Введение к работе
Актуальность проблемы. Спутниковые методы для исследования сейсмической активности Земли стали применяться почти сразу с появлением данных дистанционного зондирования из космоса. В первую очередь это были структурно-геологические исследования. По космическим фотоснимкам выделялись активные современные, а также палео- разломы и структуры. У этого метода есть принципиальный недостаток - невозможно наблюдать короткоживущие динамические процессы, связанные с подготовкой и реализацией землетрясения. С другой стороны, один из важнейших геофизических методов - геотермия - давно и успешно применялся для исследования землетрясений. Но классической геотермии присущ другой недостаток - в его распоряжении есть только точечные измерения в ограниченном количестве скважин и наземных пунктов. Разрешить эту проблему был призван дистанционный геотермический метод - аэрокосмическая тепловая инфракрасная съёмка. С появлением аэро и космической тепловой инфракрасной съёмки была реализована возможность регистрации температурного поля земной поверхности на больших площадях. Создание космических тепловых инфракрасных систем позволило осуществить регистрацию температурного поля в глобальном и региональном масштабе с высокой периодичностью, высоким пространственным разрешением и радиометрической точностью. Это открыло принципиально новые возможности изучения температурного поля, исследования ранее неизвестных явлений и процессов на земной поверхности и в её недрах. В полной мере это относится к исследованию сейсмической активности Земли.
Технические средства тепловой аэрокосмической съёмки - сканирующие инфракрасные тепловые радиометры выдают информацию с высоким пространственным разрешением в виде изображения (снимка) - форме, которая присуща известным методам аэрокосмической фотосъёмки и ранее была совершенно нехарактерна для геофизики. Поэтому возникают задачи не только геофизической интерпретации тепловых изображений, но и задачи, связанные с геометрической, радиометрической и атмосферной коррекцией изображений, законами формирования изображения оптико-электронными сканерами.
Эти общие положения легли в основу исследований в направлении развития тепловой аэрокосмической съёмки в Лаборатории аэрометодов (ныне НИИКосмогеологических методов) под руководством лауреата Государственной премии д.г.-м.н. Б.В.Шилина. Одна из задач развития аэрокосмической съёмки при исследовании землетрясений - изучение связи аномалий температурного поля с региональным геологическим строением, которое было поручено соискателю во время его пребывания в аспирантуре Лаборатории аэрометодов в 1985-1988 гг. К
середине 80-х решение этой задачи оказалось реальным благодаря существованию спутниковых систем AVHRR/NOAA с тепловыми ИК каналами и центров приёма и хранения космической информации, архивирующих данные ежедневных съёмок всей земной поверхности в дневное и ночной время. Автором в коллективе сотрудников Лаборатории аэрометодов и Института физики Земли было открыто явление формирования аномалий уходящего ИК излучения -индикаторов сейсмической активности в регионах повышенной сейсмической активности (Горный, Сальман, Тронин, Шилин, 1988). Настоящая работа является продолжением и обобщением этих исследований, проводимых автором в течение 25 лет.
В последнее время отмечаются серьёзные трудности в изучении сейсмических процессов. С одной стороны они связаны с высокой стоимостью организации широкой сети наземных наблюдений. С другой стороны, в сейсмическом процессе участвуют значительные объёмы горных пород, что приводит к мозаичному распределению предвестников землетрясения, иногда на значительном удалении от эпицентра. Недостаток информации о механизмах генерации землетрясений и распределении предвестников не позволяет разместить сеть наблюдений рационально. Из-за высокой неоднородности проявления предвестников соседние станции наземных наблюдений зачастую дают несопоставимые результаты. В такой ситуации становится особенно актуально использование дистанционных методов исследований, позволяющих быстро и регулярно производить съёмки обширных территорий. Развитие спутниковых методов исследований земной поверхности позволяет создать систему глобального мониторинга сейсмической активности в режиме реального времени.
Цель и задачи диссертационной работы. Основная цель исследования - разработка дистанционного метода исследования сейсмической активности Земли с помощью космической тепловой съёмки.
Исходя из поставленной цели были сформулированы задачи исследований:
-
Разработка физических основ применения космической тепловой съёмки для изучения сейсмической активности. Выявление круга процессов на земной поверхности, доступных для регистрации методом космической тепловой съёмки.
-
Разработка методики обработки (геометрической, радиометрической и атмосферной коррекцией изображений) данных космической тепловой съёмки для исследования сейсмической активности Земли.
-
Разработка методики геофизической интерпретации данных космической тепловой съёмки при исследовании сейсмической активности Земли.
4) Анализ долговременных рядов данных космической тепловой съёмки на различные
сейсмически активные регионы.
