Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 144-150

Анализ динамики блоково-разломной структуры в районе землетрясений 2008 и 2020 г. на Южном Байкале методами спутниковой радиоинтерферометрии

Академик РАН В. Г. Бондур 1*, Т. Н. Чимитдоржиев 12, Ц. А. Тубанов 3, А. В. Дмитриев 2, П. Н. Дагуров 2

1 Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга “АЭРОКОСМОС”
Москва, Россия

2 Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Улан-Удэ, Россия

3 Геологический институт Сибирского отделения Российской академии наук
Улан-Удэ, Россия

* E-mail: vgbondur@aerocosmos.info

Поступила в редакцию 27.04.2021
После доработки 28.04.2021
Принята к публикации 28.04.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

С использованием методов спутниковой радиолокационной интерферометрии проанализированы смещения земной поверхности до и после землетрясений, состоявшихся вблизи южного берега озера Байкал 21 сентября 2020 г. (Быстринское землетрясение с магнитудой M = 5.5) и 27 августа 2008 г. (Култукское землетрясение с магнитудой М = 6.3). Для исследования деформационных процессов использовались данные дистанционного зондирования, полученные радиолокаторами с синтезированной апертурой спутника Sentinel-1B (C-диапазон) и спутников ALOS-1/2 PALSAR-1/2 (L-диапазон). На основании результатов анализа спутниковых радарных интерферометрических измерений за периоды времени с мая 2017 по начало октября 2020 г. для Быстринского и с января 2007 по конец февраля 2011 г. для Култукского землетрясений, обнаружены блоки с различными скоростями деформаций, разность величин которых перед Быстринским землетрясением составляла 14 мм, а перед Култукским землетрясением – 12–13 мм.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, радиоинтерферометрия, сейсмоопасные территории, землетрясения, напряженно-деформированное состояние, космический мониторинг

ВВЕДЕНИЕ

Для предупреждения и снижения последствий таких опасных природных процессов, как землетрясения, необходимо развивать методы мониторинга обширных сейсмоопасных территорий, наиболее перспективными среди которых являются космические методы [1, 2]. Для решения этой проблемы необходимо регистрировать различные предвестники землетрясений, проявляющиеся, например, в изменении структуры линеаментов, регистрируемых по космическим изображениям [1], в аномалиях различных физических полей, в том числе в вариациях ионосферных параметров [2] и др. в период подготовки и протекания сейсмических событий. Одним из эффективных подходов для прогноза землетрясений является анализ напряженно-деформационного состояния земной коры сейсмоопасных районов. Для этого могут использоваться методы, основанные на использовании геомеханических моделей [35]. Для прогноза могут использоваться также различные подходы, например, основанные на методах сейсмической энтропии [6].

Для регистрации деформаций земной коры в сейсмоопасных районах перспективно использование всепогодных методов спутниковой радиолокационной интерферометрии, которые в настоящее время являются важным инструментом для измерения подвижек земной поверхности, обусловленных различными физическими причинами [7–10].

21 сентября 2020 г. вблизи южной оконечности оз. Байкал произошло Быстринское землетрясение с магнитудой M = 5.5. В этом же районе ранее, 27 августа 2008 г., было зафиксировано сильное Култукское землетрясение с магнитудой M = 6.3. Район землетрясений представляет собой сейсмоактивную область сочленения Южно-Байкальской и Тункинской впадин, играющую важную роль в изучении структуры и эволюции Байкальского рифта. Территория также представляет интерес с экологической точки зрения из-за хранилища промышленных отходов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината.

В настоящем сообщении приведены результаты исследования смещения земной поверхности до и после (для Култукского) землетрясений, включая косейсмические. Для исследований применялись методы спутниковой радиолокационной интерферометрии (РИ). В методах РИ используются данные о разности фаз радарных сигналов, полученных в различные моменты времени пролета спутников над исследуемой территорией, в частности, до и после какого-либо события [8, 9, 10]. Эти разности фаз пропорциональны разностям расстояний, пройденных радарными волнами. Полученные разности расстояний и позволяют определить смещения земной поверхности. В работе рассматривается возможная сейсмотектоническая природа динамики поверхности, связанная с периодом, предшествующим землетрясениям.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ

