Исследование Земли из Космоса, 2022, № 3, стр. 66-83

Визуальное дешифрирование

Визуальный линеаментный анализ для территории Прибайкалья проводился многими исследователями (Кузьмин, 1995; Аржанникова, Гофман, 2000; Семинский и др., 2012; Лунина, 2016; Черемных и др., 2018 и др.). Приведенные ниже исследования выполнены по методике, изложенной в работе (Черемных и др., 2018). Для выделения крупных линеаментов использовались ЦМР на основе SRTM, находящиеся в свободном доступе сети Internet и имеющие разрешение ~90 м. Линейные элементы рельефа выделялись как вытянутые в плане уступы горных хребтов, спрямленные участки речных долин и русел рек. Иногда наблюдались смещения русел рек или горных хребтов, отображающие линеаменты сдвигового кинематического типа. В результате визуального линеаментного анализа с использованием ЦМР выделены линейные элементы ландщафта с детальностью сопоставимой с результатами анализа по топографическим картам масштаба 1 : 100 000, где сплошные горизонтали проведены через 20 м. Основой для проведения анализа на детальных участках служили топографические карты масштаба 1 : 25 000, как наиболее крупномасштабные доступные нам материалы. На таких картах сплошные горизонтали проведены через 5 м. Количественный характер информации о рельефе на ЦМР и топографических картах разного масштаба позволяет оценить высоту уступов или горизонтальные смещения элементов рельефа, что служит дополнительной информацией о кинематическом типе разлома, отождествляемого с конкретным линеаментом. Кроме того, для выявления линеаментов, выраженных в рельефе горных стран, возможно применение количественных показателей элементов рельефа, подобно методике, изложенной в монографии Е.Я. Ранцман (1979). Ранее были выделены линейные элементы ландшафта (Черемных и др., 2018): хорошо выраженные в рельефе – тектонические уступы со значительным изменением высот, линеаменты, смещающие русла рек и временных водотоков, конусы выноса, водоразделы или хребты. Также выделялись и слабо проявленные линеаменты – линейные элементы речных долин без смещения русла или линейно вытянутые уступы, характеризующиеся небольшими, но достаточными для уверенного картирования превышениями рельефа.

Таким образом, по данным обработки ЦМР и топографических карт разного масштаба выполнено визуальное картирование линеаментов по рисунку гидросети и характеру рельефа c учетом их количественных параметров. Разномасштабные топоосновы и ЦМР позволили откартировать как крупные линеаменты, так и непротяженные линейные элементы рельефа (далее по тексту малые линеаменты), осложняющие внутреннюю структуру разломных зон и вычленяемых ими блоков. В пределах известных разломных зон зафиксированы протяженные линеаменты – магистральные сместители разломов или их сегменты. Наличие или отсутствие в пределах разломной зоны магистрального сместителя связано со стадией формирования дизъюнктива, так как любой разлом развивается последовательно на трех дизъюнктивных стадиях (Seminsky, 2012): ранней дизъюнктивной, поздней дизъюнктивной и стадии полного разрушения. На ранней дизъюнктивной стадии в разломной зоне наблюдаются лишь непротяженные разрывы, опережающие формирование основного разлома. Поздняя дизъюнктивная стадия характеризуется более протяженными разрывами – будущими сегментами магистрального сместителя разлома. Со стадией полного разрушения отождествляется формирование магистрального шва дизъюнктива. Таким образом, по результатам линеаментного анализа возможно не только картирование разрывных нарушений, но определение стадии развития наиболее крупных дизъюнктивов и оконтуривание зон их динамического влияния (Шерман и др., 1983). Последнее возможно путем дополнительных построений карт плотности линейных элементов, отождествляемых нами с разноранговыми разрывами, генетически связанными с образованием основного разлома (структурный парагенез).