-
Определение характера связи сейсмической активности и тепловых процессов на земной поверхности. Выявление природы тепловых аномалий, сопровождающих землетрясения.
-
Анализ современных методов изучения сейсмической активности из космоса. Разработка рекомендаций для развития спутникового мониторинга землетрясений. Определение технических средств, необходимых при использовании космической тепловой съёмки для изучения землетрясений. Определить место аэрокосмической тепловой съёмки в круге дистанционных методов для изучения сейсмической активности.
7) Создание каталога термальных и атмосферных явлений на земной поверхности при
землетрясениях.
Направление и методы исследований. Для достижения главной цели работы исследования развивались в нескольких основных направлениях:
-
Анализ современных и исторических сейсмологических каталогов с целью определения круга процессов на земной поверхности, которые могут быть зафиксированы средствами космической тепловой съёмки. Выявлялись метеорологические, гидрогеологические, геотермальные и другие процессы на земной поверхности, связанные с землетрясениями. По сейсмическим каталогам устанавливалась магнитуда, глубина и географические координаты сейсмических событий. Полученные обширные данные систематизировались в каталог термальных и атмосферных явлений на земной поверхности при землетрясениях.
-
Разработка методов обработки и интерпретации данных космической тепловой съёмки для исследования землетрясений. Методика работ по анализу космических тепловых снимков была одинакова для всех регионов, кроме Средней Азии. Исследования в Средней Азии выполнялись в 80-х годах (в «доцифровую» эру), когда архивы цифровых изображений были недоступны и снимки в архивах хранились только в виде отпечатков. Поэтому и дешифрирование снимков проводилось с использованием методов визуального дешифрирования. Для остальных регионов методика обработки материалов космической тепловой съёмки заключалась в выборе данных (спутниковой системы), их поиске в архиве, заказе информации, её получении, предварительной и тематической обработке.
После получения исходных спутниковых данных необходима их предварительная обработка. Она включает в себя калибровку, радиометрическую, атмосферную и геометрическую коррекцию. После этого восстанавливается радиометрическая температура поверхности в спектральных каналах. Калибровка и радиометрическая коррекция выполняется
по стандартным алгоритмам для каждого спутника в отдельности. Затем выполняется атмосферная коррекция и восстанавливается термодинамическая температура поверхности.
Далее производится геометрическая коррекция данных. Для спутников серии NOAA обычно она выполняется в два этапа: первый - коррекция по орбитальным данным -устраняются искажения изображения за кривизну земной поверхности, наклонение орбиты и вращение Земли; второй - точная коррекция для привязки изображения к карте, выполняется трансформация изображения по опорным точкам. В современных спутниковых системах, таких как EOS, геометрическая коррекция выполняется проще. Исходные данные содержат достаточно геодезической информации для точной геометрической коррекции. Автором совместно с коллегами разработано программное обеспечение для чтения исходных данных NOAA, выделения спектральных каналов из записи, геометрической, радиометрической и атмосферной коррекции спутниковых данных.
Таким образом, в результате выполнения всех предварительных коррекций создаётся карта температуры земной поверхности на момент пролёта спутника или за какой-то временной интервал осреднения, например, за одну неделю. Водные поверхности и облака маскировались и не участвовали в дальнейшей обработке.
Тематическая геофизическая обработка снимков заключается в выделении на изображении тепловых аномалий, расчете их площади и температуры. Для этого производится предварительный анализ тектонической и сейсмологической ситуации в регионе, выявляются основные сейсмогенные и геотермически активные структуры региона. Для каждого снимка рассчитывались статистические параметры фона и аномалии над различными геологическими структурами. В результате статистического анализа рассчитывалась площадь тепловой аномалии и её средняя температура. Площадь и температура аномалии регистрировались в каталоге тепловых аномалий для построения графиков изменения этих параметров во времени для совместного анализа с сейсмологическими данными. Для обработки цифровых спутниковых данных использовалось как собственное программное обеспечение автора и коллег, так и стандартные пакеты обработки изображений ERDAS Imagine и PCI.
3) Исследования природы тепловых аномалий на земной поверхности в сейсмических процессах. Для изучения природы аномалий был выполнен комплекс модельных и полевых экспериментальных исследований. Модельные расчёты были выполнены на крупной тепловой аномалии над Каратауским разломом и Каракумами в Средней Азии. Методика расчета заключается в анализе данных многократной космической тепловой съёмки участка земной поверхности в течение суток. По спутниковым данным восстанавливается суточный ход температуры и альбедо земной поверхности. Затем собираются наземные метеорологические данные и формируются уравнения теплового баланса для решения обратной геофизической
задачи. Результатом решения являются три тепловых потока: поток, создаваемый суточным тепловым ритмом, тепловой поток на испарение, геотермальный конвективный поток. Затем эти потоки пересчитываются соответственно в тепловую инерцию, скорость испарения и конвективный геотермальный поток. Анализ этих физических величин и характер их распределения в пространстве и во времени позволяет сделать выводы о природе тепловых аномалий.