Для анализа деформационных процессов на исследуемой территории использовались космические изображения, полученные радиолокаторами с синтезированной апертурой спутника Sentinel-1B, функционирующего на длине волны 5.6 см (C-диапазон) и спутников ALOS-1/2 PALSAR-1/2 с длиной волны 23.5 см (L-диапазон). Важными достоинствами данных Sentinel-1 для исследований и космического мониторинга являются свободный доступ и регулярный характер спутниковой съемки с периодом 12 дней, позволяющие формировать временные серии изображений. Интерферометрические снимки, полученные ALOS-1/2 PALSAR-1/2 вследствие большей длины волны, обладают существенно большей когерентностью, характеризующей качество интерферометрических пар снимков. Однако в настоящее время периодичность радиолокационного зондирования L-диапазона в интерферометрическом режиме нерегулярна и может составлять год и более.

В качестве методов дистанционного зондирования в работе использовались “классический” метод дифференциальной радиолокационной интерферометрии (ДРИ, DinSAR) [7] и метод постоянных рассеивателей (Persistent Scatterers, PS) [8]. Главное ограничение метода ДРИ, основанного на анализе двух разновременных изображений, образующих интерферометрическую пару, – временная и пространственная декорреляция радиолокационных эхо-сигналов. Метод PS является развитием ДРИ, использующим временные серии радарных изображений. Он позволяет рассчитать динамику точечных постоянных рассеивателей, которыми являются объекты типа “квазиуголковых” отражателей, с достаточно сильным и устойчивым во времени отраженным сигналом (соответственно с высокими величинами когерентности). Для этих постоянных рассеивателей рассчитывается множество интерферометрических фазовых соотношений относительно одного опорного изображения, которое позволяет более точно, по сравнению с ДРИ, оценить величину и скорость деформаций дискретно расположенных постоянных рассеивателей. Увеличение точности достигается за счет использования нескольких десятков интерферограмм. Это позволяет существенно уменьшить влияние атмосферы и неточностей опорной цифровой модели рельефа и орбитальные ошибки. Недостаток метода PS – результат в виде отдельных точек, поэтому логичным является его комбинирование с ДРИ, результатом применения которой является непрерывное поле деформаций поверхности [9].

С учетом этого исследование сейсмических процессов на активизированном разломе Байкальского рифта выполнялось с помощью комплексирования метода ДРИ по данным радиолокаторов ALOS-1/2 PALSAR-1/2 (с временными интерферометрическими базами год и более, всего 4 радарных сцены) и метода PS с использованием временных серий Sentinel-1B (47 изображений бесснежного периода) и ALOS PALSAR (28 изображений). Зонирование подвижных блоков и оценка трендов направленности движений проводились методом ДРИ. При помощи метода PS проведена детализация характера деформации поверхности.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. АНАЛИЗ

Очаг Быстринского землетрясения магнитудой M = 5.5, произошедшего 21 сентября 2020 г., расположен в юго-восточной оконечности Главного Саянского разлома (ГСР), сейсмический потенциал которого, по палеосейсмогеологическим данным, оценивается как М = 8.0 [11]. Эпицентр землетрясения (желтая звездочка на рис. 1), расположенный вблизи деревни Быстрая, в геоморфологическом плане тяготеет к сочленению Тибельтинской междувпадинной перемычки и Быстринской впадины [12]. Эпицентр Култукского землетрясения 2008 г. с магнитудой М = = 6.3, произошедшего 27 августа 2008 г. (зеленая звездочка на рис. 1), находился в акватории Байкала. Красные линии на рис. 1 – неотектонические разломы [13]. Градациями зеленого и коричневого цвета на рис. 1 представлены косейсмические смещения вдоль линии распространения (направления радиолокационного обзора) электромагнитной волны от спутникового радара. Схема создана методом ДРИ по данным интерферометрической пары изображений Sentinel-1, полученных за 10 дней до Быстринского события (11 сентября 2020 г.) и через 2 дня после события (23 сентября 2020 г.).

Рис. 1.

Схема косейсмических смещений земной поверхности по данным ДРИ Sentinel-1.

