Table of Contents

Спутниковая геодезия произвела революцию в том, как ученые наблюдают нашу планету, предлагая беспрецедентное окно в динамические процессы, формирующие поверхность Земли. Измеряя крохотные изменения формы планеты, гравитационного поля и ориентации с замечательной точностью, эта технология предоставляет данные, необходимые для отслеживания движений тектонических плит и понимания механики землетрясений. В отличие от традиционных наземных исследований, спутниковая геодезия обеспечивает непрерывное глобальное покрытие, позволяя исследователям контролировать даже самые отдаленные линии разломов и вулканические регионы в режиме реального времени. В этой статье исследуются принципы спутниковой геодезии, ее применение в тектонике плит и сейсмологии, и как эти измерения улучшают нашу способность прогнозировать и реагировать на сейсмические опасности.

Что такое спутниковая геодезия?

Спутниковая геодезия — наука об измерении геометрической формы Земли, ориентации в пространстве и гравитационного поля с помощью искусственных спутников. Она опирается на сеть наземных станций, орбитальных спутников и передовую обработку сигналов для определения положений и движений точек на поверхности Земли с точностью до миллиметра. Дисциплина охватывает несколько дополнительных методов, каждая из которых обладает уникальными сильными сторонами для изучения тектонических и сейсмических процессов.

Основные измерения, полученные с помощью спутниковой геодезии, включают:

  • Крустальная деформация — отслеживание горизонтальных и вертикальных смещений поверхности земли с течением времени.
  • Изменения гравитационного поля — обнаружение изменений в распределении массы, таких как движение магмы под вулканами или истощение грунтовых вод.
  • Параметры ориентации Земли — мониторинг небольших колебаний вращения Земли, вызванных крупными землетрясениями или массовым перераспределением.

Эти данные необходимы для уточнения моделей движения плит, оценки сейсмической опасности и понимания полного цикла поведения землетрясений от накопления интерсейсмического напряжения до козеисмического разрыва и постсейсмического расслабления.

Основные методы в спутниковой геодезии

Несколько спутниковых методов составляют основу современной геодезии. Наиболее широко используемыми для тектонических и сейсмических исследований являются глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), радар с интерферометрической синтетической апертурой (InSAR) и очень длинная базовая интерферометрия (VLBI). Каждая техника обеспечивает различные пространственные и временные разрешения, что делает их дополнительными инструментами для полной картины деформации Земли.

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS)

GNSS охватывает системы спутникового позиционирования, такие как GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (Европейский союз) и BeiDou (Китай). Сеть постоянных станций GNSS, часто называемых непрерывными GPS (cGPS), записывает сигналы со спутников для расчета положения станции в пределах нескольких миллиметров. Сравнивая позиции в течение месяцев с годами, геодезические ученые могут измерять медленные движения тектонических плит, как правило, 2-15 см в год, а также временные деформации, связанные с циклами землетрясений.

Например, данные ГНСС с Тихоокеанского северо-запада США выявили область интерсейсмического блокирования зоны субдукции Каскадия, где океаническая плита застряла против континентальной плиты, накапливая штамм, который в конечном итоге будет выпущен при сильном землетрясении.Подобные сети работают в Японии (GEONET с более чем 1300 станциями), на западе США (Обсерватория границы плит) и в Европе (EPOS-GNSS), обеспечивая мониторинг деформации в режиме реального времени.

Радар с интерферометрической синтетической апертурой (InSAR)

InSAR использует радиолокационные изображения, полученные со спутников (например, Sentinel-1, ALOS-2, TerraSAR-X), для измерения деформации земли на больших площадях. Сравнивая два или более радиолокационных изображения одной и той же области, сделанные в разное время, ученые могут создавать интерферограммы, которые показывают изменения расстояния между спутником и землей, с чувствительностью к смещениям в несколько сантиметров или меньше. InSAR предоставляет плотную пространственную карту деформации, выявляющую проскальзывание разломов, вулканическую инфляцию или дефляцию и оседание земли.

Основным преимуществом InSAR является его способность покрывать обширные, недоступные области, такие как Гималаи или Анды, где наземные станции GNSS редки. Однако она ограничена временной декорреляцией (изменения в рассеянии поверхности с течением времени) и атмосферными задержками, которые требуют передовых методов обработки, таких как методы стойкого рассеяния InSAR (PS-InSAR) или небольшие базовые подмножества (SBAS). Недавние спутниковые группировки с более коротким временем повтора (например, Sentinel-1A и -1B обеспечивают 6-дневное повторение в средних широтах) значительно улучшили способность InSAR захватывать быстрые деформационные события.

