-12.NOAA AVHHR-3 0.580 - 0.68 1100/1100 2700 6 часов 15,16 0.725 - 1.00 для системы 1.580 - 1.64 из 2х спутников 3.550 - 3.10.300 - 11.11.500 - 12.Основная аппаратура спутника NOAA представляет собой 4-6 канальный сканирующий радиометр модификаций от AVHHR до AVHHR-3. Оптическая система сканера представляет собой афокальный телескоп Кассегрена с апертурой 20.3 см, совмещённый со вторичной оптикой, разделяющей поток излучения по отдельным спектральным каналам. Сканирующее зеркало имеет эллиптическую форму 20.6x29.5 см и армировано бериллием. Мгновенный угол зрения для всех каналов составляет 1.3 0.1 миллирадиана, что обеспечивает разрешение на местности в подспутниковой точке в 1100 м с расчётной орбиты высотой 833 км. Скорость сканирования составляет 360 сканов в минуту. Конструкция сканера обеспечивает сведение полей зрения всех спектральных каналов с точностью 0.1 миллирадиан.
Аналоговый сигнал от датчиков и предусилителей поступает на АЦП, которое работает со скоростью 39936 преобразований за секунду на один спектральный канал, число уровней квантования составляет 10, что позволяет регистрировать широкий динамический диапазон температур земной поверхности (от -93оС до +62оС для AVHRR-3). Чувствительность тепловых каналов AVHRR/3 (уровень шумов) составляет 0.12 оС.
Оптические каналы сканера AVHRR имеют наземную калибровку, которая по мере старения датчиков корректируется. Датчики тепловых каналов выполнены на основе Hg-CdTe и пассивно охлаждаются до температуры 105 K. Тепловые каналы калибруются по чёрным телам, температура которых поддерживается постоянной и контролируется термодиодами.
Сканер весит около 17 кг и потребляет 28.5 Вт электроэнергии.
Система спутников NOAA является оперативной, то есть обеспечивает непрерывное слежение за всей поверхностью земного шара на протяжении уже более 30 лет. Спутники находятся на солнечно-синхронных околополярных орбитах. Система из нескольких спутников на орбите позволяет получать ежедневные снимки всей поверхности Земли днём и ночью. Как правило, в оперативном режиме находится два спутника, один из которых имеет время пересечения экватора около 07:30 местного времени, а другой ~14:30, что обеспечивает съёмку любого участка земной поверхности с периодичностью 6 часов. Ещё несколько спутников выведены из оперативного сопровождения, но продолжают работать и посылать информацию на Землю.
Сканирующая система AVHRR спроектирована таким образом, что в нормальном режиме работы спутник передаёт данные на Землю непрерывно и в реальном масштабе времени в режиме HRPT - передача изображения с высоким решением (Таблица 5). В дополнение к режиму HRPT существует режим записи, когда приблизительно 11 минут данных могут быть выборочно записаны на борту спутник для последующего воспроизведения (режим LAC - локальное покрытие). В режиме LAC может быть произведена съемка любой части мира и данные могут быть переданы на Землю на той же самой орбите или на последующей орбите.
Таблица 5. Основные режимы передачи данных спутников NOAA.
Режим передачи Географический охват Разрешение на Число уровней данных местности, км квантования GAC Глобальный 4 LAC Любые ~6000 км по орбите 1 HRPT В зоне видимости спутника 1 Режимы LAC и HRPT имеют идентичный формат данных L1b. Режим GAC обеспечивает глобальное наблюдение с ухудшенным пространственным разрешением.
В последнее время стали применяться данные многоканальных радиометров MODIS, установленных на природоресурсных спутниках "Terra" и "Aqua". Данные этих спутников в тепловом диапазоне спектра имеют практически такое же разрешение на местности, что и NOAA, но отличаются большим динамическим диапазоном (12 бит против 10) и числом спектральных каналов. Архивы данных MODIS предоставляют значительно более удобный сервис пользователям, а уровень предварительной обработки позволяет практически сразу переходить к тематической интерпретации данных.
Для получения архивных данных использовалось несколько центров спутниковых данных: центральный архив NOAA или региональные архивы приёмных станций. Центральный архив содержит данные съёмки по всему земному шару с 1978 г. по настоящее время в режиме GAC. Такая глубина и глобальный охват данных позволяют проводить исследования по поиску и мониторингу тепловых аномалий, связанных с сейсмической активностью по всему миру. Данных высокого разрешения значительно меньше. Так для территории России в центральном архиве NOAA содержатся данные высокого разрешения только для дневных сцен. Станции, осуществляющие приём информации в России, имеют малый по глубине архив и ограниченные возможности для поддержания архива в сети Интернет, поэтому для изучения тепловых аномалий привлекались данные приёмной станции Токийского университете, обладающая обширным архивом спутниковых данных на территорию Дальнего Востока и Восточной Сибири, а также архив Института комических исследований РАН Для европейской территории актуальны данные приёмной станции университета Данди
Для исследований сейсмоактивных регионов при помощи данных космической тепловой съёмки, использовались главным образом ночные данные с разрешением на местности в 1 км (режим LAC, HPRT), а при их отсутствии и в 4 км (режим GAC).
Методика анализа космических тепловых снимков была одинакова для всех регионов, кроме Средней Азии. Исследования в Средней Азии выполнялись в 80-х годах в доцифровую эру, когда в доступных архивах не хранились цифровые изображения. Снимки были доступны только в виде отпечатков. Поэтому и анализ снимков проводился визуальным дешифрированием. Для остальных регионов методика обработки цифровых спутниковых данных заключается в выборе данных (спутниковой системы), поиске данных в архиве, заказе информации, её получении, предварительной и тематической обработке.
