На правах рукописи

Докукин Петр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК АНАЛИЗА ДВИЖЕНИЙ И

ДЕФОРМАЦИЙ ПО СПУТНИКОВЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ В

ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 25.00.32 – Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008 2

Работа выполнена в Государственном университете по землеустройству (ГУЗ) на кафедре геодезии и геоинформатики

Научный руководитель:

доктор технических наук Кафтан Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Прилепин Михаил Тихонович кандидат технических наук, доцент Федосеев Юрий Евгеньевич

Ведущая организация:

Институт астрономии Российской академии наук (ИНАСАН)

Защита диссертации состоится 18 декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, г. Москва, Гороховский переулок, д.4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) Автореферат разослан 7 ноября 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Климков Ю.М.

Актуальность диссертационной работы. Интенсивное внедрение современных спутниковых технологий в геодезическую деятельность сегодня все в большей мере требует разработки новых и совершенствования существующих подходов к решению традиционных геодезических задач. Высокая точность и оперативность спутниковых геодезических методов позволяет получать несоизмеримо бльшие чем прежде объемы полезной информации, что заставляет совершенствовать современные компьютерные технологии, технические средства и программное обеспечение. Сегодня требующим наиболее высокой точности и оперативности измерений является такое геодезические направление, как наблюдения за движениями и деформациями земной поверхности. Это научное и технологическое направление крайне актуально, в связи с возрастанием числа природных и техногенных катастроф, которые наблюдается во всем мире. Данная диссертационная работа направлена на совершенствование и развитие геодезических методов исследования движений и деформаций земной поверхности с помощью современных спутниковых и компьютерных технологий.

Цель диссертационной работы: Расширение области применения спутниковых технологий для решения геодинамических задач, повышение точности и эффективности определения характеристик движений и деформаций земной поверхности на основе использования спутниковых геодезических измерений, что особенно актуально в связи с одной из главных экономико-политических задач развития системы ГЛОНАСС.

Основные задачи исследования:

1. Изучение современного состояния проблемы (представлений о современных геотектонических движениях, опыта работы на геодинамических полигонах, программных средств математической обработки спутниковых геодезических измерений).

2. Разработка методики определения движений и деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений.

3. Апробирование методики и получение новых эмпирических характеристик движений и деформаций земной поверхности и их изменений во времени.

4. Анализ временных изменений определяемых характеристик с целью получения новой количественной информации о геодинамических процессах и явлениях.

Научная новизна работы. В результате работ по теме диссертации получены оригинальные научно-технологические результаты: методики обработки и анализа спутниковых геодезических измерений, их обоснование, оценки точности и эффективности, характеристики движений и деформаций, а также их изменений во времени в различных регионах мира в связи с сильнейшими сейсмическими событиями.

Составлена компьютерная программа определения смещений и деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений.

Практическая ценность выполненных исследований и разработок заключается в обеспечении повышения точности и эффективности использования непрерывных спутниковых геодезических измерений, а также в совершенствовании методической основы выполнения геодезических работ на геодинамических полигонах Роскартографии.

Апробация работы. Основные положения и тезисы исследований докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. Сагитовские чтения 31 января – 1 февраля 2005 года, ГАИШ МГУ, Москва, 2005.

2. Конференция молодых ученых «Проблемы землеустройства и кадастров», ГУЗ, Москва, 20 апреля 2005.

3. Научный семинар геодезического отдела ЦНИИГАиК, Москва, 1 июня 2005 года.

4. Совещание-семинар по проблемам метрологического обеспечения топографогеодезического и картографического производства Роскартографии, ЦНИИГАиК, Москва, 28 ноября – 1 декабря 2005 года.

5. Конференция молодых ученых и специалистов «Всероссийская школа молодых ученых, посвященная современным проблемам землепользования, землеустройства и кадастров», ГУЗ, Москва, 29 ноября 2006 года.