Очень длинная базовая интерферометрия (VLBI)

VLBI — радиоастрономическая техника, использующая глобальную сеть радиотелескопов для наблюдения за далекими квазарами. Измеряя крошечные различия во времени прибытия сигналов квазара на разных станциях, VLBI определяет положения этих станций с миллиметровой точностью и определяет небесную систему отсчета и земную систему отсчета. Хотя VLBI используется для локальной деформации коры меньше, чем GNSS или InSAR, он имеет решающее значение для связывания региональных геодезических сетей в согласованную глобальную систему, необходимую для понимания движений плит в течение длительных временных масштабов. VLBI также контролирует параметры ориентации Земли, которые изменяются после крупных землетрясений из-за массового перераспределения.

Тектоника плит через спутниковую геодезию

Тектоника плит — фундаментальная теория, объясняющая движение литосферы Земли, разделенной на несколько жёстких плит, которые плавают на вершине астеносферы.Эти плиты сходятся, расходятся или скользят мимо друг друга, управляя землетрясениями, вулканизмом и горообразованием.Спутниковая геодезия обеспечила прямые измерения движений плит, подтверждая и уточняя скорости и направления, предсказанные геологическими и палеомагнитными исследованиями.

До спутниковой геодезии скорость движения плит оценивалась от возраста дна океана и истории геомагнитных разворотов, которые давали средние движения в течение миллионов лет. Сети GNSS теперь записывают мгновенные движения в течение многих лет до десятилетий, показывая, что пластины движутся с относительно постоянными скоростями, но с тонкими вариациями, которые могут указывать на внутреннюю деформацию или связь на границах плит. Например, данные GNSS показывают, что Тихоокеанская плита движется на северо-запад относительно Североамериканской плиты примерно на 50 мм/год в южной Калифорнии, но движение по-разному размещено по системе разломов Сан-Андреас.

Виды границ плит и их деформационные подписи

Каждый тип границы плиты создает характерные модели деформации, которые может обнаружить спутниковая геодезия:

  • Дивергентные границы — Пластины раздвигаются, создавая новую океаническую кору.В Исландии, на Среднеатлантическом хребте, GNSS и InSAR показывают расширение со скоростью до 20 мм/год, сопровождаемое вулканической инфляцией и событиями открытия рифта.
  • Конвергентные границы — Плиты сталкиваются или один субдукт под другим. Зоны субдукции производят накопление упругого деформации, когда нисходящая пластина тащит находящуюся вниз и вниз. Сети GNSS в Японии, Чили и Каскадии захватывают классические интерсейсмические паттерны деформации: горизонтальное движение к траншеи и вертикальное оседание, обращенное во время землетрясений. Землетрясению Тохоку-оки 2011 года (M9.0) предшествовали десятилетия такого нарастания деформации, явно зафиксированного японской GEONET.
  • Трансформировать границы — Пластины скользят горизонтально мимо друг друга.Виновник разлома Сан-Андреас является ярким примером. Станции GNSS на противоположных сторонах показывают относительное движение параллельно разлому, причем центральная ползучая секция демонстрирует непрерывное скольжение (около 28 мм/год), в то время как заблокированные секции накапливают напряжение, которое выделяется при землетрясениях, таких как события 1906 Сан-Франциско и 1989 Лома-Приета.

Спутниковая геодезия также показала, что многие границы плит являются не простыми узкими зонами, а широкими деформирующими регионами, такими как зона столкновения Индия-Евразия, простирающаяся далеко в Тибет. GPS-измерения показывают, что около 40 мм / год сближения между Индией и Азией поглощается утолщением коры и боковой экструзией, с активными системами разломов по всему Тибетскому плато и горам Тянь-Шаня.

Мониторинг землетрясений с помощью спутниковой геодезии

Землетрясения происходят, когда накопленное упругое напряжение превышает силу пород по разлому, вызывая внезапное скольжение. Спутниковая геодезия фиксирует весь цикл землетрясения: медленное накопление напряжения (интерсейсмическое), внезапное разрушение (косейсмическое) и медленные последующие корректировки (постеизмическое, включая послескольжение и вязкоупругое расслабление). Этот всеобъемлющий взгляд имеет решающее значение для понимания физики землетрясений и улучшения оценки опасности.