Компьютерное дешифрирование

Этот вид анализа проведен с использованием программного комплекса LESSA, возможности которого детально изложены в статьях (Златопольский, 2008, 2020) и монографии (Иванченко, Горбунова, 2015). Технология позволяет автоматизировано выделять малые линеаменты и анализировать их пространственное распределение. Малые линеаменты используются для построения протяженных линеаментов. Под линеаментами понимаются ориентированные линейные элементы изображения, связанные с неоднородностями ландшафта.

Данная технология применима для разных типов изображений, включая черно-белые космоснимки, цифровые модели рельефа, лидарные съемки и геофизические поля (тепловые, радиолокационные, магнитные). Главным достоинством формализованного дешифрирования является воспроизводимость результатов обработки изображений при повторении параметров работы программы. Основная методическая трудность – правильный подбор параметров, отвечающий, как структуре изображения, так и практическим целям исследования.

Основным инструментарием программного пакета LESSA являются протяженные линеаменты на разных порогах выраженности, поля общей плотности и отдельно по 8 основным направлениям, статистически достоверные линии вытянутости роз-диаграмм малых линеаментов (структурные линии). Применительно к объекту исследований – юго-западной части Прибайкалья были подобраны черно-белые космоснимки Landsat с генерализованным разрешением ~100 м и ЦМР, построенная на базе SRTM съемки с генерализованным разрешением ~90 м. Обработка космоснимков и ЦМР проводилась методом подбора порога выраженности, который наиболее полно отражает иерархическую соподчиненность выделяемых линейных структур региона. На выбранном, в нашем случае, высоком пороге выраженности > 150 выделены протяженные линеаменты, которые трассируют основные глубинные разломы, обычно совпадающие с результатами геологического картирования.

На более низких порогах выраженности линеаментный рисунок соотносится с разными типами и рангами разломов и может быть использован для построения роз-диаграмм по направлениям. Выделение 20 “старших” (наиболее выраженных в данном направлении) протяженных линеаментов по каждому из 8 направлений статистически уравновешивает все направления и искусственно подавляет преобладающую в пределах Байкальского рифта северо-восточную систему разломов. При анализе роз-диаграмм протяженных линеаментов мы использовали качественные, а не количественные сравнения с учетом особенностей методики LESSA, продемонстрированных на примере ЦМР этого района (Златопольский, 2020).

Для получения объективной картины геологического строения региона исследовались все поля плотности малых линеаментов, среди которых были выбраны характерные, геодинамически обусловленные поля плотности линеаментов северо-восточного и северо-западного направлений. При анализе роз-диаграмм устанавливается их вытянутость (вектор приведенной результирующей длины) в пределах заданного скользящего окна. Линии вытянутости, соединяющие соседние вектора, группируются в компактные прямолинейные или плавно изогнутые зоны разной ширины и протяженности. Полученные структурные линии часто могут быть интерпретированы как направления слоистости, зоны сгущения трещиноватости, локализации деформаций или другие виды неоднородности природной среды.

Оптимизация параметров интерактивного режима дешифрирования с использованием формализованного линеаментного анализа позволяет интерпретировать результаты в стандартных терминах строения геолого-геофизической среды. Программный комплекс LESSA обладает большой вариативностью параметров интерактивного выделения малых и протяженных линеаментов для решения геолого-геофизических задач, что обеспечивает повторяемость результатов и существенно сокращает время их получения.

Региональный уровень

Результаты визуального анализа линеаментов на ЦМР приведены на рис. 2, где хорошо видна различная выраженность данных структур в пределах границ Байкальского рифта и на сопредельной территории Сибирской платформы. Наиболее протяженные линеаменты соответствуют известным крупным разломам северо-западного крыла Байкальского рифта. Это Приморский разлом, который вместе с Тырганским образует Бугульдейско-Чернорудский грабен (см. рис. 2), протягивающийся от пос. Бугульдейка до залива Мухор оз. Байкал (Mats et al., 2007).

Рис. 2.

Результаты визуального линеаментного анализа ЦМР. Линеаменты, соответствующие разломам: 1 − Приморскому, 2 – Тырганскому, 3 – Жигаловскому, 4 – Предбайкальскому, 5 – Прихребтовому, 6 – Бугульдейскому, 7 – Ольхонскому.

