Исследование Земли из Космоса, 2021, № 2, стр. 3-14

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность решения проблемы предупреждения и прогнозирования землетрясений не вызывает сомнений, так как это позволит снизить негативные последствия, наносимые такими опасными природными явлениями (Киссин, 2013; Моги, 1988; Keilis-Borok et al., 2009). Для решения этой проблемы большое значение имеют поиск и регистрация предвестников значительных сейсмических событий (с магнитудами М > 5) (Соболев, Пономарев, 2003). Одним из наиболее перспективных подходов к регистрации различных предвестников землетрясений на обширных сейсмоопасных территориях является использование методов и средств дистанционного зондирования (Бондур и др., 2009, 2020; Tronin, 2010) и обработки данных (Бондур, 2014).

В настоящее время известен ряд методов регистрации из космоса предвестников различной физической природы, среди них такие как: методы выявления вариаций параметров ионосферы (Бондур, Смирнов, 2005; Пулинец и др., 2010), методы регистрации тепловых аномалий (Бондур, Воронова, 2012; Бондур и др., 2020; Бондур и др., 2018; Ouzounov et al., 2007), методы спутниковой радиоинтерферометрии (Бондур и др., 2021), методы регистрации изменений характера линеаментных систем (Бондур, Зверев, 2005а, б, 2007; Бондур и др., 2016; Гапонова и др., 2019; Bondur, Kuznetsova, 2005), методы совместного анализа аномалий различных геофизических полей, регистрируемых из космоса (Бондур и др., 2018, 2020). Кроме того, для решения проблем исследования сейсмоопасных территорий используются методы, основанные на использовании геомеханических моделей (Бондур и др., 2007, 2010, 2016; Bondur et al., 2020), а для прогноза землетрясений различные методы (Keilis-Borok et al., 2009), в том числе метод сейсмической энтропии (Акопян и др., 2017) и др.

Одними из перспективных предвестников значительных сейсмических событий (магнитуды М > 5) являются линеаментные системы, выявляемые путем обработки космических изображений (Бондур, Зверев, 2005а, б, 2007; Бондур и др., 2016). Эти системы играют важную роль при создании структурных моделей эпицентральных зон крупных землетрясений и определении кинематики активных разломов. Анализ линеаментных систем позволяет выявить особенности подготовки землетрясений и афтершоковых процессов (Бондур, Зверев, 2007; Бондур и др., 2016; Гапонова и др., 2019).

Дистанционное зондирование предоставляет возможности детального изучения обширных территорий, что может оказаться решающим фактором в понимании того, как напряжения, возникающие на границах тектонических плит, например в зонах коллизий, передаются в литосфере на большие расстояния, что и приводит в модели “тектоники плит” к формированию внутриконтинентальных сейсмоактивных регионов (Аэрокосмические, 2000; Бондур и др., 2009; Кац и др., 1980).

Современные методы выявления и изучения линеаментов сводятся к автоматизированному дешифрированию космических изображений с использованием набора различных дешифровочных признаков (Бондур, 2014; Бондур, Зверев, 2007). Космические изображения обладают такими свойствами, как большая обзорность, объективность отображения характера земной поверхности и естественная генерализация (Бондур и др., 2009; Аэрокосмические…, 2000). В связи с этим они являются тем материалом, который позволяет наиболее полно и всесторонне оценить степень тектонической нарушенности земной коры (Кац и др., 1986; Бондур, Зверев, 2007). Чем ниже пространственное разрешение космических изображений, тем выше уровень генерализации и тем более глубинные структуры отображаются на них (Аэрокосмические…, 2000; Корчуганова, Корсаков, 2009). Поэтому для мониторинга процессов, предшествующих землетрясению, целесообразно использовать изображения с пространственным разрешением порядка первых сотен метров. Благодаря такой генерализации, появляется возможность отслеживания динамики широких линеаментных зон, соответствующих целым системам разломов (Бондур, Зверев, 2005а, б, 2007).

Степень выраженности на космических изображениях разноориентированных зон в линеаментных системах, т.е. их “физиономичность”, различна. Она зависит как от уровня генерализации и спектральных диапазонов этих изображений, так и от петрофизических контрастов, обусловленных разной обводненностью зон трещиноватости и прилегающих горных пород (Бондур, Зверев, 2007). Так как оптические контрасты сухих и сырых грунтов увеличиваются с увеличением длины волны, то при выделении линеаментов целесообразнее использовать красную или ближнюю инфракрасную зону спектра электромагнитных волн (Бондур, Зверев, 2005б, 2007; Бойков, Корниенко, 2007). Таким образом, для мониторинга аномальных вариаций линеаментных систем в сейсмоопасных регионах наиболее оптимальными источниками данных являются космические изображения среднего разрешения красной или ближней инфракрасной зоны спектра электромагнитных волн, получаемые с высокой периодичностью (Бондур, Зверев, 2007; Бондур и др., 2016).