После получения исходных данных с ними необходимо провести предварительную обработку. Она включает в себя калибровку данных, их радиометрическую, атмосферную и геометрическую коррекцию. После калибровки и радиометрической коррекции восстанавливается радиометрическая температура поверхности в спектральных каналах.
Калибровка и радиометрическая коррекция выполняется по стандартным алгоритмам для каждого спутника в отдельности. Затем выполняется атмосферная коррекция и восстанавливается температура поверхности. В результате атмосферной коррекции получаем термодинамическую температуру земной поверхности.
Далее производится геометрическая коррекция данных. Обычно она выполняется в два этапа: 1) коррекция по орбитальным данным - устраняет искажения изображения за кривизну земной поверхности, наклонение орбиты и вращение Земли; 2) точная коррекция для привязки изображения к карте, выполняется трансформация изображения по опорным точкам.
Таким образом, после выполнения всех предварительных коррекций строится карта температуры поверхности земли на момент пролёта спутника или за какой-либо временной интервал. Водные поверхности и облака маскировались и удалялись со снимка. Тематическая обработка изображений заключается в выделении на изображении тепловых аномалий, расчете их площади и температуры.
В третьей главе изложена методика геофизической интерпретации данных космической тепловой съёмки при исследовании землетрясений. После предварительной обработки геометрически привязанные данные о термодинамической температуре земной поверхности подвергались процедуре геофизической интерпретации. Цель этой интерпретации - выделение тепловых аномалий на земной поверхности, сопровождающие землетрясения. Для этого производится предварительный анализ тектонической и сейсмологической ситуации в регионе, выявляются основные сейсмогенные и геотермически активные структуры региона. Анализ изменения температуры поверхности над различными геологическими структурами в процессе землетрясений позволяет выделить тепловые аномалии. В качестве примера приведена схема тепловых аномалий для Средней Азии (рисунок 1).
Рисунок 1. Схема расположения тепловых аномалий в Средней Азии. Разломы: a-a - Каратауский (Талассо-Ферганский); b-b - Тамды-Токрауский; c-c - Джалаир-Найманский; d-d - Бухарская система разломов. Тепловые аномалии: 1 - аномалия 1; 2 - аномалия 2; 3 - аномалия 3; 4 - аномалия 4.
Для каждого снимка рассчитывались фоновое среднее и стандартное отклонение. Затем все значения больше среднего плюс два стандартных отклонения удалялись. Таким образом, выделялось изображение тепловой аномалии. Далее производился расчёт количества аномальных пикселов, площади аномалии, суммарной аномальной температуры и средней температуры аномалии, которые регистрировались в каталоге для построения графиков изменения этих параметров во времени для совместного анализа с сейсмологическими данными. Статистический метод выделения аномалии иллюстрируется на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2. Космический тепловой снимок Рисунок 3. Селекция тепловых аномалий на северо-востока Китая, 7 января 1999. Фон и снимках: а) Тепловой снимок северо-востока тепловые аномалии. Белая рамка и врезка - Китая, 7 января 1999; б) тепловая аномалия фоновый участок. Крест показывает удалены значения ниже среднего плюс два эпицентр землетрясения. Стрелки стандартных отклонения.
показывают тепловую аномалию.
Кроме указанной методики селекции тепловых аномалий были предложены и другие методы. Так Трамyтоли (Tramutoli и др., 2001) предложил метод выделения тепловых аномалий основанный на вычислении фона, как среднего во времени или метод временного приращения.
Накапливая многолетние наблюдения по участку работ, получается некое осреднённое во времени, эталонное изображение участка. Каждый новый снимок сравнивается с этим эталонным изображением, и рассчитываются пространственные и временные индексы тепловых аномалий. Схожая, но упрощённая методика была применена автором при изучении эпицентральной зоны Измитского землетрясения 1999 г. В этом случае, за фоновое изображение принималось одно изображение при фоновом распределении теплового поля, приблизительно за 2-3 недели до землетрясений (рисунок 4). Методика выявления тепловой аномалии заключалась в следующем. Сначала был вычислен фоновый снимок (референсповерхность) как максимум из двух ночных снимков: 1 и 2 августа 1999 г. (рисунок 4а). Затем рассчитывалась аномалия путём вычитания из каждого изображения фонового снимка. Видно, как в непосредственной близости от эпицентра, на основной ветви сейсмогенерирующего Северо-Анатолийского разлома развивается тепловая аномалия, достигая своего максимума августа. После основного толчка 17 августа 1999 г. (40.75 с.ш., 29.86 в.д., h=17 км, М=7.8) аномалия исчезает.
Рисунок 4. Разностные космические тепловые снимки района Измитского землетрясения, Турция 17.08.1999 (исходный уровень - снимок 1 и 2 августа 1999), а - 6 августа 1999 г., б - августа 1999 г., в - 18 августа 1999 г., г - 26 августа 1999 г. Крест показывает эпицентр землетрясения.
Для обработки цифровых спутниковых данных использовалось как собственное программное обеспечение автора и коллег, так и стандартные пакеты обработки изображений ERDAS Imagine и PCI Geomatics.
В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований по обработке данных космической тепловой съёмки для сейсмоактивных зон мира: Средняя Азия, Камчатка, Китай, Япония, Индия, Иран, Испания, Турция, Италия, Саудовская Аравия, Калифорния.