Также хорошо выражен в рельефе Сибирской платформы крупный Жигаловский разлом. Эти и некоторые другие разломы региона (такие как Ольхонский, Бугульдейский) находятся на стадии сформированного магистрального сместителя. Линеаментный анализ позволил точнее закартировать и некоторые разломы, “переживающие” позднюю дизъюнктивную стадию развития, такие как Прихребтовый и Предбайкальский разломы, выраженные полосой линеаментов протяженностью первые десятки километров (см. рис. 2).

Ширина полосы может быть установлена путем оконтуривания линеаментов, образующих выявленную полосу, соответствующую зоне динамического влияния разломов. Однако, установление мощности зон этих разломов затруднительно. Более вероятно решение этой задачи при укрупнении масштаба исследования, которое позволяет картировать в пределах зон крупных разломов менее протяженные разрывы второго и последующих порядков. Такая задача решена на локальном уровне, что будет показано далее.

Компьютерный линеаментный анализ космоснимков на региональном уровне позволил получить следующие результаты (рис. 3). Так, на высоком пороге выраженности линеаментов >150 трассируются основные разломы, активные в плиоцен-четвертичное время (Лунина, 2016). Этим автором при визуальном дешифрировании использованы цифровые модели рельефа SRTM 90 м (Consortium for Spatial Information, 2004), космические снимки со спутников серии “Landsat” (Google Earth). Даже на мелкомасштабных космоснимках, находящихся в открытом доступе, уверенно выделяются такие крупные разломы как Жигаловский, Приморский, Ангаро-Бугульдейский, Ангарский и Предбайкальский. Некоторые из них характеризуются не единым сместителем, а протяженной полосой близкорасположенных малых линеаментов. Так, на схеме компьютерного дешифрирования космоснимка, система Предбайкальского прогиба выделяется сложнопостроенной протяженной зоной ЮЗ–СВ направления, согласной с простиранием прогиба. Вдоль долины реки Ангары тоже прослеживается сложнопостроенная зона, представленная протяженным субмеридиональным линеаментом и оперяющим линеаментом СЗ–ЮВ простирания (рис. 3, а).

Рис. 3.

Схемы формализованного дешифрирования с порогом выраженности линеаментов >150 (а) и >140 (б).

На схеме формализованного дешифрирования ЦМР с порогом выраженности линеаментов >140 субмеридиональная система протяженных линеаментов (рис. 3, б) соответствует границе мегалитосферных блоков, выделенной ранее как Трансазиатский линеамент 105° (Драгунов, 1965) и подтвержденной в настоящее время геофизическими данными (Гатинский и др., 2020).

Уменьшение порога выраженности линеаментов до >120 позволяет по тем же космоснимкам выделить больше линеаментов (рис. 4). В юго-восточной части территории, приуроченной к плечу Байкальского рифта, прослеживается система протяженных линеаментов ЮЗ–СВ простирания (рис. 4, а). На северо-западе выделяется решетчатый рисунок, характеризующий сеть разрывов Сибирской платформы. Различный линеаментный рисунок, по-видимому, отражает распространение деформаций в “тело” платформы со стороны подвижного пояса.

Рис. 4.

Схемы формализованного дешифрирования космоснимка (а) и ЦМР (б) с порогом выраженности линеаментов >120.

На розе-диаграмме (рис. 4, а вверху слева), отражающей статистическое распределение протяженных линеаментов, преобладает ЮЗ–СВ (байкальское) направление. Следующим по выраженности является субширотное направление, а субмеридиональное – подавлено. На ЦМР линеаменты трассируют более молодые преимущественно четвертичные линейные структуры, поскольку развитый эрозионный рельеф возник при и после разрушения миоценовой поверхности выравнивания (рис. 4, б). Преобладающее распространение получают протяженные линеаменты СВ и субмеридионального направлений. Ширина Предбайкальского прогиба увеличивается в направлении на СВ, что сопровождается развитием серии протяженных линеаментов СВ простирания. В западной части ЦМР отчетливо прослеживается система субмеридиональных протяженных линеаментов.