Интерсейсмическая аккумуляция напряжения

Измеряя скорости поверхности между землетрясениями, геодезисты определяют, какие части разлома заблокированы и, следовательно, могут разорваться в будущих событиях. Модель межсейсмической деформации — градиент скорости по разлому — позволяет оценить глубину блокировки и скорость дефицита скольжения. Например, данные GNSS вдоль разлома Северной Анатолии в Турции показывают, что сегменты, которые не разорвались после крупного землетрясения, накапливают напряжение с постоянной скоростью, обеспечивая вероятности для будущих сейсмических разрывов. В 2023 году разрушительные землетрясения в Турции и Сирии произошли на таком разрыве, и геодезия после события в настоящее время используется для понимания процесса разрыва и запуска потенциала для соседних сегментов.

Козисмическое перемещение и модели скольжения по вине

Во время землетрясения земля движется внезапно. Станции ГНСС фиксируют постоянное смещение в течение секунд до минут, в то время как InSAR обеспечивает снимок деформации над регионом. Объединив эти данные, сейсмологи переворачивают для распределения проскальзывания на плоскости разлома, получая модели, которые показывают, где проскальзывание было наибольшим и как оно распространялось. Например, землетрясение 2010 M7.0 на Гаити было захвачено InSAR, показывая, что проскальзывание произошло на разломе, который не был нанесен на карту, пересматривая понимание сейсмической опасности в регионе.

Для землетрясения в Тохоку в 2011 году данные GNSS из японского массива GEONET зафиксировали до 5,3 метра горизонтального смещения на ближайших станциях и 1,2 метра оседания. InSAR с нескольких спутников (ALOS, Envisat) выявил широкую область подъема и оседания, охватывающую сотни километров, что согласуется с неглубоким разрывом, который проскользнул до 50 метров вблизи траншеи. Эти данные были ключом к показу того, что разрыв достиг всего пути к Японской впадине, вызвав массивное цунами.

Постсейсмическая деформация и афтершоковый прогноз

После крупного землетрясения кора продолжает деформироваться в течение месяцев-лет. Эта постсейсмическая деформация вызвана послескольжением по разлому (стабильное скольжение на глубину) и вязкоупругим расслаблением мантии. ГНСС и InSAR измеряют пространственную и временную эволюцию этого постсейсмического сигнала, помогая различать эти процессы. Понимание постсейсмической деформации важно для прогнозирования афтершоковых последовательностей, так как послескольжение может загружать смежные сегменты разлома и вызывать дальнейшие события.

Например, после землетрясения M8.8 Maule в Чили в 2010 году GPS-станции зафиксировали до 40 см постсейсмического смещения в первый год, причем характер деформации указывал на глубокое послескольжение, простирающееся до 60 км глубины. Эти данные улучшили модели интерфейса субдукции и помогли оценить вероятность крупных афтершоков, которые действительно произошли (в том числе событие M7.1 через две недели).

На пути к раннему предупреждению землетрясения

Хотя спутниковая геодезия пока недостаточно быстра для раннего предупреждения о землетрясениях в реальном времени (что требует от секунд до минут), она играет вспомогательную роль. GNSS может обнаруживать постоянное перемещение от крупных землетрясений и обеспечивать быстрые оценки магнитуд для систем предупреждения о цунами. Текущие системы раннего предупреждения полагаются на сейсмические сети, но изучается интеграция геодезических данных. Например, подход Geodetic First Motion использует данные GNSS в реальном времени для обнаружения начала движения разлома и прогнозирования интенсивности сотрясения до того, как сейсмические волны прибудут в населенные районы. В Японии система REGARD использует GNSS для оценки магнитуды для крупных землетрясений в течение 3-5 минут, улучшая предупреждения о цунами.

Сочетание плотных сетей GNSS, более быстрой обработки InSAR (например, с машинным обучением) и новых спутниковых созвездий (например, NISAR НАСА, Sentinel-1 следующего поколения ЕКА) приблизит геодезические данные к приложениям реального времени, потенциально позволяя получать более ранние и более точные предупреждения.

Тематические исследования: Спутниковая геодезия в действии

Землетрясение Тохоку-оки и цунами 2011 года

Землетрясение M9.0, обрушившееся на Японию 11 марта 2011 года, стало одним из самых хорошо зафиксированных событий в геодезической истории. Плотная сеть Японии GEONET (более 1200 станций GPS) зафиксировала козеизмические смещения по всему острову. InSAR от японского спутника ALOS предоставила карту деформации вдоль побережья и на шельфе. Эти данные показали, что разрыв проскользнул на 50 метров на мелководном отрезке вблизи траншеи, именно там, где исторические землетрясения не происходили на протяжении веков. Геодезические данные имели решающее значение для того, чтобы показать, что разрыв распространился на траншею, порождая разрушительное цунами. Последующий анализ с использованием временных рядов GNSS позволил ученым смоделировать межсейсмическое накопление штамма и постсейсмическую деформацию, улучшив понимание поведения зоны субдукции во всем мире.