В настоящей статье приведены результаты исследования аномальных вариаций линеаментных систем Байкальской рифтовой зоны в период подготовки и свершения землетрясения с магнитудой М = 5.6, которое произошло 21 сентября 2020 г., с использованием методов автоматизированного линеаментного анализа космических изображений.

ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ И СЕЙСМИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ИССЛЕДУЕМОГО РЕГИОНА

Байкальская впадина рассматривается как внутриконтинентальный рифт. Рифтовые впадины часто вмещают крупные озера. Эти линейные грабеновые структуры ограничены с одной или двух сторон разломами (сбросами и сдвигами) и разделены перемычками, в которых на поверхность выходят древние породы фундамента (Актуальные…, 2005). Впадины вместе с осложняющими ее структурами и сопровождающими горными поднятиями (плечами) и составляют рифт (Мац и др., 2014). Рифты формируются в условиях напряжений растяжения, тогда как все структуры континентальной земной коры существуют в условиях сжатия. Вследствие этого блоки, разделенные рифтом, отдаляются друг от друга, что на ранней стадии развития и приводит к образованию континентальных впадин, которые разделяют отодвигающиеся блоки. Особенности строения Байкальской впадины, вещественный состав ее донных отложений, а также протекающие в них физико-химические процессы и явления свойственны океанам и неизвестны в других пресноводных озерах (Мац и др., 2014).

По геологическим и геофизическим данным установлено, что Байкальская рифтовая зона, протяженностью более 2000 км, расположена на сочленении двух контрастных по температурным и механическим свойствам литосферных мегаблоков: Сибирской платформы и Центрально-Азиатского подвижного пояса. Рифтовая система составлена из сложной последовательности впадин (15 отдельных впадин), разделенных поднятиями (межвпадинными перемычками) и ограниченных крупными тектоническими разломами, параллельными рифту, секущих рифт и свидетельствующих о сложнейшей истории растяжения рифта (Байкал…, 2009). Сибирская платформа является крупным и достаточно стабильным мегаблоком со слабой сейсмической активностью. Центрально-Азиатскому подвижному поясу свойственна рассеянная сейсмичность, свидетельствующая о мозаичном сочленении отдельных микроплит и блоков, располагающихся между тремя литосферными плитами – Индостанской, Евразийской и Амурской. Байкальская система рифтовых разломов и впадин характеризуется концентрированной сейсмичностью, тяготеющей к байкальским впадинам (Актуальные…, 2005). Для Байкальской рифтовой системы принципиальное значение в структурном плане придается Главному Саянскому, Тункинскому, Приморскому, Баргузинскому, Кичерскому, Верхне-Муйскому, Кодарскому, Токкинскому и некоторым другим разломам. Большинство из выделенных разломов – структуры глубинного заложения (Лунина и др., 2007).

Структурное положение и динамика разломов в Байкальской рифтовой зоне являются следствием перемещения сосуществующих внутриконтинентальных литосферных блоков в юго-восточном направлении для центральной части Байкальской рифтовой зоны и правосторонних взбросо-сдвиговых смещений Восточного Саяна относительно Сибирской платформы (Вилор и др., 2015). На юго-западном фланге рифта векторы смещений отражают поворот Тувино-Саянской части по часовой стрелке со сдвигами по Главному Саянскому разлому и Тункинскому разлому при участии растяжения. В высокосейсмичной срединной части рифтовой зоны, включающей Байкальскую и Баргузинскую впадины, субгоризонтальные оси растяжения, поперечные к преобладающим структурам, определяют сбросовый тип разломов, в том числе Баргузинского (Актуальные…, 2005; Вилор и др., 2015). Все крупнейшие региональные разломы Байкальской рифтовой зоны отличаются ярко проявленной кайнозойской активиазацией, считаются долгоживущими и заложены по древним разломным зонам. Кайнозойская активизация региональных разломных зон способствовала развитию Байкальской рифтовой системы (Байкал…., 2009).

Байкальский регион имеет высокую сейсмичность – это одна из наиболее сейсмически активных внутриконтинентальных областей планеты. В среднем каждый год здесь происходит около 10 землетрясений различной силы. За последние 70 лет на территории Байкальской рифтовой зоны произошло более 600 землетрясений (по данным https://earthquake.usgs.gov), из которых более 70 сильных с М > 5 (см. рис. 1).