';

6. Международная геологическая конференция «Изменяющаяся геологическая среда», Казанский государственный университет, Казань, 13-16 ноября 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 3 – в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 132 страницы основного текста, рисунка, 7 таблиц и список литературы из 83 наименований, в том числе 37 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе на основании изучения литературных источников рассмотрены современные геодезические методы изучения движений и деформаций земной поверхности, а также связанные с ними катастрофические природные явления. Сделаны выводы о том, что существующие в российской практике методы анализа движений и деформаций земной поверхности по геодезическим данным ориентированы на классические линейно-угловые измерения. Недостаточно внимания уделяется задачам регистрации предвестников землетрясений и созданию специальных геодезических построений в составе геодинамических полигонов (ГДП). Выполнен сравнительный анализ возможностей современных коммерческих и научных программных продуктов обработки результатов спутниковых геодезических измерений. Программы фирмпроизводителей спутниковой геодезической аппаратуры не имеют средств обработки повторных спутниковых измерений с целью анализа деформаций, за исключением научных пакетов программ, рассчитанных на обработку глобальных сетей, где предусмотрено определение скоростей движений геодезических пунктов. В то же время наиболее высокая точность и детальность определения деформаций земной поверхности возможна сегодня лишь в локальных геодезических построениях, обработку которых осуществляют именно стандартными пакетами программ фирм-производителей спутниковой геодезической аппаратуры.

Результаты исследований первой главы определили направленность последующей работы на решение задач геодеформационного мониторинга с использованием локальных спутниковых геодезических построений.

Вторая глава посвящена разработке методик определения векторов смещений и вычисления деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений.

При обработке измерений в стандартных программах получают векторы базовых линий сети x’ (индекс-штрих означает измеренное значение вектора, а также номер цикла повторных измерений в сети из n пунктов) в пространственной глобальной системе отсчета (WGS84) и их ковариационные матрицы Qx. Соответствующие вектор и ковариационная матрица в общем случае для первого цикла измерений имеют вид:

Вектор разностей l= X’-X” (между первым и вторым циклами) принимаем в качестве свободного члена уравнений поправок. Ковариационная матрица разностей l равна сумме ковариационных матриц первого и второго циклов Ql = QX ' + QX ''.

Приступаем к уравниванию разностей повторных спутниковых наблюдений и определяем векторы пространственных смещений dX с оценкой их точности:

Вид матрицы А коэффициентов уравнений поправок зависит от схемы сети и состоит из единиц и нулей; число ее строк равно утроенному числу базовых линий;

число столбцов – утроенному числу пунктов сети. Строка каждой компоненты базовой линии содержит 1 для элемента с номером j пункта, на который направлен пространственный вектор, и –1 для элемента с номером пункта i, с которого определяется направление вектора базовой линии. Из аналогичных подматриц для каждой из базовых линий составляется полная матрица уравнений поправок. Так как неподвижные пункты сети на данном этапе неизвестны, решение (2) представляет собой свободное уравнивание с использованием псевдообратной матрицы. Получив это решение, оценку точности векторов пространственных смещений получаем по формуле:

Для проверки эффективности определения векторов смещений геодезических пунктов в предлагаемой методике используется дисперсионное отношение.

С использованием (3) можно проверить статистическую гипотезу о равенстве дисперсий и пользуясь критерием Фишера оценить соответствующую доверительную вероятность. Для нашего случая при числе степеней свободы k=6 и 1% доверительном пределе можно полагать, что при значениях F>8.47 гипотеза о равенстве дисперсий статистически значимо превышают ошибки измерений.

На этом этап уравнивания спутниковых измерений завершается, и приступают к дифференциальному описанию пространственных деформаций.

В диссертации использован подход раздельного анализа плановых и высотных компонент деформаций. Это обусловлено тем, что, во-первых, непосредственное описание деформаций в трехмерной геоцентрической системе отчета неудобно для их интерпретации и сравнительного анализа (теряется наглядность результатов анализа), и, во-вторых, недостаточно высокая на сегодняшний день точность определения высот из спутниковых измерений по сравнению с определением плановых компонент не позволяет эффективно использовать весь объем измерительной информации для трехмерного описания (ошибки высот будут нежелательно искажать результаты определения пространственных характеристик). Векторы смещений, полученные из уравнивания свободной сети, отнесены к системе отсчета с началом в центре тяжести пространственных координат пунктов данной сети Xm, Ym, Zm, поэтому для раздельного анализа плановых и вертикальных деформаций удобно использовать топоцентрическую систему отсчета с началом в той же точке и его новыми координатами E0, N0, U0. В данном случае координаты Ei, Ni, Ui, отнесенные к плоскости, касательной к первоначальной пространственной системы координат, а касание его поверхности с плоскостью новых координат происходит в точке с координатами Xm, Ym, Zm, будут определяться следующей формулой:

