Определение геоцентрического смещения координат пунктов Центрально-Азиатской геодинамической сети Узбекистана

АННОТАЦИЯ

Классические методы определения деформации земной коры кратко описаны в этой статье. Необходимость создания локального геодинамического полигона для Республики Узбекистан подчеркивается в данной работе. Изложены результаты GPS измерений по международной программе CATS и вычислены годовые смещения координат геодинамических пунктов. Произведены ГНСС измерения одного из пунктов Центрально-Азиатской геодинамической сети. Выполнен дисперсионный анализ на основе GPS измерений и показан график зависимости координат от цикла наблюдений. Предлагается использовать комбинацию ГНСС  и сейсмологических измерений при исследовании смещений тектонических плит.

ABSTRACT

Classical methods for determining the deformation of the earth's crust are briefly described in this article. The need to create a local geodynamic polygon for the Republic of Uzbekistan is emphasized in this paper. The results of GPS measurements under the international CATS program are presented and annual shifts of coordinates of geodynamic points are calculated. GNSS measurements were made at one of the points of the Central Asian geodynamic network. A dispersion analysis based on GPS measurements was performed and a graph of the dependence of coordinates on the observation cycle was constructed. It is proposed to use a combination of GNSS and seismological measurements in the study of displacements of tectonic plates.

Ключевые слова: ГНСС, CATS, тектоника, деформация.

Keywords: GNSS, CATS, tectonics, deformation.

Введение. С прогрессом современной техники, как лазерная локация ИСЗ, доплеровские наблюдения спутников, радиоинтерферометрические наблюдения внегалактических радиоисточников, точность определения положений точек достигла 1-3мм. На таком уровне точности можно интерпретировать модель геоида Узбекистана и выявить характер деформаций плит, на которых расположены республики Центральной Азии (ЦА). Поскольку часть территории ЦА находится на стыке трех глобальных и двух локальных плит [1,2], то возникает проблема по определению величин подвижек тектонических плит, влияющих на координаты пунктов геодезической сети. Естественно, в настоящее время координатная сетка топографических карт деформировалась из-за этих смещений, хотя значения деформаций незначительны для мелкомасштабных топографических карт. Если же рассматривать высокоточные геодезические и гравиметрические измерения, то учет тектонических сдвигов существенно оказывает влияние на геоцентрическую и референцную систему координат. Решение этой проблемы тесно связано с разработкой единой системы координат не только для Узбекистана, но и для всей территории ЦА [3].

Методы измерений. Классические геодезические методы измерений дают основания для исследования деформации земной коры, но их слабое место – невозможность иметь непрерывные данные о ходе процесса. Они считались надежным способом распознавания вековых деформаций земной поверхности. Проводить частые повторные геодезические измерения настолько трудно, что фактически можно узнать лишь осредненную картину событий, происшедших за длительный период [4]. Для интерпретации сложных тектонических явлений нужны специальные геодезические полигоны, где должны выполняться высокоточные гравиметрические, геодезические и навигационные измерения.

Наиболее оптимальным и достоверным способом исследования локального перемещения микроплиты является создание геодинамических полигонов в окрестности тектонических разломов или построение ГНСС сети в сейсмоактивной зоне. Эти полигоны проектируются в соответствии с их назначением и условно подразделяют на прогностические и техногенные в зависимости от характера причин, которыми вызваны деформации наблюдаемой области. Деформации большинства тектонических плит определены с достаточной точностью. Для внутренних же областей с малым числом данных и низким деформационным шагом не было ответов на фундаментальные вопросы, какова протяженность малых деформаций и как с ее помощью описать движение большой плиты. Основная задача локальных полигонов – наблюдение за изменениями аномальных деформаций, которые могут являться предвестниками землетрясений, оползней и других явлений [5].

С внедрением спутниковых навигационных систем стало возможным более точно и оперативно определять скорости сдвига не только глобальных тектонических плит, но и локальных участков, что побудило организовать различные миссии по изучению гравитационного поля и тектоники плит. Одной из таких миссий была программа по изучению деформации Центрально-Азиатского региона (CATS), организованная центром изучения Земли г. Потсдам, Германия [6].

Анализ. Обычно координаты пунктов CATS сети получают в пространственной прямоугольной системе координат путем обработки исходных данных в RINEX формате относительно системы IRTF96 методом Гельмерта. Мониторинг координат пунктов позволил отслеживать сдвиг на высоком уровне точности. На коротком интервале времени, как 2 года, величина составляющих геоцентрического радиуса вектора пунктов этой сети достигает 4 сантиметров в год. Значение скаляра результирующего вектора вычислено в предположении о линейности тренда, т.е. был использован кинематический характер движения. При использовании повторных ГНСС измерений можно судить о динамике изменений координат пунктов, обусловленные короткопериодическими колебаниями гравитационного поля Земли [7]. На основе разности координат между циклами измерений была построена гистограмма, где по горизонтальной оси приведены условные обозначения пунктов, а по вертикальной оси – величина скорости результирующего вектора в мм/год для каждого пункта (рис.1).