Рис. 1.

Эпицентры землетрясений на территории Байкальской рифтовой зоны с М > 5 за последние 70 лет.

В настоящей работе исследовано землетрясение с магнитудой М = 5.6, которое произошло 21 сентября 2020 г. (18:04:57 UTC) вблизи оз. Байкал. Очаг землетрясения располагался в 21 км от поселка Култук (51.857° с.ш., 103.480° в.д.) на глубине 10 км.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Первым шагом при проведении исследований являлся сбор, обработка и анализ космических изображений для обнаружения линейных элементов (штрихов). Методы обнаружения таких элементов на космических изображениях состоят в анализе локальных участков фрагментов этих изображений (окон) (Bondur, Kuznetsova, 2005) и в поиске в этих окнах отрезков прямых линий или прямых границ областей разной оптической плотности путем построения так называемых масок (Zlatopolsky, 1992). При этом предполагается, что штрихи делят изображение в окнах на группы элементов, которые различаются по яркости, а в масках указывается, как должны располагаться элементы этих групп, если в окне имеется прямая граница или линия определенного направления (Бондур, Зверев, 2005б; Zlatopolsky, 1992, 1997).

Сравнение фрагментов изображений в окнах с заданными масками происходит следующим образом. Вычисляется средняя яркость фрагментов изображения, соответствующих однотипным элементам масок, и определяются разности этих средних, которые называются откликами масок. Абсолютная величина отклика характеризует интегральное сходство маски и изображения в окне (Zlatopolsky, 1992, 1997). Описанная операция представляет собой согласованную линейную пространственную фильтрацию изображений. При этом для каждой точки штрихов определяется направление с дискретностью 22.5° (Златопольский, 2008; Zlatopolsky, 1997). На полутоновых изображениях выделяются прямые участки границ областей разной яркости. В цифровых моделях рельефа выявляются спрямленные участки границ склонов (Zlatopolsky, 1992, 1997).

Вторым шагом проведения исследований являлся анализ совокупности выделенных штрихов. Задавая регулярную сетку областей или строя области интерактивно, пользователь имел возможность получать розы-диаграммы штрихов. Для этого внутри каждой области находилось число точек в штрихах каждого направления. Далее в интерактивном режиме просматривались полученные результаты. Задавался порог выраженности линеаментов и на фоне исходного изображения выделялись штрихи, которые формируют линеаменты с указанными характеристиками. При увеличении порога остаются наиболее выраженные (проявленные на космическом изображении) сквозные прямые-линеаменты (Златопольский, 2008). Для совместного анализа могут комбинироваться изображения линеаментов с разной ориентацией и выраженностью (Бондур, Зверев, 2005а, б).

В отличие от визуального дешифрирования, в нашем случае выделялись не генерализованные мелкие штрихи, образующие линеаменты, а наиболее выраженные сквозные линеаменты. При этом обеспечивалась возможность изучения внутренней структуры крупных линеаментов. Изменяя ширину полосы поиска линеаментов, имелась возможность выделять широкие линейные зоны сгущения мелких штрихов, оценивать соотношение разрывных зон по ширине.

На следующем этапе проведения исследований выполнялся статистический анализ выявленных линеаментных систем, который позволяет получить скрытую информацию, касающуюся закономерностей пространственного распределения линейных текстур. С использованием этих данных производится анализ геодинамических особенностей исследуемой сейсмоопасной территории.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Исследуемое землетрясение с магнитудой М = 5.6 произошло 21 сентября 2020 г. в период повышенной сейсмической активности в байкальской рифтовой зоне.

На рис. 2 показано расположение эпицентра землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г. и разломное строение Байкальской рифтовой зоны (Лунина и др., 2007).

Рис. 2.

Схема расположения эпицентра землетрясения (обозначено звездочкой), произошедшего 21 сентября 2020 г. вблизи оз. Байкал, и разломное строение Байкальской рифтовой зоны.

В табл. 1 приведены данные о землетрясениях, произошедших вблизи оз. Байкал в июле−сентябре 2020 г., которые могли получить отражение в аномальных вариациях линеаментных систем в исследуемый период.