где r - матрица вращения имеет вид Координата Ui представляет собой расстояние от координатной плоскости Ei, Ni до данной точки по нормали к этой плоскости. B0, L0 - геодезические широта и долгота точки с координатами Xm, Ym, Zm. Формула (5) применяется как для преобразования координат пунктов, так и для их смещений.

Для последующей оценки точности искомых деформационных характеристик получим ковариационную матрицу топоцентрических векторов смещений пунктов где Qdx - ковариационная матрица пространственных компонент смещений, полученная из уравнивания разностей спутниковых измерений (2), а fdx - матрица частных производных функций плоских смещений dEi, dNi, dUi от соответствующих пространственных трехмерных аргументов X, Y, Z.

Теперь, имея значения компонент плоских двумерных векторов смещений dEi и dNi, получим формулы описания плановых деформаций в треугольниках контрольной сети.

Для каждого треугольника в плоской прямоугольной системе имеем значения координат его вершин Ei, Ni и горизонтальных смещений dEi, dNi, полученных из уравнивания повторных спутниковых измерений. Плановые деформации сдвига 1, 2, дилатации и вращения получим по формулам О.М.Остача, адаптированным для применения в предлагаемой топоцентрической системе Ei, Ni, Ui,, т.е. их соответствующих плановых компонент:

В формулах (7) индексы i=1, 2 и 3 являются номерами вершин соответствующего треугольника, пронумерованных по ходу часовой стрелки.

Деформации максимального и минимального растяжения получаем по формулам Азимут главной оси деформаций определяется выражением Оценку точности компонент деформаций в пределах каждого треугольника выполняем путем получения их ковариационной матрицы:

где Qdx – ковариационная матрица топоцентрических компонент векторов смещений.

Матрица частных производных искомых компонент деформаций по аргументам плановых смещений будет иметь вид Далее определяем СКО компонент деформаций по формуле деформационных характеристик.

Сформируем матрицу функцию для характеристик E1, E 2 и Тогда Представленный алгоритм реализован в специальной компьютерной программе DEFO4 (блок-схема дана на рис. 1), составленной с использованием среды программирования Matlab V.6.5 для вычисления смещений и деформаций в контрольных спутниковых геодезических сетях, представляющих собой геодезический четырехугольник.

Программа DEFO4 выдает четыре текстовых файла: enumenu.txt (содержащий параметры векторов смещений e, n, u и их ошибки me, mn и mu, данных последовательно для пунктов 1, 2, 3 и 4), e1e2dwm.txt (содержащий параметры деформаций земной поверхности E1, E2,, и их ошибки mE1,E2, m и m, данных последовательно для треугольников 132, 234, 134 и 142), tetamtet.txt (содержащий углы и их ошибки m, (содержащий ошибки единицы веса стат. и разн.).

Кроме текстовых файлов программа строит графические схемы векторов смещений и главных деформаций (примеры даны на рис. 2 и 3). Реальные размеры эллипсов ошибок имеют масштаб в 10 раз меньший, чем на рисунке, так как в едином масштабе векторов и эллипсов последние становятся нечитаемыми из-за их малости по сравнению с векторами.

Рис. 2. Векторы горизонтальных смещений Рис. 3. Плановые деформации вблизи очага в результате землетрясения Паркфилд. Жирной землетрясения Паркфилд. Жирной линией показано линией показано примерное расположение примерное расположение сейсмогенного разрыва сейсмогенного разрыва разлома Сан-Андреас. разлома Сан-Андреас.

Векторы смещений сопровождаются эллипсами ошибок.

Для апробации предлагаемых методик в разных частях света были выбраны три контрольных геодезических сети.