Значительная часть интерферометрических данных, вследствие низких величин когерентности, не могла быть использована для измерений, поэтому распределение косейсмических деформаций представлено фрагментарно. Тем не менее ключевые участки сейсмоактивного линеамента в районе Тункино-Южно-Байкальской перемычки, а также вдоль южного берега оз. Байкал характеризуются достаточно значимыми величинами деформаций. В исследуемой области Быстринского землетрясения (прямоугольник на рис. 1) отчетливо выделяются две зоны с противоположным направлением движений. Проседание земной поверхности до 3–5 см выявлено на небольшом участке вдоль разлома в непосредственной близости от эпицентра Быстринского землетрясения. В целом зона проседания (зеленый оттенок) охватывала целиком участок поймы реки Иркут, в то время как зона, окрашенная светло-коричневым цветом, располагающаяся ближе к оконечности оз. Байкал, испытывала подъем (до 1–2 см).

Для анализа геодинамики в районе эпицентра (выделенный прямоугольник на рис. 1), в период, предшествующий землетрясению, были установлены границы активных блоков с различной геодинамикой. Контуры блоков были получены методом ДРИ (рис. 2) по данным интерферометрической пары ALOS-2 PALSAR-2 (27 июня 2019 г.–25 июня 2020 г.), с очень малой пространственной интерферометрической базой 2,1 м, обеспечивающей высокую пространственную когерентность и точность измерения относительных деформаций. Зеленым цветом на рис. 2 выделена область условного проседания, а коричневым цветом выделена область условного поднятия, без учета фазового пьедестала (неизвестной аддитивной константы). Смещения за соответствующий промежуток времени в один год представлены вдоль линии распространения (направления радиолокационного обзора) электромагнитной волны от спутникового радара ALOS-2 PALSAR-2.

Рис. 2.

Результаты оценки смещений в период до землетрясения методом ДРИ по паре изображений ALOS-2 PALSAR-2 c датами съемки 27.06.2019 и 25.06.2020 и местоположения постоянных рассеивателей.

Методом PS была рассчитана динамика множества постоянных рассеивателей в пределах участка, выделенного прямоугольником на рис. 1, которые были сегментированы в соответствии с расположением на блоке опускания или поднятия (см. рис. 2). Красным цветом на этом рисунке выделены рассеиватели, расположенные в области условного поднятия, выявленной по данным ДРИ, синие треугольники соответствуют рассеивателям в области условного опускания. Для расчетов использовались 47 изображений, полученных с борта спутника Sentinel-1B за период времени с 06 мая 2017 по 05 октября 2020 г. Для исключения влияния сезонных факторов, связанных с фазовым сдвигом вследствие морозного пучения [14] и наличием снежного покрова [15], были использованы данные бесснежного периода на согласованной вертикальной поляризации. Данные по смещениям постоянных рассеивателей были усреднены и представлены на рис. 3а в виде отдельных временных рядов для каждой области. Красной стрелкой на рис. 3а обозначен момент землетрясения.

Рис. 3.

Деформации смежных участков подвижной области, полученные методом PS: а – Быстринское землетрясение (Sentinel-1B, 2017–2020 гг.); б – Култукское землетрясение (ALOS-1 PALSAR-1, 2007–2011 гг.).

Обнаруженная методом ДРИ граница раздела блоков (см. рис. 2) с разным характером подвижки земной поверхности, вблизи которой находился эпицентр Быстринского землетрясения, располагается поперек простирания сейсмоактивного разлома. Подобное соотношение направленности движения блоков согласуется с данными геоморфологии. Инверсионное воздымание межвпадинной перемычки является одной из причин циклических миграций русла реки Иркут в субмеридиональном направлении [12]. Поднятые тектонические ступени являются основой междурифтовых перемычек, где периодически случаются землетрясения относительно небольшой силы.

В целом согласно приведенным на рис. 3а зависимостям наблюдается поднятие блоков с разной скоростью для разных областей, которое в среднем прекратилось перед землетрясением при разности величин деформаций 14 мм. При этом начальные данные в 2017 г. также в среднем показывают отсутствие деформаций. Результирующие деформации за 3 года составили в среднем примерно 16 и 30 мм для различных областей. Можно предположить, что данные величины являются некоторым порогом деформаций, который привел к землетрясению в данной части Байкальского рифта.