Роза-диаграмма, построенная для такой обширной территории, охватывающей как часть Сибирской платформы, так и значительную область подвижного пояса, отражает разновременные наложенные разрывные деформации. Для исключения деформаций, явно вызванных влиянием со стороны подвижного пояса, был применен имеющийся в программном комплексе LESSA инструментарий. Была построена схема автоматизированного дешифрирования космоснимка для 20 “старших” линеаментов по 8 направлениям (рис. 5). Таким образом, проявляются все направления, которые статистически значимо выражены на космоснимке. Результат такой операции отражен на общей розе-диаграмме (рис. 5, а вверху слева).

Рис. 5.

Схемы формализованного дешифрирования космоснимка (а) и ЦМР (б) для 20 “старших” линеаментов по 8 направлениям.

Необходимо отметить, что при данном подходе искусственного подавления преобладающего, доминирующего СВ и некоторых других направлений выделяются ортогональные системы протяженных линеаментов субширотного и субмеридионального направлений, что, вероятно, свидетельствует об их связи с более древней (доплиоценовой?) структурой региона. Кроме того, подавление доминирующего направления способствовало выявлению Сквозного линеамента (линеаментной зоны, состоящей из 3 субпараллельных линеаментов), прослеженного на северо-западном и юго-восточном побережьях оз. Байкал (рис. 5, а). Подобные дизъюнктивные структуры, ортогональные к основным разломам байкальского (северо-восточного) направления, охарактеризованы в работах (Хренов, 1971; Мац и др., 2001 и др.). Примененный нами инструментарий программного комплекса LESSA позволил проследить Сквозную линеаментную зону не только в окрестностях Байкальского рифта, но и на значительном удалении от него – в пределах Сибирской платформы и Забайкалья.

На ЦМР, обработанной по методу выделения 20 “старших” линеаментов, сохраняются все направления при уменьшении общего количества выделенных молодых линеаментов (рис. 5, б). Система субширотных протяженных линеаментов прослеживается в северной части рассматриваемой ЦМР, которая соответствует южной части Сибирской платформы. Эти структуры, по-видимому, являются более ранними, по сравнению с северо-восточными, обусловленными взаимодействием платформы и подвижного пояса.

По результатам цифровой обработки космоснимка наряду с протяженными линеаментами были выделены структурные линии (линии вытянутости роз-диаграмм малых линеаментов), часто представляющие собой линии неоднородности геологических свойств среды (зоны локализации деформаций, зоны сгущения трещиноватости и др.) (рис. 6).

Рис. 6.

Линии вытянутости роз-диаграмм (а), построенные на основе формализованного линеаментного анализа (Иванченко, Горбунова, 2021), и синтетическая схема иерархии зонно-блоковой структуры юго-запада Прибайкалья с учетом линеаментов, выделенных в работах (Семинский и др., 2012, черные линии; Лунина, 2016, белые линии – достоверные разломы, активные в плиоцен-четвертичное время, точечный пунктир – предполагаемые) (б).