Первая сеть расположена в сейсмотектонической зоне Южной Калифорнии; она перекрывает разлом Сан-Андреас и эпицентральную зону землетрясения Паркфилд (M=6.0). Вторая сеть является частью сети постоянно-действующих пунктов Новой Зеландии; она расположена в непосредственной близости от сейсмогенерирующих глубоководных желобов, в системе которых произошло одно из сильнейших землетрясений нашего столетия (М=8.1), на трое суток ранее Суматранского мегаземлетрясения (М=9.1). Оба эти землетрясения приурочены к границе одной и той же Индо-Австралийской глобальной тектонической плиты и, возможно, имеют взаимную генетическую связь. Третья сеть специально отобрана в сейсмически спокойных условиях и сформирована четырьмя пунктами ФАГС России, расположенными в Московском регионе.

Для анализа деформаций на разломе из архива SOPAC были получены суточные файлы спутниковых измерений (каждые демятые сутки за 2004-2006 годы) на пунктах masw, hunt, pkdb и lows, образующие геодезический четырехугольник. В результате вычислений по программе DEFO4 получены параметры векторов смещений для каждого из пунктов сети, параметры деформаций земной поверхности и оценки точности и эффективности определения искомых характеристик. По вычисленным значениям построены графики их изменений во времени (рис.4–12).

За единицу веса принята одна из трех пространственных компонент вектора смещений геодезического пункта; значения ее СКО, полученные из уравнивания, устойчиво группируются вблизи 3 мм за исключением одного случая, когда значение составило 47 мм. Проверка эффективности определения движений и деформаций осуществлена с использованием дисперсионного критерия (3). Для всего ряда определений векторов смещений получены значения F, изменяющиеся в диапазоне от 7.7 до 517659.3. Явно выражается различие дисперсионных отношений в интервалах наблюдений до и после землетрясения, так до землетрясения отношения изменяются в интервале 7.7–150, а после землетрясения их значения достигают величин 104-105.

Естественно, что после сейсмического «вспарывания» разлома смещения достигали первых дециметров, а точность их определения составляла менее сантиметра. В период до землетрясения дисперсионные отношения могут считаться статистически значимыми при доверительной вероятности не менее 0.95, что демонстрирует достаточно высокую надежность разработанной методики. Интересным моментом оценки точности наблюдений в Калифорнийской сети является особенность, связанная с получением максимальной СКО единицы веса = 47 мм практически на следующие сутки после одного из сильнейших землетрясений 2006 года (М=7.7) в Индонезии (Южная Ява). В тоже время, сильнейшие Суматранские землетрясения 2004 и 2005 годов в изменениях СКО единицы веса не проявились, как это происходило в других рядах наблюдений в Московской и Новозеландской сетях.

Результаты определения векторов смещений представлены на рис.4-5.

Максимальным изменениям подвержены горизонтальные смещения пунктов masw, hunt, pkdb, расположенных в непосредственной близости от сейсмогенного разрыва. Момент землетрясения Пакфилд показан на рисунках вертикальной линией. Выявленный тип смещения по разлому – горизонтальный сдвиг соответствует поведению разлома СанАндреас за историческое время.

Рис.4. Изменение компоненты Е для пунктов Рис.5. Изменение компоненты N для пунктов Графическое представление горизонтальных деформаций в контрольной сети представлено в виде графиков изменений векторов смещений и деформаций (рис. 6-9), где вертикальные отрезки при каждой точке представляют доверительный интервал +2m. Они не показаны в тех случаях, когда их было невозможно выразить в едином с основными характеристиками масштабе из-за их малости, это относится к характеристикам, связанным с Паркфилдским землетрясением.

Рис.6. Изменение параметров деформаций Рис.7. Изменение параметров деформаций для треугольника masw-lows-pkdb для треугольника masw-pkdb-hunt Рис.8. Изменение параметров деформаций Рис.9. Изменение параметров деформаций для треугольника masw-lows-hunt для треугольника hunt-lows-pkdb Для анализа деформаций в районе Новозеландского землетрясения была использована контрольная геодезическая сеть, состоящая из пунктов mast, paek, wgtn, parw. Из вычислений в программе DEFO4 получены вектора смещений пунктов, параметры деформаций земной поверхности, результаты оценки точности и эффективности.