Полевые исследования были проведены на Предкопетдагском разломе, на Ашхабадском сейсмологическом полигоне. Наблюдения проводились вкрест простирания одной из ветвей разлома. Они включали комплекс тепловой автомобильной съёмки, отбор проб грунта для определения влажности и измерения газового состава (углекислый газ) почвенного воздуха. На этом же профиле Институтом сейсмологии Туркменской ССР проводились измерения радона и температуры грунта на глубине 1.5 м. Результаты исследований позволили подтвердить высказанную ранее гипотезу о природе тепловых аномалий над зонами разломов.
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность научных положений и выводов базируется на:
Глубокой изученности вопроса. Каталог термальных и атмосферных явлений при землетрясениях содержит описание 1507 событий, что позволяет сделать достоверные статистические оценки, а его библиография насчитывает 125 источников, в том числе редких.
Обширном экспериментальном материале и наблюдениях, которые проводились по 12 сейсмоопасным регионам мира в различных климатических, географических, геологических и сейсмологических условиях. Всего исследовано более 100 землетрясений, обработано более 12000 тепловых снимков, из них более 1500 изображений прошло тематическую обработку. Только для региона Средней Азии временной ряд составляет 7 лет.
Материалах разнообразных спутниковых систем (NOAA, EOS, Landsat) и опирается на современные количественные цифровые методы и алгоритмы обработки данных дистанционного зондирования.
- Результатах полевых экспериментальных исследований, результатов моделирования и данных
метеорологических наблюдений на стандартной сети метеостанций.
- Многочисленных примерах анализа тепловых аномалий при исследовании сейсмической
активности по данным космической тепловой съёмки в различных регионах мира
независимыми исследованиями специалистов в области дистанционных методов и
сейсмологии.
Защищаемые положения.
1) В сейсмических зонах мира (Средиземноморская, Центральноазиатская, Тихоокеанская)
возникают закономерно расположенные и повторяющиеся тепловые аномалии - индикаторы
сейсмической активности. На количественном уровне установлена статистически значимая
связь аномалий с сейсмической активностью.
-
Тепловые аномалии - индикаторы сейсмической активности возникают над зонами крупных разломов, сопровождают только коровые землетрясения и развиваются за 1-2 недели до толчка. В зонах тепловых аномалий выявлено синхронное изменение температуры и влажности почвы и воздуха, дебита и температуры воды в скважинах.
-
Основным механизмом образования тепловых аномалий является повышение влажности поверхности почвы из-за гидродинамических процессов, возникающих в сейсмическом цикле. Повышение влажности почвы ведет к формированию положительной в ночное время суток и отрицательной в дневное время аномалии температуры поверхности почвы, повышению влажности приземного слоя воздуха.
-
Космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом изучения сейсмической активности по тепловым эффектам на земной поверхности, связанным с землетрясениями.
Научная новизна.
1) Открыто неизвестное ранее явление формирования тепловых аномалий - индикаторов
сейсмической активности.
-
Показано, что анализ динамики геотермального поля поверхности Земли даёт новую информацию о геологических процессах в земной коре.
-
Составлен каталог атмосферных явлений при землетрясениях, содержащий описание 1507 событий. Систематически проанализированы разнообразные атмосферные процессы, происходящие при землетрясениях. Показано, что в связи с сейсмической активностью изменяется температура почвы и воздуха, влажность почвы и воздуха. Эти изменения происходят в различных географических регионах и геологических ситуациях. Продемонстрировано, что атмосферные явления перед землетрясениями относятся к краткосрочным предвестникам.
-
Разработаны методики обработки и геофизической интерпретации данных космической тепловой съёмки при исследовании сейсмической активности.
-
Проанализированы материалы космической тепловой съёмки на различные сейсмические регионы во всём мире с целью поиска тепловых аномалий, сопровождающих землетрясения.
Показана идентичность процессов формирования тепловых аномалий сопровождающих землетрясения во всех регионах.
6) В качестве механизма формирования тепловых аномалий впервые показана роль изменения
влажности почвы из-за гидродинамических процессов в сейсмическом цикле на процесс
формирования тепловых аномалий - индикаторов сейсмической активности.