Землетрясение в Горкхе в Непале в 2015 году

25 апреля 2015 года землетрясение M7.8 произошло в центральном Непале, в результате чего погибли почти 9000 человек. Данные InSAR и GPS из сети станций кампании и постоянных участков измеряли деформацию. Ударный толчок породил картину подъема (около 1 метра) в долине Катманду и оседания на юге, что согласуется с разрывом низкоугольной тяги. Постсейсмическая деформация, наблюдаемая в течение следующих лет, указала на затмение на Главном Гималайском рву, распространяющееся на восток и увеличивающееся напряжение на соседних сегментах разломов. Эти данные использовались для переоценки сейсмической опасности в Гималаях, где ожидаются большие землетрясения (M8+), но у нас ограниченные исторические записи.

Медленно проскальзывающие события и эпизодическое тремор

Спутниковая геодезия обнаружила новый класс деформации, называемый событиями медленного скольжения (SSE) или тихими землетрясениями - эпизоды скольжения разлома, которые высвобождают энергию в течение нескольких дней до нескольких месяцев, не создавая встряски. В зоне субдукции Каскадия GPS-станции регистрируют события медленного скольжения каждые 12-18 месяцев на глубине разлома. Эти события сопровождаются невулканическим тремором и теперь, как полагают, играют роль в загрузке мелкой заблокированной зоны, которая разрывается при больших землетрясениях. InSAR также обнаружил медленное скольжение в ползучем участке разлома Сан-Андреас и в зонах субдукции из Мексики в Новую Зеландию. Понимание SSE имеет решающее значение для прогнозирования землетрясений и для уточнения моделей трения разлома и передачи напряжения.

Будущие направления в спутниковой геодезии для тектоники и сейсмологии

Следующее десятилетие обещает значительные успехи в спутниковой геодезии, обусловленные новыми миссиями, улучшенными алгоритмами обработки и интеграцией данных с несколькими датчиками.

  • Миссия NASA-ISRO SAR (NISAR) — запланированная к запуску в 2024 году, NISAR будет обеспечивать глобальное покрытие InSAR каждые 12 дней на частотах L- и S-диапазона, что позволит обнаруживать деформацию в масштабах и частотах, которые никогда не были возможны. Это будет особенно ценно для мониторинга зон удаленной субдукции, вулканов и интерсейсмического штамма в плохо изученных регионах.
  • Copernicus Sentinel-1 Next Generation — продолжение ESA созвездия Sentinel-1 улучшит время повторного посещения и пространственное покрытие, поддерживая операционные приложения InSAR для мониторинга землетрясений и услуг по движению по суше.
  • Созвездия малых спутников (например, Capella Space, ICEYE) с радаром с синтетической апертурой могут обеспечивать ежедневное или суб-дневное время повторного посещения, позволяя в режиме реального времени контролировать деформацию во время и после землетрясений.
  • Машинное обучение и большие данные — Автоматизированная обработка обширных геодезических наборов данных (временные ряды GNSS, интерферограммы InSAR) с использованием глубокого обучения позволит быстро обнаружить аномальную деформацию, такую как медленное скольжение событий или предизвержение вулканических волнений.
  • Интеграция с сейсмическими и другими данными — Комбинированная инверсия геодезических, сейсмических и цунами данных обеспечивает более полные модели источников землетрясений, улучшая раннее предупреждение и оценку опасности. Растущая доступность платформ облачных вычислений (например, Amazon Web Services, Google Earth Engine) облегчает эти интегрированные анализы.

По мере того, как спутниковая геодезия будет развиваться, она станет еще более важным инструментом для понимания и смягчения рисков землетрясений и тектонических опасностей. Способность измерять каждую деформацию Земли, от медленного дрейфа континентов до внезапного появления разлома, дает ученым возможность улучшать модели прогнозирования, направлять строительные нормы и информировать общественную политику. Для сообществ, живущих вдоль активных границ плит, эти достижения приводят к лучшей готовности и потенциально спасают жизни.

Для дальнейшего чтения см. следующие ресурсы:

Таким образом, спутниковая геодезия обеспечивает точные, непрерывные и глобальные измерения, необходимые для продвижения нашего понимания тектоники плит и землетрясений. От миллиметрового отслеживания движений плит до детального картирования разрывов землетрясений и событий медленного скольжения, эта технология лежит в основе современной сейсмологии и смягчения рисков. По мере улучшения новых запусков спутников и методов обработки данных, идеи, полученные от спутниковой геодезии, будут только расти, предлагая более четкое представление о динамической Земле под нашими ногами.