Соответствующие значения F получены в интервале от 4.6 до 485.3. Если исключить из полученного ряда только одно значение F=4.6, то соответствующий диапазон составит 44.1 – 485.3. Таким образом, все полученные оценки векторов смещений значительно превышают соответствующие случайные ошибки, за исключением суток 2004.986.

На рис. 10 показан график изменения ошибок единицы веса, на котором были отмечены сильнейшие землетрясения, происходящие в интервале времени определения смещений земной поверхности.

Рис.10. Сравнение результатов оценки точности определения векторов смещений (моменты сильнейших землетрясений мира и ближайшего к сети землетрясения на Южном о-ве Новой Зеландии с М=7.1 показаны стрелками с указанием магнитуд) На рис.10 видно, что скачок в значениях произошел на следующие сутки после сильнейших землетрясений в районе Суматры 26.12.2004 г. (М=9,0), и в районе о-ва Маккуари 23.12.2004 г (М=8.1).

Рис.11. Изменение параметров деформаций для треугольника mast-paek-wgtn В результате обработки получены ряды векторов смещений и параметров деформаций. На рис. 11 приведен график изменения компонент деформаций для треугольника mast-paek-wgtn, где после серии сильнейших сейсмических событий наблюдаются значимые на уровне ошибок колебания.

Для анализа деформаций в Московском регионе из архива SOPAC были получены суточные файлы спутниковых измерений на пунктах mdvj, zve2, mobn и cng1, расположенном на крыше здания ЦНИИИГАиК. В программе DEFO4 были вычислены векторы смещений пунктов, параметры деформаций, получены оценка точности и эффективности, по вычисленным значениям построены графики их изменения во времени (рис.12–14).

Рис.12. Сравнение результатов оценки точности определения векторов смещений (моменты сильнейших землетрясений мира показаны стрелками с указанием магнитуд) Проверка эффективности определения смещений показала, что соответствующие значения критерия F изменяются в пределах от 7 до 260. Это означает, что не все значения превышают 1%-ный доверительный предел F1%=8.47, в то же время, полученные значения превышают 5%-ный доверительный предел F5%=3.9. Это говорит о меньшей эффективности анализа смещений земной поверхности в Московской сети по сравнению с Калифорнийской и Новозеландской сетями. Однако с доверительной вероятностью 0.95 гипотеза о равенстве дисперсий отвергается, и определяемые характеристики могут отражать реальные движения земной поверхности.

Характер изменения горизонтальных смещений во времени не демонстрирует особенностей, явно связанных с сильнейшими землетрясениями. В то же время вертикальные смещения (рис.16) показывают интересный характер изменений, в связи с третьим сильнейшим землетрясением в Индонезийском регионе (М=8.6). Через первые сутки после землетрясения пункты mdwj, cng1 и mobn опустились по отношению к пункту zve2 в среднем на 8 см, что особенно четко проявляется в изменениях вертикальных смещений пункта zve2. СКО вертикальных смещений в данном случае более чем втрое меньше соответствующих смещений.

Рис.13. Изменение компоненты U для пунктов четырехугольника Характер деформаций внутри треугольника mdvj-mobn-zve2 показан на рис. 14.

Рис.14. Изменение параметров деформаций для треугольника mdvj-mobn-zve Исследования и разработки в рамках тематики данной главы диссертации позволили сделать следующие основные выводы и предложения.

• Разработаны методики, алгоритм и программа деформационного анализа результатов СРНС измерений – векторов базовых линий и их ковариационных матриц, предварительно получаемых с использованием стандартных программ, что является важным расширением возможностей применения спутниковых геодезических измерений в геодинамических исследованиях. Работоспособность и эффективность методик и программы проверены на фактическом измерительном материале для разных территорий Земли. Показано, что точность определения компонент смещений изменяется в пределах 3 – 15 мм (за исключением трех аномальных случаев) для сетей с длинами базовых линий от 16 до 109 км.