В процессе проведения исследований выполнялся автоматизированный линеаментный анализ космических изображений, полученных со спутника Terra (аппаратура MODIS, пространственное разрешение 250 метров), начиная за 4 мес. до землетрясения и через 16 дней после него (25 мая; 28 июня; 21 июля; 13 августа; 7, 16, 23 сентября и 6 октября 2020 г.). Изучался участок, размером 100 × 100 км (400 × 400 пикселей), в эпицентральной области сейсмического события, состоявшегося 21 сентября 2020 г.на границе Тункинского рифта, расположенного на юго-западном фланге Байкальской рифтовой зоны. Эпицентр землетрясения попадал в центр исследуемого участка земной поверхности.

Линеаменты, выделяемые при автоматизированной обработке космических изображений, подразделяются на региональные (сквозные), объединенные в линейные системы большой протяженности и локальные (штрихи), имеющие меньшую протяженность и более детально отражающие структуру рельефа. На основании детального изучения трещиноватости по космическим изображениям были построены линии вытянутости штрихов, сквозные (региональные) линеаменты, розы-диаграммы региональных линеаментов и анализировались особенности их распределения в пределах фрагментов изображений эпицентральной области. Схемы региональных линеаментов и их розы-диаграммы для эпицентральной области исследуемого землетрясения, полученные в результате автоматизированного линеаментного анализа разновременных космических изображений при пороге, равном 120, представлены на рис. 3. Такой порог выбирался из условия начала проявления региональных линеаментов в процессе обработки космических изображений.

Рис. 3.

Схемы и розы-диаграммы региональных (сквозных) линеаментов для землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г. вблизи оз. Байкал с магнитудой 5.6.

Из анализа результатов обработки ряда космических изображений, представленных на рис. 3, следует, что в исследуемом сейсмоопасном районе преимущественное развитие имеют диагональные системы линеаментов, связанные с планетарной системой трещиноватости, а также широтные и субширотные направления линеаментов. Эта картина полностью согласуется с общим строением исследуемой территории, так как внутри Тункинской рифтовой долины главную роль играют северо-восточные и субширотные разрывные нарушения (Лунина и др., 2007). Субширотные разрывы имеют широкое распространение на всей исследуемой территории, в то время как меридиональные разрывы наименее развиты по сравнению со всеми остальными. Анализ рис. 3 свидетельствует о том, что в межвпадинных перемычках наряду с субширотными хорошо проявляются разломы северо-западного простирания.

Из анализа роз-диаграмм региональных линеаментов, приведенных на рис. 3, следует, что при приближении к моменту землетрясения, состоявшегося 21 сентября 2020 г., происходит постепенное увеличение количества диагональных линеаментных систем северо-западного–юго-восточного, а также северо-восточного–юго-западного направлений и их уменьшение после землетрясения. Максимальный рост диагональных линеаментных систем наблюдался 7 сентября 2020 г., то есть за 14 дней до исследуемого сейсмического события. Подобное закономерное изменение может являться предвестником землетрясения (Бондур, Зверев, 2005а, б, 2007).

Линии вытянутости, являющиеся наглядной формой представления основных ориентационных свойств линеаментов, обусловлены морфоструктурным и разломно-блоковым строением исследуемой территории, которая захватывает прилегающую территорию юго-западной части оз. Байкал и часть Тункинского рифта. Этот рифт простирается в субширотном направлении более чем на 200 км от оз. Байкал до оз. Хубсугул. Разломно-блоковое строение Тункинского рифта и прилегающей территории определяется разрывными нарушениями четырех направлений: субширотного, северо-восточного, северо-западного и субмеридионального (Лунина, и др., 2007).

На рис. 4 приведены схемы линий вытянутости штрихов для исследуемого сейсмоопасного района. Как видно из рис. 4, линии вытянутости начинают сгущаться и объединяться 7 сентября 2020 г. (за 2 нед. до сейсмического события, состоявшегося 21 сентября 2020 г.). При этом преимущественное развитие имеют субширотные направления линий вытянутости (см. рис. 4).

Рис. 4.

Схемы линий вытянутости штрихов для землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г. вблизи оз. Байкал.

Анализ суммарных длин штрихов, осредненных по каждому из восьми направлений (через 22.5°), показал, что величины сумм длин штрихов образуют следующий ряд в порядке убывания: L 90°, L 293°, L 67°, L 45°, L 315°, L 22°, L 0°, L 338° (см. табл. 2). При этом преобладающими являются широтные (L 90°), субширотные (L 293°, L 67°) и диагональные (L 45°, L 315°) направления линеаментов, совпадающие с простиранием основных морфоструктур региона.