Методика с комплексированием ДРИ и метода PS также была использована при ретроспективном анализе движений в период Култукского землетрясения магнитудой M = 6.3, произошедшего 27 августа 2008 г. Смежное расположение эпицентров землетрясений на одном сейсмоактивном линеаменте позволяет сопоставить сейсмическое событие, произошедшее в 2020 г. с Култукским землетрясением 2008 г., одним из сильнейших за историю наблюдений в этом районе. По данным ДРИ (ALOS-1 PALSAR-1, 06 июля 2008–09 июля 2009) в тыловой части эпицентральной области землетрясения были выявлены два небольших подвижных блока в районе п. Утулик и г. Байкальск, ограниченные прибортовым Утуликским разломом. С использованием метода PS по 28 изображениям ALOS-1 PALSAR-1 данной области была рассчитана динамика постоянных рассеивателей, которые были разделены на два кластера на блоках в районе п. Утулик и г. Байкальск. В соответствии с этим разделением были получены результаты, которые представлены на рис. 3б. На графике полученные линейные тренды разделены на периоды до и после землетрясения, дата которого обозначена красной стрелкой. Анализ рис. 3б показывает, что перед рассматриваемым сейсмическим событием наблюдается общий подъем блоков с разной скоростью, а различие величин деформаций перед землетрясением достигает 12–13 мм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что после Култукского землетрясения наблюдаются изменения в динамике движения: относительная стабильность блока “Байкальск” и проседание блока “Утулик”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создана картографическая основа косейсмических деформаций по данным интерферометрической пары изображений Sentinel-1B, полученных за 10 дней (11 сентября 2020 г.) до Быстринского землетрясения с магнитудой М = 5.5, состоявшегося 21 сентября 2020 г. вблизи южной оконечности озера Байкал, и через 2 дня (23 сентября 2020 г.) после этого сейсмического события. В результате комплексирования спутниковых радарных интерферометрических измерений, полученных за период времени с 06 мая 2017 по 05 октября 2020 г. для района Быстринского землетрясения, обнаружены два блока с различными скоростями положительных деформаций, происходивших до 2020 г. Начальные данные, полученные в 2017 г., показывали в среднем отсутствие деформаций.

Непосредственно перед этим землетрясением (сентябрь 2020 г.) разность величин деформаций исследуемых блоков составляла порядка 14 мм. При этом результирующие за 3 года положительные деформации составляли в среднем примерно 16 и 30 мм для различных областей обнаруженных блоков. В 2020 г. после данного сейсмического события скорость поднятия блоков стабилизировалась. Такая стабилизация, возможно, является свидетельством предельного напряженно-деформированного состояния, после которого произошло землетрясение.

Аналогичные расчеты, выполненные за период времени с 01 января 2007 по 27 февраля 2011 г. для Култукского землетрясения с магнитудой М = 6.3, произошедшего 27 августа 2008 г., позволили выявить сопоставимые разности величин деформаций (порядка 12–13 мм) и динамику блоков перед этим сейсмическим событием. Определенное сходство динамики соответствующих блоков до землетрясений 2008 и 2020 г. позволяет предполагать сходство этой динамики и после этих сейсмических событий. Тем самым это позволяет спрогнозировать нисходящий тренд одного блока к прежнему уровню и относительную стабилизацию деформаций второго блока в период времени после землетрясения 2020 г.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности комплексного использования методов спутниковой радиолокационной интерферометрии для регистрации деформаций земной поверхности, предшествующих сейсмическим событиям. Результаты радарной интерферометрии размещены в интернете в соответствии с современными тенденциями свободного распространения научных данных (http://omdoki.nextgis.com/resource/676/display?panel = layers).

Список литературы

  1. Бондур В.Г., Зверев А.Т. Метод прогнозирования землетрясений на основе линеаментного анализа космических изображений // ДАН. 2005. Т. 402. № 1. С. 98–105.

  2. Бондур В.Г., Смирнов В.М. Метод мониторинга сейсмоопасных территорий по ионосферным вариациям, регистрируемым спутниковыми навигационными системами // ДАН. 2005. Т. 402. № 5. С. 675–679.