• Методика уравнивания разностей измерений не продемонстрировала такого же эффекта, как у классических измерений, и показала практически одинаковую точность, как и у раздельной статической обработки циклов измерений. Тем не менее, принятый подход более удобен в реализации и не требует уравнивания собственно координат в единой геоцентрической или государственной системе, что является более сложной и громоздкой задачей.

• Дисперсионные отношения уровня деформаций к уровню ошибок показали, что методика обеспечивает надежное определение векторов смещений и деформаций земной поверхности. Полученные оценки дисперсионных критериев превышают 5%ный доверительный интервал в подавляющем большинстве случаев в сотни и тысячи раз.

землетрясениями 2004 года показало последующие аномальные характеристики движений и деформаций.

продемонстрировал реальную возможность ее использования для изучения характера деформирования данной территории. Получены статистические обоснования гипотезы о связи наблюдаемых движений и деформаций с сильнейшими землетрясениями последних лет.

• Общая оценка полученных результатов позволяет предложить более широкое применение коротких базовых линий и геодезических четырехугольников непрерывных СРНС измерений для контроля движений и деформаций в контрольных сетях геодинамических полигонов Роскартографии.

Третья глава диссертационной работы посвящена анализу и геологогеофизической интерпретации наблюдаемых изменений элементов спутниковых геодезических сетей.

Обработка GPS измерений в сети, перекрывающей разлом Сан-Андреас, позволила получить новую информацию о характере смещений в связи со значительным землетрясением и оценить взаимное скольжение бортов «вскрытого» участка разлома (крип). Результаты обработки измерений в специально отобранном четырехугольнике по программе DEFO4 показали некоторые особенности, рассматриваемые нами, как деформационные предвестники. Векторы смещений пунктов до землетрясения необычных тенденций не показали, однако в работах Рикитаке к наиболее убедительным прогностическим эффектам относятся явления переориентации осей главных деформаций в районе очага будущего землетрясения. Разработанная в диссертации методика позволила проверить характер изменения деформаций в связи с Паркфилдским землетрясением.

Вычисление характеристик эффективности определения векторов смещений из обработки по предлагаемой во второй главе методике показало интересный результат, свидетельствующий о возможности наличия предвестника землетрясения нового типа (рис.15). Характер изменения F демонстрирует нарастание интенсивности и возможной упорядоченности деформаций за несколько месяцев до землетрясения, что может являться новым прогностическим признаком.

Важной особенностью результатов наблюдений в районе Паркфилд является регистрация последующего после землетрясения крипа. Значения скоростей смещений пунктов hunt, masw и pkdb, расположенных на бортах разлома Сан-Андреас, были использованы для определения скорости крипа (из средних скоростей смещений пунктов masw и pkdb вычитались скорости движения пункта hunt), которая составила мм/год, в то время как прежние характеристики крипа в других частях разлома изменялись в пределах 1 - 5 см/год.

Рис. 15. Изменения дисперсионных отношений F до (слева) и после (справа) Паркфилдского землетрясения. Стрелкой отмечен момент начала нарастания интенсивности деформаций по отношению к ошибкам их определения Огромная энергия разрушительного Суматранского землетрясения (М=9,0) 26.12. г., вызванного разрядкой напряжений в зоне столкновения Австралийской и Индийской глобальных тектонических плит с Евразийской плитой, навела на мысль о возможности регистрации его предвестников по спутниковым геодезическим данным, например, с использованием известной схемы Мещерякова. Для поиска и анализа предвестников из архива SOPAC были получены результаты спутниковых измерений на пунктах IGS, удаленных на 2-3 тысячи км от эпицентра: iisc и ban2 (Индия) и nnor и pert (Австралия) на период с 9.05.2004 по 10.01.2005 года. После обработки спутниковых измерений были построены графики изменения каждой компоненты базовых линий (dN, dE, dH и S) по времени.