СРЕДНЯЯ АЗИЯ. Исторически изучение тепловых аномалий в связи с землетрясениями началось со Средней Азии. Планомерные исследования начались в 1986 г. по инициативе и в тесном сотрудничестве с Институтом физики Земли РАН (Любимова Елена Александровна, Глико Александр Олегович). На анализировавшихся тогда материалах космической тепловой съёмки - фотоотпечатках можно было различить 8-10 градаций температур на земной поверхности, а разрешение на местности было не лучше 8 км. При таких исходных данных можно было рассчитывать обнаружить только наиболее крупные тепловые аномалии в самых благоприятных условиях. С этих позиций и был выбран регион Средней Азии, для которого характерна высокая сейсмичность, отсутствие облачности, равнинный рельеф.
Стимулом к началу исследований послужило Газлийское землетрясение 1984 г. Попытки обнаружить изменение температуры поверхности Земли, связанные с этим (19 марта 1984 г., М=7.2) и предыдущим Газлийским землетрясением (8 апреля 1976 г., М=7.3) показали наличие тепловых аномалий. В день землетрясения 8 апреля 1976 г., за 3 часа до толчка, были отмечены (рисунок 5) интенсивные тепловые аномалии в зоне Тамды-Токрауского разлома (рисунок 1).
11 марта 1984 г. (за неделю до землетрясения) в точке пересечения Тамды-Токрауского и Каратауского разломов наблюдались тепловые аномалии огромной площади - до 100 000 км2 и высокой интенсивности (рисунок 6). Всего было просмотрено порядка 10 000 снимков. Объем обработанной информации отражён в таблице 6.
Рисунок 5. Космический тепловой снимок от 8 Рисунок 6. Космический тепловой снимок от апреля 1976 г. Стрелки показывают тепловую 11 марта 1984 г. Стрелки показывают аномалию, крест - эпицентр Газлийского тепловую аномалию, крест - эпицентр землетрясения 8 апреля 1976 г. (М=7.3). Газлийского землетрясения 19 марта 1984 г.
(М=7.2).
Таблица 6. Фактический объем наблюдений в Средней Азии.
Год 1979 1980 1983 1984 1985 1986 1987 Всего Число дней измерений 210 133 112 106 138 108 194 10Количество землетрясений 16 9 8 13 6 10 11 Один из примеров обработки данных космической тепловой съёмки приведён на рисунке 7. Землетрясение с магнитудой 7.5 произошло 23 августа 1985 г. в юго-западном Казахстане (39.40 с.ш., 75.22 в.д., h=6 км). До 7 августа наблюдалось фоновое состояние теплового поля. Затем, 8 и 9 августа зафиксированы тепловые аномалии в зоне Каратауского (Талассо-Ферганского) разлома (см. рисунок 1) и Джалаир-Найманского разломов. После этого следовал спад в площади аномалий, и следующий цикл развития пришёлся на 15-17 августа.
Последний цикл развития тепловой аномалии начался 21 августа, и может рассматриваться как косейсмическая тепловая аномалия, через два дня произошло землетрясение. Изменение площади тепловой аномалии показано на рисунке 8. Данный пример может рассматриваться как типичный. Характерной особенностью тепловых аномалий является периодичность их появления, в данном случае наблюдается 3 максимума площади аномалии. Период одного цикла развития аномалий составляет 7 дней.
Рисунок 7. Космические тепловые снимки Средней Азии, а Ц3 августа 1985 г. (фоновое состояние), б - 22 августа 1985 г. (тепловая аномалия). Крест показывает эпицентр землетрясения 23 августа 1985 (М=7.5). Стрелки показывают тепловую аномалию в зоне Каратауского разлома (А-А).
Рисунок 8. Пример изменения площади тепловой аномалии над Каратауским разломом в июлеавгусте 1985 г. Колонки показывают моменты землетрясений.
В результате исследований в Средней Азии было показано: 1) Над крупными разрывными нарушениями - Предкопетдагским, Каратауским (Таласо-Ферганским), ДжалаирНайманским и другими разломами в Среднеазиатском регионе существуют тепловые аномалии.
2) Выявлены стационарная и нестационарная составляющие тепловых аномалий в зонах активных разломов. Нестационарные аномалии развиваются в наиболее ослабленных участках - узлах пересечения нескольких разломов. 3) Длительность развития аномалий составляет 2-недели до события и 1-2 дня после него. Наблюдается цикличность в развитии аномалий с периодом 7-9 дней. Обобщенный цикл развития аномалий представляет собой несколько максимумов до толчка и один сразу после, или во время землетрясения. 4) Интенсивность аномалий составляет 3-4 градуса выше окружающего фона. Воздух над аномалией также имеет повышенную температуру, что подтверждается данными метеорологических и спутниковых наблюдений за вертикальным разрезом атмосферы. 5) Размер аномалий в общем случае зависит от магнитуды события и достигает 100 000 км2.
КАМЧАТКА. Камчатка отличается высокой сейсмичностью, вулканической активностью, наличием гидротермальных полей, гейзеров, горным рельефом и сложными погодными условиями для наблюдений. Исходя из наличия данных наземных наблюдений, было выбрано 7 периодов с 10 землетрясениями (довольно часто следуют одно землетрясение за другим с интервалом в несколько дней, которые нельзя рассматривать как афтершоки). Из них один период был отброшен из-за отсутствия спутниковых данных, два других из-за плохой погоды. Таким образом, в рассмотрении осталось 4 периода (таблица 7).
Таблица 7. Каталог землетрясений Камчатки, отобранных для анализа.