  3. Бондур В.Г., Гарагаш И.А., Гохберг М.Б., Лапшин В.М., Нечаев Ю.В., Стеблов Г.М., Шалимов С.Л. Геомеханические модели и ионосферные вариации для крупнейших землетрясений при слабом воздействии градиентов атмосферного давления // ДАН. 2007. Т. 414. № 4. С. 540–543.

  4. Бондур В.Г., Гарагаш И.А, Гохберг М.Б., Родкин М.В. Эволюция напряженного состояния Южной Калифорнии на основе геомеханической модели и текущей сейсмичности // Физика Земли. 2016. № 1. С. 120–132. https://doi.org/10.7868/S000233371601004X

  5. Бондур В.Г., Гарагаш И.А., Гохберг М.Б., Лапшин В.М., Нечаев Ю.В. Связь между вариациями напряженно-деформированного состояния земной коры и сейсмической активностью на примере Южной Калифорнии // ДАН. 2010. Т. 430. № 3. С. 400–404.

  6. Акопян С.Ц., Бондур В.Г., Рогожин Е.А. Технология мониторинга и прогнозирования сильных землетрясений на территории России с использованием метода сейсмической энтропии // Физика Земли. 2017. № 1. С. 34–53. https://doi.org/10.7868/S0002333717010021

  7. Zebker H.A., Rosen P.A., Goldstein R.M., Gabriel A., Werner C.L. On the Derivation of Coseismic Displacement Fields Using Differential Radar Interferometry: The Landers earthquake // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № B10. P. 19617–19634. https://doi.org/10.1029/94JB01179

  8. Ferretti A., Prati C., Rocca F. Permanent Scatterers in SAR Interferometry // IEEE Trans Geosci Remote Sens. 2001. V. 39. № 1. P. 8–20. https://doi.org/10.1109/36.898661

  9. Pawluszek-Filipiak K., Borkowski A. Monitoring Mining-induced Subsidence by Integrating Differential Radar Interferometry and Persistent Scatterer Techniques // European Journal of Remote Sensing. 2020. P. 1–13. https://doi.org/10.1080/22797254.2020.1759455

  10. Бондур В.Г., Захарова Л.Н., Захаров А.И., Чимитдоржиев Т.Н., Дмитриев А.В., Дагуров П.Н. Мониторинг оползневых процессов с помощью космических интерферометрических радаров L-диапазона на примере обрушения склона берега реки Бурея. // Исследование Земли из космоса. 2019. № 5. С. 3–14. https://doi.org/10.31857/S0205-9614201953-14

  11. Чипизубов А.В., Смекалин О.П. Палеосейсмодислокации и связанные с ними палеоземлетрясения по зоне Главного Саянского разлома // Геология и геофизика. 1999. Т. 40. № 6. С. 936–947.

  12. Уфимцев Г.Ф., Щетников А.А., Филинов И.А. Инверсии в новейшей геодинамике байкальской рифтовой зоны // Геология и геофизика. 2009. Т. 50. № 7. С. 796–808.

  13. Лунина О.В. Цифровая карта разломов для плиоцен-четвертичного этапа развития земной коры юга Восточной Сибири и сопредельной территории Северной Монголии // Геодинамика и тектонофизика. 2016. Т. 7. № 3. С. 407–434. https://doi.org/10.5800/GT-2016-7-3-0215

  14. Chimitdorzhiev T.N., Dagurov P.N., Bykov M.E., Dmitriev A.V., Kirbizhekova I.I. Comparison of ALOS PALSAR Interferometry and Field Geodetic Leveling for Marshy Soil Thaw/freeze Monitoring, Case Study from the Baikal Lake Region, Russia. // Journal of Applied Remote Sensing. 2016. V. 10. № 1. P. 016006. https://doi.org/10.1117/1.JRS.10.016006

  15. Dagurov P.N., Chimitdorzhiev T.N., Dmitriev A.V., Dobrynin S.I. Estimation of Snow Water Equivalent from L-band Radar Interferometry: Simulation and Experiment // International Journal of Remote Sensing, V. 41. № 24. P. 9328–9359. https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1798551

Дополнительные материалы отсутствуют.