Рисунок этих линий является производной как преобладающего направления малых линеаментов, так и их пространственного расположения, что соответствует зонно-блоковому строению рассматриваемого региона. Межблоковые зоны представлены сгущением структурных линий и основными протяженными линеаментами, выделяемыми на ЦМР (рис. 6. б). Сопоставление схемы иерархии зонно-блоковой структуры Прибайкалья (Семинский и др., 2012) с линиями вытянутости роз-диаграмм свидетельствует об их соотносительности. Наряду с отчетливо выраженным блоковым строением в пределах Онотского поднятия при компьютерном дешифрировании космоснимка прослеживаются различия во внутреннем строении блоков и межблоковых зон. Так, южное окончание Иркутского амфитеатра, характеризуется центробежным рисунком структурных линий, а территория к СВ от этого блока отличается наличием структурных линий ЮЗ–СВ направления, что, вероятно, связано со сменой простирания границы Сибирской платформы с СЗ (саянское) – Главный Саянский разлом на СВ (байкальское) – Приморский разлом и соответствующего воздействия со стороны подвижного пояса. При этом, на стыке саянского и байкальского направлений формируется субмеридиональная структура, выраженная соответствующей системой линеаментов (рис. 3) и ориентировкой линий вытянутости роз-диаграмм (рис. 6). Ширина сгущений структурных линий в целом сопоставима с мощностью межблоковых зон, установленной по результатам наземных геолого-геофизических исследований (Семинский и др., 2012). Однако для более точного определения этого параметра дизъюнктивов необходимо проводить анализ с использованием более детальных исходных материалов – космоснимков, ЦМР и топографических карт крупного масштаба.

Локальный уровень

В качестве примера информативности обработки космоснимков с использованием программного пакета LESSA для анализа геодинамической обстановки на локальном уровне выбран участок в районе Бугульдейского разломного узла, где в непосредственной близости расположены такие разломы как Приморский, Ольхонский, Прихребтовый, Бугульдейский, Куртунский (Черемных и др., 2018), и участок вдоль зоны Приморского разлома.

Первый участок приурочен к Бугульдейскому дизъюнктивному узлу (рис. 7, а). В его пределах прослежены протяженные линеаменты СВ простирания, соответствующие Байкальскому направлению, которое является приоритетным и отчетливо выражено на сводной розе-диаграмме (рис. 7, б вверху справа). Остальные направления протяженных линеаментов – субмеридиональное, субширотное и северо-западное имеют подчиненное значение и являются равноценными. Несмотря на некоторые отличия картины линеаментов, полученной при визуальном и компьютерном дешифрировании, результаты в целом подобны. Так, серия прослеженных протяженных линеаментов соответствует сетке известных разломов. Особенно показательна роза-диаграмма малых линеаментов участка (рис. 7, б внизу слева), которая хорошо совпадает с парагенезом сбросовой зоны, характерным для Обручевской системы разломов (Черемных и др., 2018).

Рис. 7.

Схема разломов в районе Бугульдейского дизъюнктивного узла (а) (Черемных и др., 2018) и cхема формализованного дешифрирования (б) с порогом выраженности линеаментов >150 (светлые линии), в том числе >170 (светлые линии с кружками) (б). 1 – разломные зоны (цифры в кружках): 1 – Ольхонская (Морская), 2 – Приморская (Бугульдейско-Чернорудский грабен), 3 – Прихребтовая, 4 – Бугульдейская, 5 – Куртунская; 2 – линеаменты, закартированные на основе анализа топографических карт масштаба 1 : 100 000 (а – хорошо выраженные в рельефе, б – слабо проявленные); 3 – линеаменты, закартированные при анализе топооснов масштаба 1 : 25 000 (а – хорошо выраженные, б – слабо проявленные).

Одновременно с этим выделяется ряд сквозных протяженных линеаментов, например, субширотный, субмеридиональный и по направлению СЗ–ЮВ (рис. 7, б), которые лишь фрагментарно прослежены на схеме разломов (рис. 7, а). Дополнительно по данным формализованного анализа в пределах седловины водораздела между реками Бугульдейка и Анга отмечен дизъюнктивный узел, который представлен взаимопересекающимися линеаментами трех направлений и соответствует участку древней палеодолины Пра-Манзурки (Мац и др., 2001).