7) Показано, что космическая тепловая съёмка является эффективным инструментом для
исследования землетрясений. Определено место аэрокосмической тепловой съёмки в круге
дистанционных методов, способных регистрировать различные явления на земной поверхности
и в атмосфере, связанные с сейсмической активностью. Разработаны предложения по системе
спутникового мониторинга сейсмической активности.
Апробация работы и реализация результатов. По теме диссертационной работы опубликовано 36 статей, докладов, отчётов с 1988 по 2006 гг. в отечественных и международных журналах рецензируемых журналах, докладах конференций.
Результаты исследований были доложены на многочисленных международных и отечественных конференциях, например: Тепловое поле земли и методы его изучения, Москва, 17-20 июня, 2002; International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2000, Honolulu, 24-29 July, 2000; Western Pacific Geophysics Meeting, Tokyo, 27-30 June, 2000.
В рамках ЮНЕСКО в 2001 г. создана рабочая группа «Integrated Global Observing Strategy (IGOS) - GEOHAZARD» по применению космических методов для контроля за геоопасностями и выработке рекомендаций для дальнейшего развития. Автор руководил направлением применения космической тепловой съёмки для изучения сейсмических явлений. Результаты исследований приняты для внедрения в рамках глобального проекта ЮНЕСКО «IGOS GEOHAZARD».
По результатам XI ежегодного совещания Совместной российско-американской рабочей группы "Науки о Земле" (Вашингтон, 23-26 апреля 2001 г.) в разделе "Твёрдая оболочка Земли: предвестники землетрясений" предложено следующее: "Интерпретация электромагнитных и тепловых аномалий в качестве предвестников землетрясений - предмет, вызывающий значительный интерес и споры в научном сообществе. Подгруппа рекомендует уделить больше внимания оценке достоверности и воспроизводимости этих экспериментальных данных" (Лавёров, Ведешин, 2002).
В Системном проекте по развитию Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений указано на необходимость наблюдения за
предвестниками разрушительных землетрясений в околоземном пространстве, атмосфере и на земной поверхности (Системный..., 1995).
Результаты исследований автора получили широкое международное признание. В настоящее время исследования по анализу тепловых аномалий как части проблемы лито-атмосферных связей при землетрясениях проводятся в Университете Базиликата (Италия), нескольких научно-исследовательских институтах и университетах Китая. В Китае был создан специальный "Спутниковый прогностический центр для природных катастроф" (Zhu Yilin, 1998), который широко использует разработки автора. По утверждению китайских коллег им удалось спрогнозировать более 100 землетрясений с 1990 по 2000 гг. (Qiang, Du, 2001). В настоящее время автор участвует в апробации метода прогноза землетрясений по данным тепловой космической съёмки. Отдельные исследования проведены автором в Испании, Греции, Японском космическом агентстве NASDA (Tronin, 2000). Развиваются космические тепловые методы изучения землетрясений и в научно-исследовательских центрах NASA им. Годдарта и им. Эймса (Zandonella, 2001, Ouzounov, Freund, 2001, Ouzounov, 2003).
В рамках Российско-индийской объединенной долгосрочной программы научно-технического сотрудничества (ILTP) между Российской академией наук и Министерством науки и технологий Индии с 2008 г. автор руководит совместным проектом "Использование космической тепловой съёмки для изучения предвестников землетрясений".
Результаты исследований послужили основой для разработки аппаратуры для установки на спутники, предназначенные для прогноза землетрясений. Такие разработки ведутся в России, США, Китае (Qiang и др., 2000, Malik, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 (на 25.01.2010) работ в отечественных и зарубежных журналах. Приоритетная публикация была сделана в 1988 г. в Докладах АН СССР (Горный, Сальман, Тронин, Шилин, 1988). В настоящее время в публикации находится несколько работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и трёх приложений. В диссертации 188 страниц, в Приложении 1 «Каталог термальных и атмосферных явлений при землетрясениях» - 246, Приложении 2 - «Каталог тепловых аномалий в Средней Азии» - 54, и Приложении 3 - «Лито-атмосферные связи в историческом аспекте» - 32 страницы. В диссертации 94 иллюстраций, 30 таблиц, 205 использованных источников.
![Клинико-диагностическое значение исследования активности энзимов гуаниловой ветви пуринового метаболизма у больных анкилозирующим спондилоартритом [Электронный ресурс]](/i/i/4362/184008.png "Клинико-диагностическое значение исследования активности энзимов гуаниловой ветви пуринового метаболизма у больных анкилозирующим спондилоартритом [Электронный ресурс] Кузнецов Владимир Иванович")