Расстояние до Расстояние до Глубина, Дата с.ш. в.д. Магнитуда пункта наземных тепловой км наблюдений, км аномалии, км 24 июля 1983 53.77 158.62 180 6.3 96 28 июня 1993 51.22 157.83 70 7.5 194 521 июня 1996 51.57 159.12 20 7.0 165 48 октября 2001 52.63 160.21 33 6.4 151 3 Наземный пункт наблюдений располагается в Карымшино, недалеко от ПетропавловскаКамчатского (52.94 с.ш., 158.25 в.д.). В Карымшино расположена комплексная лаборатория для наблюдений за гидрогеологическим, электромагнитными, акустическими и другими явлениями.
Гидрогеологические наблюдения проводятся в трёх скважинах и на одном горячем источнике.
Для совместного анализа спутниковых и наземных данных выбиралась одна из скважин или источник. Расстояние от гипоцентров землетрясений до тепловой аномалии рассчитывались исходя из того, что центр обнаруженной тепловой аномалии располагается в центре полуострова, в долине р. Камчатки, с координатами 55.6 с.ш., 159.7 в.д.
Методика исследований не отличалась от обычной, рассчитывались температура и площадь тепловой аномалии. Фоновый участок располагался на восточном побережье полуострова. Ещё раз отметим, что погодные условия сильно сокращают возможность применения спутниковой тепловой съёмки на Камчатке.
В результате исследований была выявлена реакция тепловых аномалий на три землетрясения из четырёх. Один из примеров появления тепловых аномалий, связанных с землетрясением 21 июня 1996 г., показан на рисунке 9.
Рисунок 9. Космические тепловые снимки Камчатки, а Ц14 июня 1996 г. (фоновое состояние), б - 22 июня 1996 г. (тепловая аномалия). Крест показывает эпицентр землетрясения 21 июня 1996 г. (М=7.0). Стрелки показывают тепловую аномалию.
Развитие тепловых аномалий началось 15 июня 1996 г. За пять дней до толчка, 17 июня 1996 г., появились крупные тепловые аномалии на восточном берегу Камчатки и в центре полуострова, в бассейне р. Камчатки. Перед толчком температура аномалии несколько снизилась. Немедленно сразу после толчка 22 июня 1996 г. аномалия большой площади и интенсивности появилась в бассейне р. Камчатки. Бассейн р. Камчатки известен как крупный артезианский бассейн с многочисленными горячими источниками, расположенными на "термальных линиях".
Результаты интерпретации спутниковых данных представлены на рисунке 10, на этом же графике представлены результаты гидрогеологических наблюдений на горячем источнике.
Температура воды в источнике начала подниматься 8 июня 1996 г., а с 17 июня зафиксирован наиболее значительный рост. Максимума температура воды достигла 20 июня 1996 г., за день до толчка, аномалия составила 0.8 С. Дебит источника незначительно вырос с 12 по 18 июня 1996 г., а сразу после толчка вырос в 2 раза.
Рисунок 10. Наземные наблюдения (горячий источник) и температура тепловой аномалии в связи с землетрясением 21 июня 1996 г. на Камчатке.
В результате исследований тепловых аномалий на Камчатке можно сделать следующие выводы: 1) аномалии появляются за 4-7 дней до толчка и продолжаются несколько дней после (пост-сейсмический эффект для землетрясений Средней Азии и Китая составляет одну-две недели); 2) тепловые аномалии реагируют на коровые землетрясения с магнитудой более 6 и на расстоянии до 500 км; 3) размер аномалии составляет 180 км в длину и 75 км в ширину; 4) амплитуда аномалии составляет от 2 до 10 C; 5) тепловая аномалия и гидрогеологические параметры скважин сходным образом реагируют на землетрясения; 6) следует рекомендовать проведение наземных прогностических гидрогеологических исследований в бассейне реки Камчатки.
КИТАЙ. Северо-восток Китая был выбран как участок для исследований по следующим соображениям: высокая сейсмичность, хорошие погодные условия наблюдений, доступность данных NOAA высокого разрешения.
Период наблюдения составил с сентября 1997 по февраль 1999 гг. Для детальной обработки было выбрано два периода сейсмической активности 1) август - октябрь 1998 г. и 2) декабрь 1998 - февраль 1999 гг. Для первого периода было обработано 41 цифровое изображение, для второго - 53. Использовались главным образом ночные данные.
Каталог землетрясений северо-востока Китая показан в таблице 8. В этой же таблице показано эпицентральное расстояние и отклик тепловых аномалий на отдельные землетрясения.
Один из примеров тепловых аномалий в Китае показан на рисунке 11. Тепловая аномалия располагается на тектонической и геоморфологической границе между горным районом (северные области провинций Шаньси и Хэбэй, горы Вутай и Тайханг) и равниной (южная часть провинции Хэбэй или Пекинская равнина). Аномалия расположена в схожих геологических и тектонических условиях с аномалиями в Средней Азии. В этой области находится мощный разлом, который и является наиболее вероятным источником образования тепловой аномалии.
Таблица 8. Каталог землетрясения северо-востока Китая: 30-50 с.ш., 105-130 в.д., 1.08.98 - 1.03.99 гг., M > 3.0.