Крупные разломные зоны характеризуются зоной динамического влияния (Шерман и др, 1983), ширина которой может быть установлена путем анализа распределения плотности малых линеаментов. На первом локальном участке такое исследование проведено на основе анализа плотности линеаментов, хорошо выраженных на топоосновах масштаба 1 : 25 000 (рис. 8). На схеме отчетливо прослеживаются Приморская и Ольхонская крупные разломные зоны, а также зона менее протяженного Бугульдейского разлома. Они выделяются цепочечными расположениями максимумов плотности линеаментов в пределах зон динамического влияния разломов. Контуры разломных зон на карте (см. рис. 8) проведены по границам локальных разрывов-линеаментов, параллельных и причленяющихся к магистральному сместителю разлома (Приморский, Ольхонский и Бугульдейский дизъюнктивы), либо образующих скопления различно ориентированных дислокаций (Прихребтовый и Куртунский разломы) (Черемных и др., 2018). Полученные таким образом контуры Приморской и Прихребтовой разломных зон корреспондируют с шириной межблоковых зон, полученной путем комплексного анализа геолого-геофизической информации вдоль профиля пос. Баяндай – мыс. Крестовский (Семинский и др., 2012).

Рис. 8.

Сопоставление плотности малых линеаментов с разломными зонами Бугульдейского узла. Цифры в кружках соответствуют разломным зонам на рис. 7.

В пределах второго участка, приуроченного к южной окраине Малого моря (рис. 9), было проведено исследование внутренней структуры Приморского разлома и прилегающей территории. Разлом отчетливо проявляется в виде уступа рельефа вдоль юго-восточного склона Приморского хребта, который в кайнозойский период развивался как сдвигосброс с преобладанием вертикальной компоненты смещения, азимут падения сместителя ~145°, угол ~70° (Денисенко, Лунина, 2020).

Рис. 9.

Схемы формализованного дешифрирования с порогом выраженности линеаментов >150 (а) и пространственного распределения плотностей малых линеаментов СЗ направления (б) (Сплошные белые линии на рис. 9, б – границы разломных зон, пунктирные – границы подзон. Номера в кружках – разломы: I – Приморский, II – Тырганский).

Характер рисунка линеаментов в пределах участка сильно отличается. Так, в СЗ части участка сеть линеаментов характеризуется наличием структур разного простирания, а в его ЮВ части наблюдается значительное преобладание разрывов СВ простирания (рис. 9, а). В целом, на розе-диаграмме простирания малых линеаментов преобладает ЮЗ-СВ направление (на рис. 9, а вверху справа).

В соответствии со схемой плотности малых линеаментов СВ направления Приморский разлом по простиранию характеризуется четковидным строением, определяемым чередованием различной плотности линеаментов (рис. 9, б). Такое строение, вероятно, свидетельствует о присутствии сдвиговой компоненты в новейшей кинематике разлома.

Отмеченный ранее решетчатый рисунок линеаментов, характерный для Сибирской платформы, отчетливо проявляется на СЗ исследуемой территории в поле плотности малых линеаментов. Одновременное исследование протяженных линеаментов со схемой плотности малых линейных элементов позволяет оконтурить Приморскую разломную зону, а также выделить в пределах этой зоны, охватывающей весь Бугульдейско-Чернорудский грабен (рис. 7, а), две подзоны, соответствующие Приморскому и Тырганскому разломам (рис. 9, б). Последнее, безусловно, связано с величиной окна, использованного при подсчете плотности линеаментов, что должно учитываться при проведении подобных исследований.

Дополнительно карты плотности позволяют установить специфику строения зон крупных разломов – выявить сегменты разломов, осложненные близко расположенными парагенетически связанными с ними мелкими разрывами. Окончание зоны Тырганского разлома на северо-востоке участка исследований ограничено акваторией залива Мухор озера Байкал.

Таким образом, исследования, проведенные на двух масштабных уровнях, позволили откартировать Сквозной линеамент, подтвердить существование Субмеридиональной зоны линеаментов вдоль западной границы территории исследований, а также изучить некоторые характеристики известных разломных зон Прибайкалья – Предбайкальской, Прихребтовой и Приморской. Проведенный анализ позволяет как собственно картировать линейные элементы рельефа, так и, для вновь выявленных линеаментов и известных разломных зон, получать новые данные о длине, ширине, стадии развития и внутренней структуре.