Из анализа табл. 2 следует, что при приближении к моменту землетрясения для преобладающих направлений штрихов (L 90°, L 293°, L 67°, L 45°, L 315°) характерна общая тенденция увеличения их суммарных длин и постепенное их уменьшение после землетрясения. Для остальных направлений (L 22°, L 0°, L 338°) происходит обратная картина, при которой характерна общая тенденция уменьшения суммарных длин штрихов к моменту землетрясения и увеличения после него.

Таким образом, к моменту землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г., увеличивается проявленность (выраженность) штрихов, согласных с простиранием основных морфоструктур региона, и уменьшается проявленность поперечных к ним штрихов. Данные изменения длин локальных линеаментов разных направлений, предшествующих сейсмическому событию, произошедшему 21 сентября 2020 г. вблизи оз. Байкал, являлись предвестником этого сейсмического события.

С использованием данных, приведенных в табл. 2, построены отношения длин локальных линеаментов разных направлений (рис. 5).

Рис. 5.

График отношений длин локальных линеаментов разных направлений для землетрясения с магнитудой М = 5.6, произошедшего 21 сентября 2020 года вблизи оз. Байкал.

Из анализа рис. 5 видно, что отношения длин локальных линеаментов разных направлений начинали расти или уменьшаться по мере приближения к моменту землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г., и достигали пика 16 сентября 2020 г. Таким образом, аномальные вариации линеаментных систем байкальской рифтовой зоны, выявленные по отношениям длин штрихов разных направлений, проявлялись за 5 дней до землетрясения с магнитудой М = 5.6, произошедшего 21 сентября 2020 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследуемое землетрясение с магнитудой М = 5.6 произошло 21 сентября 2020 г. вблизи оз. Байкал в период повышенной сейсмической активности, что повлияло на выраженность линеаментных систем и получило отражение в их аномальных вариациях.

На основании анализа схем региональных линеаментов и их роз-диаграмм, выявленных путем автоматизированной обработки космических изображений при пороге 120, установлено, что в период подготовки и протекания этого сейсмического события преимущественное развитие имели диагональные системы линеаментов, связанные с планетарной системой трещиноватости, а также широтные и субширотные направления линеаментов, которые согласуются с общим строением исследуемой территории. При приближении к моменту землетрясения происходило постепенное увеличение количества диагональных линеаментных систем северо-западного–юго-восточного, а также северо-восточного–юго-западного направлений и их уменьшение после землетрясения. Максимальный рост диагональных линеаментных систем наблюдался 7 сентября 2020 (за 14 дней до исследуемого сейсмического события), что может являться предвестником землетрясения.

Выявлено, что линии вытянутости, которые являются наглядной формой представления основных ориентационных свойств линеаментов, также начинали сгущаться и объединяться за 2 нед. до исследуемого сейсмического события (7 сентября 2020). На основании их анализа показано, что в исследуемом сейсмоопасном регионе преимущественное развитие имели субширотные направления, которые обусловлены морфоструктурным и разломно-блоковым строением исследуемой территории.

Анализ суммарных длин штрихов, выявленных по космическим изображениям, показал, что преобладающими являются широтные (L 90°), субширотные (L 293°, L 67°) и диагональные (L 45°, L 315°) направления линеаментов, совпадающие с простиранием основных морфоструктур региона. При приближении к моменту землетрясения выраженность линеаментов согласных с простиранием основных морфоструктур региона увеличивалaсь, а поперечных к ним линеаментов уменьшалacь, что проявлялось в общей тенденции увеличения суммарных длин штрихов для преобладающих направлений и тенденции их уменьшения для остальных направлений (L 22°, L 0°, L 338°).

Аномальные вариации линеаментных систем байкальской рифтовой зоны, проявленные в отношениях длин штрихов разных направлений, были обнаружены 16 сентября 2020 г., т.е. за 5 дней до землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г.

На основании результатов исследований аномальных вариаций линеаментных систем было установлено, что максимальный рост и сгущение линеаментных систем, зафиксированных на схемах линий вытянутости штрихов, схемах региональных линеаментов и их роз-диаграмм, наблюдались за 14 дней до сейсмического события, а максимальные изменения величин суммарных длин штрихов и их отношений, наблюдались за 5 дней до землетрясения, произошедшего 21 сентября 2020 г.

Таким образом, автоматизированный линеаментный анализ космических изображений позволил выявить все основные направления линеаментов согласных с общим разломно-блоковым строением Байкальской рифтовой зоны, а также их предвестниковое изменение в период подготовки и свершения исследуемого землетрясения. Такой анализ является одним из эффективных методов выявления предвестников землетрясений, обладающих большой оперативностью и достоверностью для мониторинга сейсмоопасных территорий.