Глуби Магни Расстояние до Отклик Дата Время с.ш. в.д. Район на, км туда аномалии, км аномалии 13.08.98 10:21:55 41.15 114.52 33 4.3 Китай, Внутренняя 200 Монголия 29.08.98 20:14:04 43.41 108.99 33 4.7 Южная Монголия 700 06.09.98 13:26:07 40.75 120.16 33 4.1 Китай, район 350 Жёлтого моря 24.09.98 18:53:40 46.31 106.29 33 5.5 Центральная 900 + Монголия 12.11.98 18:30:40 30.14 129.96 33 3.6 Япония 1700 18.12.98 10:08:34 30.17 129.97 123 4.7 Япония 1700 29.01.99 5:44:23 44.66 115.71 10 4.9 Китай, Внутренняя 400 + Монголия 02.02.99 13:22:21 49.41 105.55 33 3.7 Северная Монголия 1300 После выполнения необходимых операций с изображениями была вычислена площадь тепловой аномалии, суммарная температура и средняя температура аномалии. Результаты измерений для одного из примеров показаны на рисунке 11. Все эти особенности развития аналогичны поведению тепловых аномалий в Средней Азии.
Рисунок 11. Площадь и суммарная температура тепловой аномалии на северо-востоке Китая.
Сентябрь 1998 г. Колонкой показано землетрясение 24 сентября 1998 г., М=5.5.
Результаты исследований тепловых аномалий для северо-востока Китая показывают: 1) тепловые аномалии находятся в схожих геологических и тектонических условиях с аномалиями в Средней Азией; 2) интенсивность аномалий составляет 3-4 градуса выше окружающего фона;
3) цикл развития аномалий представляет собой несколько максимумов до толчка и один сразу после или во время землетрясения; длительность развития аномалий составляет 2-3 недели до события и 3-4 дня после него; 4) размер аномалии - приблизительно 700 км в длину и 50 км в ширину, площадь аномалий достигает 35 000 км2; 5) была обнаружена реакция на землетрясений на северо-востоке Китая; тепловые аномалии реагируют на коровые землетрясения с М>5.5 в радиусе до 900 км и радиусе М>4.3.
ДРУГИЕ РЕГИОНЫ. Кроме Средней Азии, Китая и Камчатки большой объём исследований выполнен для Японии. В Японии зарегистрированы тепловые аномалии, предшествовавшие разрушительному землетрясению Кобэ (16.01.95, M=6.8). Детально были обследованы тепловые аномалии, связанные с Измитским землетрясением в Турции (17.08.99, М=7.6). Выявлены как региональные аномалии, так и аномалии в эпицентре, чего ранее не отмечалось. Проведен анализ космических тепловых снимков для выявления тепловых аномалий в Испании, Италии, Саудовской Аравии, Калифорнии и других регионах. Отмечены и аномалии, сопутствующие разрушительным землетрясениям: Гуджаратское землетрясение в Индии (26.01.01, М=8), Алжире (21.05.03, М=6.8), землетрясение Бам в Иране (26.12.03, M=6.6), катастрофическое Суматранское землетрясение в Индонезии (26.12.04, М=9.0), землетрясение в Кашмире (8.10.05, М=7.7). Проведён первичный анализ землетрясений на Алтае (27.09.03, M=7.5), в Корякии (20.04.06, М=7.6), на Байкале (27.08.08, М=6.6).
Результаты некоторых статистически наиболее достоверных наблюдений приведены в таблице 9.
Таблица 9. Размер, максимальная температура, время появления до толчка тепловых аномалий.
Нестационарные аномалии Размер Время Регион стационарных Максимальная Размер, км появления, аномалий, км температура, К сут длина ширина длина ширина Средняя Азия, Каратау 400 50 300 200 6 3-Средняя Азия, Копетдаг 700 25 - СВ Китай 700 50 325 270 7 7-Камчатка 300 25 225 48 6 4- Основные выводы по главе: Тепловые аномалии - индикаторы сейсмической активности возникают на одних и тех же участках земной поверхности и имеют следующие характеристики:
- сопровождают только коровые землетрясения;
- возникают над зонами крупных разломов; в областях растяжения земной коры наблюдается максимальная площадь аномалий до 100 000 км2;
- амплитуда аномалии в ночное время составляет обычно 3-5 градуса, достигая 7 градусов;
- расстояние от аномалий до эпицентров землетрясения не более, чем 800 км;
- возникновение, развитие и исчезновение аномалий происходит за 1-2 недели до землетрясения и в течение 3-4 дней после него;
- перед сейсмическим событием наблюдается 1-3 максимума площади аномалии в зависимости от энергии землетрясения, и один максимум после толчка; период одного цикла развития аномалий составляет 5-8 дней.
В пятой главе предлагается решение проблемы природы тепловых аномалий и приводятся результаты полевых экспериментальных исследований по изучению тепловых аномалий, сопровождающих землетрясения. Уже давно высказывались различные гипотезы о механизмах лито-атмосферных процессов. Важнейшей частью всех гипотез является увеличение температуры поверхности. Для объяснения природы тепловых аномалий автором предложены несколько механизмов: 1) высокий конвективный геотермальный поток, 2) парниковый эффект, 3) увеличение влажности почвы.
Температура поверхности может увеличиться из-за высокого конвективного потока в зонах тектонических разломов. При этом носителями конвективного потока являются вода и газ, то есть речь идёт о выбросе горячей воды и газа на поверхность. Парниковый эффект возникает в приземном слое атмосферы при выносе на земную поверхность оптически активных газов, таких как СН4, СО2 и паров воды. Образующееся газовое облако поглощает часть длинноволнового инфракрасного излучения земной поверхности, что приводит к росту температуры воздуха и поверхности. Увеличение дебита, рост уровня грунтовых вод приводит к увеличению влажности почвы. При увеличении влажности почвы растёт её тепловая инерция, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры поверхности ночное время.