Рисунок 1. Годовое смещение координат пунктов CATS сети на территории Республики Узбекистан

Анализ вычислений данных показал, что координаты всех пунктов CATS сети подвержены изменению с течением времени. К сожалению, после 2000года повторных GPS измерений на пунктах этой сети не производилось из-за отсутствия научно-технического договора между организациями GFZ (Германия) и научно-исследовательской лабораторией ОНИЛ (Узбекистан). Ввиду того, что с момента проведения миссии CATS прошло более 20 лет, то вопрос о сохранности геодинамических пунктов и повторных GPS измерений  является актуальным и своевременным. Поэтому первые тестовые вычисления некоторых пунктов этой сети произведены в Национальном университете Узбекистана, где в качестве исходных данных были использованы данные, полученные в 1992-1998гг, а также угловые скорости смещения тектонических плит. На рисунке 2 приведен один из пунктов этой сети с результатами вычисления скорости станции и азимута направления.

Рисунок 2. Карта расположения пункта №4 ALMA

В 2019 году произведены полевые ГНСС измерения геодинамического пункта CATS №4 ALMA вблизи Алмалыкского карьера с целью определения предварительных координат с использованием GNSS приемника Trimble R4. Существенным преимуществом применения ГНСС приемников является автоматизированная обработка результатов полевых измерений с возможностью экспорта в различные форматы данных. При анализе результатов измерений основное внимание уделялось влиянию внешних факторов на точность определения координат. Поскольку GPS измерения выполнены с ограниченным интервалом времени, то получить наиболее вероятное значение координат представляется сложным. Оценка средней квадратической ошибки координат выполнена с помощью формулы Бесселя при условии, что все измерения выполнены в одинаковых климатических условиях [8]. Дисперсию отклонений каждой серии измерений от среднего значения можно считать предельно допустимой и подчиняющей нормальному закону распределения Гаусса (рис.3). В результате получены прямоугольные координаты, а также высоты относительно Балтийской системы высот (БСВ) и среднего уровня моря (MSL): у=561664.331 ±0,073, х=4521852.171 ±0.086, Н=777.450 ±0.290.

Рисунок 3. Изменение координат №4:a - по оси Y;б – по оси X; в – по оси Н.

Из рисунка 3 видно, что результаты ГНСС измерений пункт №4 ALMA имеют стабильный ход при продолжительном приеме сигналов со спутников. Если исключить из серий наблюдений первые 3 цикла измерений, то значение координат будет более точным и корректным. Видимо, следует разработать методику ГНСС измерений для определенных физико-географических условий, хотя издано много пособий по методике GPS измерений.

Заключение. Таким образом, комбинация GPS и сейсмологических измерений даcт весомый вклад при исследовании вертикальных и горизонтальных движений микроплит на коротком и длительном интервалах времени. Установление связи между современными вертикальными движениями земной коры и тектоническими движениями прошлых геологических периодов имеет большое научное и практическое значение, так как позволяет не только раскрыть закономерности изменения земной коры, но и решить многие другие вопросы, связанные с тектоническими движениями. Благодаря применению навигационных приемников появилась возможность вносить коррективы в систему координат, которая должна быть довольно жесткой.

Список литературы:
1. Уломов В.И. О роли горизонтальных тектонических движений в сейсмогеодинамике и прогнозе сейсмической опасности/В.И. Уломов // Физика Земли. – 2004. – № 9. – С.14 - 30.
2. Корешков Н.А., Пискулин В.А., Райзман А.П.. Некоторые результаты геодезических исследований современных движений земной поверхности на геодинамических полигонах Узбекистана. Тезисы докладов VII Всесоюзного совещания по изучению современных движений земной коры. Львов, 16-21 мая 1977 г., кн.2, Москва, 1968 г.
3. Мирмахмудов Э.Р. О необходимости создания ГНСС полигона для республик Центральной Азии//Вестник науки и образования. Москва, 2020. №4 (86). Часть 1. С.108-111.
4. Панкрушин В.К. Математическое моделирование и идентификация геодинамических систем. – Новосибирск. – 2002. – 424с.
5. Райзман А.П. Исследование Ташкентского землетрясения 1966-1968 гг. геодезическим методом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, – М., 1970г.
6. Reighber Ch., Angermann D., Michel G., Klotz J., Galas R. & the CATS-Team. GPS constraints on the distribution of deformation of the Tien Shan, N–Pamirs and behavior of the Tarim. 14th Himalaya-Karakorum-Tibet Workshop. Terra Nostra, –1999. –127.
7. Molodensky S.M. On the connection between gravity variation and vertical placements of the Earth’s surface. Academy of Sciences of the USSR, Institute of Physics of the Earth. Preprint №4. Moscow, 1980, – 17p.
8. Большаков В.Д. Теория математической обработки геодезических измерений/В.Д. Большаков, П.А. Гайдаев. – М.:Недра,1977. – 368с.