Были получены оценки скоростей изменений компонент базовых линий и осуществлена проверка гипотезы об их равенстве друг другу. В трех случаях установлено, что гипотеза не может быть принята, то есть изменения скоростей не могут быть объяснены случайными ошибками. Это особенно ярко проявилось для N компоненты индийской и S компоненты австралийской базовых линий. Так как главную роль в механизме землетрясения играет Австралийская плита (ее скорость перемещения на север оценивается более 5 см/год), вероятный предвестник для базовой линии pertnorr может иметь следующее объяснение. За 3–9 месяцев ориентированный субмеридионально отрезок испытывал слабое сжатие (3 мм/год), сменившееся растяжением (5 см/год), что соответствует фазе известной схемы Мещерякова.

Для индийского отрезка, ориентированного по широте, аналогичная характеристика выявлена для N компоненты.

После включения в вычисления новой измерительной информации был построен график изменения компоненты S австралийской линии за полтора года (рис.16), на котором прослеживаются элементы схемы Мещерякова.

Рис.16. Проявление предвестников Ю.А.Мещерякова для Новозеландского (М=8.0) и Суматранских (М=9.0 и 8.3) землетрясений на примере изменения расстояния S Австралийской линии(стрелками показаны моменты землетрясений с их магнитудами) Контроль точности измерений одиночных базовых линий не столь эффективен, как в сетях СРНС наблюдений, поэтому нами сделана попытка проверки реальности наблюдаемых деформаций, т.е. соответствия их временных изменений известным геотектоническим гипотезам. Полученный в процессе работы над диссертацией эмпирический материал позволил выполнить экспериментальную проверку вопроса о первичности тех или иных компонент наблюдаемых деформаций, для чего были использованы две базовые линии – линия между пунктами сети GPS Австралии (pert и nnor) и линия mobn-mdvj Московской региональной геодеформационной сети. Характер взаимных изменений превышений и наклонных расстояний позволяет предположить их физическую и тектоническую природу, на что указывает оценка корреляции между данными характеристиками. В общем случае многокилометровые базовые линии пересекают несколько мелкоблоковых тектонических структур и соответствующих положительных и отрицательных форм рельефа. При сжатии-растяжении вдоль направления базовой линии должно происходить сокращение-удлинение измеряемого наклонного расстояния, из-за этого амплитуда вертикальных изменений форм рельефа должна увеличиваться-уменьшаться, если напряжения упругие. Для проверки этого предположения были использованы статистические оценки взаимной корреляции превышений и соответствующих наклонных расстояний базовых линий, для чего были выполнены корреляционный и регрессионный анализы соответствующих временных рядов. Для каждой пары сопоставляемых рядов корреляционный анализ выполнен путем прямого сопоставления двух равночисленных рядов, и многократно путем сопоставления рядов одномоментных характеристик, удаляемых друг от друга последовательно на 1, 2, …, 70 суток, при этом в будущее смещались ряды изменений наклонного расстояния. Сопоставление полученных оценок показало, что учет корреляционной зависимости между исследуемыми рядами Австралийской линии коэффициент корреляции увеличивается более чем в три раза и становится статистически значимым. Квазипериодическое поведение коэффициента корреляции и его отрицательное значение для Московского ряда не противоречат предположениям о зависимости вертикальных деформаций от горизонтальных и об их реальной физической природе. Оба ряда коэффициентов корреляции испытывают околопериодические изменения с периодами ~1 месяц и ~1.3 года, для Австралийского и Московского временных рядов, соответственно, т.е. наблюдаются месячные и годовые периодичности, характерные, например, для приливных деформаций земной поверхности и Чандлеровского колебания оси вращения Земли.

Результаты анализа не противоречат гипотезе о зависимости вертикальных деформаций от горизонтальных растяжений/сжатий, геометрически представленную на рис.17, где продемонстрировано увеличение превышений h при сокращении расстояний S между моментами времени T1 и T2.

Рис.17. Характер изменения превышений в зависимости Выполненные в рамках третьей главы исследования позволили сделать следующие выводы:

• Регистрация предвестников удаленных сильных землетрясений по наблюдениям коротких базовых линий GPS возможна.

• Анализ фактических измерительных данных в районе Паркфилдского землетрясения (2004) показал наличие деформационного предвестника за 7 месяцев до сейсмического события. Получены характеристики движений и деформаций разлома Сан-Андреас до, во время и после землетрясения. Оценен последующий крип вскрывшегося разлома, составляющий около 4 см/год.