Для изучения природы аномалий был выполнен комплекс модельных и полевых экспериментальных исследований. Модельные расчёты были выполнены на крупной тепловой аномалии над Каратауским разломом и Каракумами в Средней Азии. Исследуемый район относится к Сырдарьинскому гидрогеологическому району Туранской плиты. Район включает Сырдарьинский артезианский бассейн и систему малых бассейнов трещинных и артезианских вод Центральных Кызылкумов. В пределах бассейна развиты водоносные комплексы меловых и четвертичных отложений. Воды меловых отложений развиты в предгорной части хребта Каратау и заключены в песках и песчаниках, с глубиной залегания от 10-20 до 50 м. Воды преимущественно пресные (минерализация - до 1 г/л) сульфатно-кальциевого состава. Дебиты родников изменяются от 0.5 до 1-1.5 л/сек. Питание осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков, фильтрации речных вод и разгрузки восходящих потоков по скрытым глубинным региональным разломам. Воды четвертичных аллювиально-пролювиальных отложений связаны преимущественно с песчано-галечниковыми отложениями, мощность водоносных пород достигает 100 м, глубина залегания колеблется от 0.5 до 80 м. Воды пресные и слабосолоноватые (1-3 г/л). Дебиты скважин, пройденных в галечниках, колеблются от 1.5 до 15 л/сек.
Система малых бассейнов трещинных и артезианских вод Центральных Кызылкумов включает водоносные комплексы палеозойских и мезозойских и четвертичных отложений.
Воды меловых отложений приурочены к песчаникам и известнякам, вскрываются на глубине от 1 до 600 м. Верхний горизонт содержит трещинные безнапорные воды, дающие начало малодебитным источникам. Воды четвертичных отложений заключены в эоловых песках, залегают на глубине 2-10 м и имеют минерализацию 1-5 г/л. Питание всех горизонтов этой территории осуществляется за счёт инфильтрации атмосферных осадков и восходящими токами по зонам разломов.
В целом, наиболее важную роль для Туранской гидрогеологической области водоносные горизонты, приуроченные к аллювиальным и аллювиально-пролювиальным четвертичным отложениям речных долин, конусов выноса и предгорных шлейфов. Они распространены на востоке и юго-западе Туранской гидрогеологической области, на сочленении артезианских бассейнов с горно-складчатыми сооружениями Копетдага, Тянь-Шаня и Каратау, где водовмещающие породы представлены песками гравием и галечниками. Мощность водоносных комплексов достигает сотен метров, а водопроводимость - 5000 м2/сут. Воды, как правило, напорные, величина напоров достигает сотен метров. Минерализация воды чаще всего 0.5-0.г/л, достигая в предгорной равнине Копетдага 2 г/л. Подобные условия имеются только в пределах относительно узкой полосы сочленения платформенной артезианской области с Памиро-Тянь-Шаньской и Копетдагской гидрогеологическими складчатыми областями.
Суммируя результаты наземного и спутникового эксперимента можно сделать вывод о том, что основным механизмом формирования тепловых аномалий является изменение влажности почвы из-за эволюций гидрогеодеформационного поля в процессе подготовки и реализации землетрясения. При этом нельзя исключить, что и другие механизмы, такие как парниковый эффект имеют место.
Методика расчета заключается в многократной космической тепловой съёмке участка земной поверхности в течение суток. По спутниковым данным восстанавливается суточный ход температуры и альбедо земной поверхности. Затем собираются наземные метеорологические данные и формируются уравнения теплового баланса для решения обратной геофизической задачи. В результате решения получаются три тепловых потока: поток, создаваемый суточным тепловым ритмом, тепловой поток на испарение, геотермальный конвективный поток. Затем эти потоки пересчитываются соответственно в тепловую инерцию, скорость испарения и конвективный геотермальный поток. Анализ этих физических величин и характер их распределения в пространстве и во времени позволяет сделать выводы о природе тепловых аномалий.
Проведённые расчёты тепловых полей в районе тепловой аномалии в Средней Азии показывают отсутствие значимого геотермального потока. Выявлено увеличение испаряемости с поверхности, что говорит об увеличении влажности почвы. Исследования по измерению влажности почвы по космическим данным после Гуджаратского землетрясения в Индии января 2001 подтверждают эти данные. Таким образом, на сегодняшний день наиболее реальной представляется гипотеза об образовании тепловых аномалий из-за увеличения влажности почвы.
Под руководством автора были проведены экспериментальные полевые исследования на Предкопетдагском разломе, на Ашхабадском сейсмологическом полигоне. Наблюдения проводились на тепловой аномалии вкрест простирания одной из ветвей Предкопетдагского разлома (рисунок 12). Эта аномалия связана с термальными водами разлома и описана И.И.Никшичем в 1926 г. как "Термальная линия" вод Копетдага.
Рисунок 12. Участок полевых экспериментальных исследований. Термальная линия Копетдага.
Карта ночных температурных контрастов масштаба 1:2 500 000 (по материалам спутника NOAA(AVHRR), а-а профиль наземных наблюдений.
Преобладающая масса вод дренируется предгорной равниной вдоль системы разрывов передового надвига Предкопетдагского разлома по "Термальная линии" вод Копетдага.
Максимальные расходы родников приурочены к линии тектонических разломов, с которыми связаны богатые локализованные подземные потоки (Золотой Ключ - 340 л/сек, Чули - 7л/сек). По зоне разлома идёт усиленный поток тепла, связанный с выносом вод Копетдагского мелового артезианского бассейна. Воды "Термальной линии" имеют повышенные температуры - от 19 до 22 С, а в отдельных случаях и до 39 С.
Был выполнен комплекс тепловой автомобильной съёмки, отбор проб грунта для определения влажности и измерения газового состава (углекислый газ) почвенного воздуха (рисунки 13 и 14).
Рисунок 13. Температура земной поверхности вкрест простирания Предкопетдагского разлома по результатам ночной автомобильной съёмки. Температура (сплошная линия) осреднена по участкам длиной 500 м. Стандартное отклонение показано пунктиром.
Рисунок 14. Влажность почвы днём и ночью в зоне Предкопетдагского разлома.
На этом же профиле Институтом сейсмологии Туркменской ССР проводились измерения радона и температуры грунта на глубине 1.5 м. Результаты исследований подтвердили высказанную ранее гипотезу о природе тепловых аномалий над зонами разломов.
Основные выводы по главе: Как по данным вертикального спутникового зондирования нижнего слоя атмосферы (до высоты 1 км), так и по данным полевых работ и наблюдений на метеостанциях (высота наблюдений 2 м) в местах появления тепловых аномалий - индикаторов сейсмической активности наблюдается ночное повышение температуры и влажности поверхности почвы и воздуха. При этом повышение температуры земной поверхности и приземного слоя воздуха составляет в среднем +3 - +4оС, достигая максимальных значений в +- +7 оС. В период подготовки землетрясений выявлено синхронное изменение тепловых индикаторов сейсмической активности и дебита, температуры воды в скважинах режимных наблюдений на Камчатском сейсмологическом полигоне.
Суммируя результаты наземного и спутникового эксперимента можно сделать вывод о том, что основным механизмом формирования тепловых аномалий является изменение влажности почвы из-за эволюций гидрогеодеформационного поля в процессе подготовки и реализации землетрясения. Повышение влажности почвы ведет к формированию положительной в ночное время суток и отрицательной в дневное время аномалии температуры поверхности почвы, повышению влажности приземного слоя воздуха.
Глава шесть посвящена рекомендациям по развитию спутникового мониторинга землетрясений. Рассмотрены современные спутниковые методы измерений, потребности пользователей и требования к перспективным спутниковым системам, интеграция с наземными измерениями. Показаны перспективные направления развития спутниковых систем мониторинга сейсмической активности.
Рекомендации по применению спутниковых методов для мониторинга землетрясений были сделаны в результате анализа состояния и перспектив спутниковых и наземных исследований землетрясений, анализа планов космических агентств в области изучения Земли, результатов работ нескольких международных групп: ЮНЭСКО (IGOS theme report, 2004), ООН ( Евросоюза (
Предлагается создать или дополнить исследования на нескольких полигонах в сейсмоопасных районах, например, на Северном Кавказе, Забайкалье, Сахалине и Камчатке. По данным радиолокационной съёмки следует построить рельеф поверхности на территорию полигонов и начать мониторинг смещений земной поверхности, при необходимости расположить на них пассивные или активные отражатели. Необходимо установить наземные станции GPS для мониторинга смещений земной поверхности. По результатам тепловой съёмки рассчитать тепловые потоки на территории полигона и начать мониторинг тепловых аномалий.
На земной поверхности установить автоматический метеорологический комплекс и комплект трассовых газоизмерительных лидаров, а в скважинах разместить комплекс приборов для наблюдения геофизических и геохимических характеристик природной среды.
Сделаны несколько рекомендаций космическим агентствам: 1) Необходимо создание спутниковых радиолокационных систем для измерения деформаций земной поверхности с длиной волны диапазона L и 1-2 дневным периодом повторения съёмки. При этом разрешение на местности может быть понижено до сотен метров. 2) Необходима разработка микроволновых всепогодных систем высокого разрешения для измерения температуры поверхности. 3) Необходимо создать системы для анализа газов и аэрозоля в приземном слое атмосферы. 4) Следует продолжить исследования по электромагнитным исследованиям ионосферы и создать оборудование для изучения свечения ионосферы.
Наиболее перспективным представляется использование космической тепловой съёмки в комплексе с другими спутниковыми методами. Среди таких методов могут быть названы радиолокационная интерферометрия, наблюдения за газовым составом атмосферы, электромагнитные исследования ионосферы.
При выработке рекомендаций по применению космических методов для мониторинга землетрясений был поставлен ряд вопросов, которые требуют дальнейших исследований.
Неясно, все ли землетрясения вызывают смещения грунта до толчка. Какова величина этих смещений? Как избежать влияния метеорологических факторов на мониторинг тепловых аномалий? Как измерять содержание газов и аэрозоля в приземном слое атмосферы из космоса? Каков механизм лито-атмосферных связей ионосферы, стратосферы, приземных слоёв, поверхности земли и литосферы? Основные выводы по главе:
Космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом исследования землетрясений.
Современные системы глобального наблюдения Земли из космоса с тепловыми ИК каналами - NOAA, EOS, геостационарные спутники - по своим техническим характеристикам позволяют реализовать оперативный мониторинг сейсмической активности Земли путём наблюдения за тепловыми аномалиями - индикаторами сейсмической активности.
Области развития тепловых индикаторов сейсмической активности являются оптимальными для размещения сети прогностических наблюдений за гидрогеологическими предвестниками землетрясений.
В заключении перечислены основные результаты исследований и сделаны выводы.
В диссертации имеются три приложения. Приложение 1 - Каталог термальных и атмосферных явлений при землетрясениях, содержащий описание 1507 событий, начиная с 5 г. до н.э. и заканчивая Измитским землетрясением в Турции 17 августа 1999 г. Приложение 2 - Каталог тепловых аномалий в Средней Азии. Каталог представляет собой набор рядов данных о тепловых аномалиях за 1979, 1980, 1983-1987 гг. Общее количество дней наблюдений составляет 1001. Число землетрясений - 73. Приложение 3 - Лито-атмосферные связи в историческом аспекте. Исторический очерк основан на анализе многочисленной литературы и редких источников. В очерке приведены обобщённые представления об атмосферных явлениях с древнейших времён до XX века, а также представлены некоторые нетектонические теории происхождения землетрясений.