• За 3 месяца до Суматранского землетрясения наблюдались аномальные изменения пространственных векторов двух коротких базовых линий.

• Между изменениями наклонных расстояний и соответствующих превышений отдельных базовых линий существует статистически значимая отрицательная корреляция, не свойственная случаю влияния ошибок измерений.

• В результате исследований определена временная задержка в изменениях превышений по отношению к изменениям наклонных расстояний Австралийской базовой линии, равная примерно 3 суткам. Полученные статистические оценки свидетельствуют об обусловленности наблюдаемых изменений реальными геодинамическими процессами.

• Непрерывные GPS/ГЛОНАСС-измерения на коротких базовых линиях позволяют получать оперативную информацию о геодинамической активности региона.

• Короткие базовые линии должны являться необходимым элементом комплексной сети современного геодинамического полигона Роскартографии.

В процессе работы по теме диссертации выполнены исследования и разработаны методики, обеспечивающие усовершенствование существующих подходов к анализу деформаций с использованием современных геодезических методов, получены новые эмпирические характеристики, способствующие более ясному объяснению возможных причин наблюдаемых деформаций земной поверхности.

К защите представляются:

• Методика определения векторов смещений пунктов земной поверхности по данным многократных спутниковых (СРНС) измерений.

• Методика определения деформаций на основе определяемых векторов смещений.

• Алгоритм программы вычисления векторов смещений и деформаций земной поверхности.

четырехугольников СРНС измерений для контроля движений и деформаций.

• Результаты определения деформаций земной поверхности и их изменений во времени в различных регионах Земли.

• Статистическое обоснование физической природы наблюдаемых изменений и гипотезы о первичности горизонтальных деформаций для рассмотренных случаев.

• Статистическое обоснование возможности регистрации предвестников сильных землетрясений по СРНС наблюдениям.

Основные результаты опубликованы автором в следующих статьях:

1. Докукин П.А. Оценка возможности регистрации предвестников удаленных землетрясений по GPS измерениям / Проблемы землеустройства и кадастров: Сборник научных статей ежегодной конференции молодых ученых и специалистов Государственного университета по землеустройству / Сост. Сутугина И.М. – М.: ГУЗ, 2005. – с. 105-114.

2. Докукин П.А., Кафтан В.И. Непрерывные GPS/ГЛОНАСС измерения коротких базовых линий с целью выявления предвестников сильных землетрясений // Геодезия и картография. – 2006 – №2. – 7-10 с.

3. Докукин П.А. Определение временного центра пункта высокоточной геодезической сети GPS-измерениями // Землеустройство, кадастр и мониторинг. – 2006 – №2. - с. 104Докукин П.А. Некоторые вопросы применения спутниковых геодезических измерений при изучении геологических процессов / Актуальные вопросы землепользования, землеустройства и кадастров: Сборник статей. – М.: МГИУ, 2007. – с.

84- 5. Батраков Ю.Г., Докукин П.А. Разрешение неоднозначности радиодальномеров и спутниковых приемников // Геодезия и картография. – 2006 - №6. – 19-24 с.

6. Мельников А.Ю., Докукин П.А. Исследование спутниковых приемников фирмы Javad. / Актуальные вопросы землепользования, землеустройства и кадастров: Сборник статей. – М.: МГИУ, 2007. – с. 205- 7. Кафтан В.И., Докукин П.А. Определение смещений и деформаций по данным спутниковых геодезических измерений // Геодезия и картография. – 2007 - №9. – 18- 8. Докукин П.А., Докукина К.А. Мониторинг современных экзогенных геологических процессов с использованием геологических и геодезических методов на примере территории научно-учебной базы «Горное» (Зарайский район Московской области). В сб.: Изменяющаяся геологическая среда: пространственные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов: Материалы Международной конференции. Том 1: г. Казань;

13-16 ноября, 2007 г. / Сост. Н.Н.Равилова. – Казань: Изд-во Казанск. Гос. Ун-та, 2007. – 31-35 с.