Заключение Основные выводы по результатам диссертационной работы:
1. Выполнен анализ перспективных направлений применения спутниковых методов для исследования землетрясений. Одним из наиболее актуальных методов исследований признан дистанционный геотермический метод - космическая тепловая съёмка. Она позволяет осуществить регистрацию температурного поля в глобальном и региональном масштабе с высокой периодичностью, высоким пространственным разрешением и радиометрической точностью.
2. Разработаны современные цифровые методы обработки данных космической тепловой съёмки для исследования землетрясений и методы геофизической интерпретации полученной информации.
3. Впервые на большом фактическом материале в различных географических, геологических и сейсмических условиях космической тепловой съёмкой доказано наличие тепловых аномалий на земной поверхности, связанных с землетрясениями. Тепловые аномалии зафиксированы в различных сейсмических зонах мира: Средиземноморской, Центральноазиатской, Тихоокеанской и других.
4. Решение проблемы стало возможным благодаря глубокому анализу исторических и современных данных о процессах на земной поверхности, сопровождающих землетрясения, обширному экспериментальному материалу, полевым исследованиям, современным достижениям в области геодезии, картографии, дистанционного зондирования.
5. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что, космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом исследования землетрясений, и она должна стать неотъемлемой частью системы глобального наблюдения за сейсмической активностью Земли.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
I. По Перечню ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК 1. Tronin A.A. Satellite Remote Sensing in Seismology. A Review. Remote Sensing. Vol. 2, № 1, 2010, p. 124-150.
2. Tronin A.A. Remote sensing and earthquakes: A review. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. Vol. 31, 2006, p. 138-142.
3. Тронин А.А. Возможность применения космической тепловой съёмки для исследования землетрясений. Исследования земли из космоса. № 4, 2005, с. 86-96.
4. Tronin A.A., Biagi P.F., Molchanov O.A., Khatkevich Y.M., Gordeeev E. I. Temperature variations related to earthquakes from simultaneous observation at the ground stations and by satellites in Kamchatka area. Physics and Chemistry of the Earth. Vol. 29, 2004, p. 501-506.
5. Tronin A. A., Molchanov O.A., Biagi P.F. Thermal anomalies and well observations in Kamchatka. International Journal of Remote Sensing. Vol. 25, №. 13, 2004, p. 2649-2655.
6. Tronin A.A., Molchanov O.A., Biagi P.F. Thermal satellite and ground observations in Kamchatka. Geophysical Research Abstracts, Vol. 5, 2003, р. 2679.
7. Tronin A.A., Hayakawa M., Molchanov O.A. Thermal IR satellite data application for earthquake research in Japan and China. Journal of Geodynamics, Vol. 33, 2002, p. 519-534.
8. Tronin A.A. Thermal IR satellite sensor data application for earthquake research in China.
International Journal of Remote Sensing, Vol. 21, № 16, 2000, p. 3169-3177.
9. Tronin A.A. Satellite thermal survey - a new tool for the studies of seismoactive regions.
International Journal of Remote Sensing. Vol.17, № 8, 1996, p. 1439-1455.
10. Сальман А.Г., Тронин А.А. Вариации потока уходящего ИК излучения Земли в сейсмоактивных районах Средней Азии. Известия АН СССР, Физика земли, № 7, 1990, с. 67-69.
11. Сальман А.Г., Тронин А.А. Космическая тепловая съемка - новый метод дистанционного изучения сейсмоактивных регионов. Советская Геология, № 10, 1989, с.
90-93.
12. Горный В.И., Сальман А.Г., Тронин А.А., Шилин Б.В. Уходящее инфракрасное излучение Земли - индикатор сейсмической активности. Доклады АН СССР, Т. 301, № 1, 1988, с. 67-69.
II. Публикации в других научных изданиях 1. IGOS (International Global Observation Strategy) Geohazards Theme Report. ESA/UNESCO, 2004, 54 p.
2. Тронин А.А. Тепловые аномалии и их связь с крупнейшими разломами земной коры. В кн.: Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов.
Том 3. Природные и социальные сферы как части окружающей среды и как объекты воздействия. Под ред. Лавёрова Н.П. М.: "Янус-К", 2002, с. 248-251.
3. Tronin A.A. Atmosphere-lithosphere coupling. Thermal anomalies on the Earth surface in seismic processes. In book: Seismo Electromagnetics: Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling. Edited by M. Hayakawa and O.A.Molchanov, TERRAPUB, Tokyo, 2002, p.173176.
4. Tronin A.A. Satellite thermal survey application for earthquake prediction. In book:
Atmospheric and ionospheric electromagnetic phenomena associated with earthquakes. Edited by M. Hayakawa, TERRAPUB, Tokyo, 1999, p.717-746.
5. Омуралиев М., Тронин А.А. Проявления современных геодинамических процессов на космических снимках в инфракрасном диапазоне. В кн.: Современная геодинамика литосферы Тянь-Шаня, М.: Наука, 1991, с.146-151.
6. Морозова Л.И., Тронин А.А. Проблема лито-атмосферных связей в современной геологии. Доклады АН УзССР, № 9, 1988, с. 52- 15.09.2010. 6090/ . Печать офсетная. Усл. печ. л. 2, 100 . 3 л 199048, -, . ., 6- , . 59 . 1, . 40
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле