Современное состояние геодезических работ на Ташкентском геодинамическом полигоне

АННОТАЦИЯ

В статье приводится роль геодезических измерений в определении  горизонтальных и вертикальными смещений земной коры на Ташкентском геодинамическом полигоне (ТГДП) как классическими методами, так и с помощью навигационных спутниковых систем. Значение скорости движения микроплит Ташкентской области анализируется в данной работе на основе классического нивелирования I класса. Кратко изложены способы обработки спутниковых измерений с использованием стандартного программного обеспечения Trimble Total Control. Отмечается необходимость редукции пунктов геодинамических полигонов (ГДП) к международной геодезической сети IGS  и Центрально-Азиатской геодинамической сети (CATS).

ABSTRACT

The article describes the role of geodetic measurements in determining the horizontal and vertical displacements of the earth's crust at the Tashkent geodynamic test site both by classical methods and by using navigation satellite systems. The value of the speed of movement of microplates in the Tashkent region is analyzed in this work on the basis of classical leveling of I order. The methods for processing satellite measurements using standard Trimble Total Control software are summarized. The necessity of reducing points of geodynamic polygons (GDS) to the international geodetic network IGS and the Central Asian Geodynamic Network (CATS) is noted.

Ключевые слова: ГДП, ГНСС, триангуляция, нивелирование, смещения.

Keywords: GTS, GNSS, triangulation, leveling, deformation.

Введение. С прогрессом современной техники, как лазерная локация ИСЗ, доплеровские измерения расстояний, радиоинтерферометрические наблюдения внегалактических радиоисточников, точность определения положений точек на земной поверхности достигла 1-3см, что можно интерпретировать строение модели  геоида и выявить характер деформационных изменений микроплит. Поскольку территория Узбекистана находится  на стыке трех глобальных и двух локальных плит, то возникает проблема определения величин подвижек тектонических плит, которые влияют на координаты геодезических пунктов[1]. Если же рассматривать высокоточные гравиметрические измерения аномалии силы тяжести, полученные с помощью современных электронных  баллистических  гравиметров, то учет этих сдвигов существенно оказывает влияние не только на геоцентрическую и референцную систему координат, но и на топоцентрические координаты пунктов. Однако любая новая технология имеет свои преимущества и недостатки, обусловленные влияниями внешних и  внутренних факторов, оказывающие действие на точность определения координат [2]. Влияние их пренебрежимо мало при классических   измерениях из-за устойчивости оптических инструментов к любым климатическим условиям. В таких случаях целесообразно использовать традиционные астрономо-геодезические измерения, основанные на высокоточных оптических инструментах.

Оптические методы определения локальных смещений земной поверхности стали использоваться в 1980-1990гг. на основе триангуляции и высокоточного нивелирования. Была разработана специальная инструкция по определению смещений и созданы кафедры, лаборатории, а также сформированы учебные курсы “Современное движение земной коры” в высших учебных заведениях [3]. Традиционные методы наблюдений дают базовую основу для исследования тектоники земной коры, но их слабым местом является невозможность иметь непрерывные данные о ходе процесса, требующее частые повторные измерения, что связано с затратами времени и труда. Это не всегда возможно при ограниченности времени и недостаточности финансирования, в результате можно узнать лишь осредненную картину событий между циклами измерений. Интерпретации сложных явлений на коротком интервале времени можно на основе данных радиотелескопов со сверхдлинной базой (РДСБ), лазерной локации ИСЗ [4].

Наземная лазерная локация ИСЗ внедрена в Узбекистане с 1979г. на территории Китабской международной широтной станции и измерительном комплексе высокогорной Майданакской обсерватории с целью определения параметров вращения Земли и определения глобальных геодинамических смещений [5]. Объектами наблюдений были геодезические спутники ЛАГЕОС-1, ERS-1, SPOT, TOPEX, GPS-35, ГЛОНАСС-65. Вышеперечисленные наземные спутниковые измерительные комплексы являются стационарными и решают не только позиционные задачи, но также и астрофизические проблемы, связанные с крупномасштабными явлениями. Поэтому целесообразно использовать современные мобильные приборы: электронные тахеометры, высокоточные нивелиры, наземные лазерные сканеры и геодезические приемники ГНСС, которые должны быть испытаны на специальных геодезических полигонах, расположенных в местах тектонических разломов. В [6,7] предложен проект геодинамического полигона Центральной Азии, основанный на IGS станциях и пунктах Центрально-Азиатской геодинамической сети (CATS). Современные ГДП по классу изучения тектонических движений могут быть локального характера [8], предназначенные для определения предвестников сильных землетрясений и обеспечения безопасности эксплуатации крупных промышленных сооружений.

Наблюдения и измерения. Ташкентский геодинамический полигон (ТГДП) создан после сильного ташкентского землетрясения 1966 года с целью исследования деформационных изменений [9]. Он охватывает территорию крупных промышленных городов Ташкент, Чирчик, Газалкент и ряд гидросооружений на реке Чирчик, расположенных на стыке горных хребтов, представляющих сложный рельеф, который образовался в результате неогеновых и нижнечетвертичных тектонических явлений (рис.1). Рельеф, на котором расположен полигон, неоднородный и сложный с геологической точки зрения, т.к. посередине протекает река Чирчик, а северная и южная часть граничит горными хребтами, где проходит Картжатауский разлом. Естественно, все эти объекты являются природного происхождения и оказывают влияние на стабильность геодезических пунктов, установленных на ТГДП. Процессы формирования тектонических структур и форм рельефа продолжаются в настоящее время.

Рисунок 1. Фрагмент топографической карты с границами Ташкентского ГДП

Для регистрации движения земной коры была построена геодезическая сеть, состоящая условно из трех частей, Ташкентской (12 пунктов), Каржатауской (11 пунктов) и Чарвакской (11 пунктов), совмещенные с действующими пунктами городской триангуляции 2 и 3 классов, установленные в 1954-1958гг. В этой сети 1969 - 1971гг. выполнялись угловые и линейные измерения с помощью оптических геодезических инструментов, результаты которых тщательно обработаны. Поскольку скорость смещения имеет незначительную величину, то принято решение выполнить повторные измерений в 1974-1975гг. [10,11].

Рисунок 2. Схема геодезической сети ТГДП

В целях изучения высотных изменений было проложены линии нивелирования 1-го класса: Ташкент-Чарвак, протяженностью около 100 км; по периметру Чарвакского водохранилища; Ташкент-сейсмостанция «Сукок»; в районе Каржатауского разлома. По всем этим линиям произведено классическое нивелирование I класса в два цикла(1969-1970, 1971-1972) с привязкой к пунктам государственной геодезической сети. Особую сложность представляли нивелирные линии, которые проходили по холмистой местности, т.к. приходилось закреплять значительное количество промежуточных точек. В последующие годы на полигоне продолжены геодезические исследования земной поверхности. Так, по результатам измерений в 1992-1993 гг. в северо-восточном пригороде Ташкента установлено опускание земной поверхности до 2,3 мм/год, а по 2000-2002 гг. - поднятие до 1,3 мм/год.

По мере внедрения новых технологий в 2008-2010 гг. специалистами Национального центра геодезии и картографии (НЦГК) на 31 пунктах плановых сетей выполнено 6 циклов наблюдений с использованием ГНСС. В процессе измерений были использованы существующие пункты триангуляции 1-4 классов и постоянно действующей GPS станции “TASH”, расположенной на территории Астрономического института АН РУз.

Центрирование и нивелирование спутниковых приёмников выполнено с точностью ±1 мм. Высота антенны над центрами пунктов измерялась специальными измерительными вехами (рулетками) из комплекта GPS-приёмников до и после завершения каждого сеанса. Синхронное включение обеспечивалось при помощи сотовой связи после расстановки всех приёмников, проверялось количество наблюдаемых спутников и текущее значение DOP. Обработка выполнена с использованием программного обеспечения Trimble Total Control, версия 2.73., как свободная с одним исходным пунктом NCGC. Координаты, принятые за исходные, получены путем осреднения координат пункта NCGC, вычисленных от пункта TASH в каждом цикле отдельно. Отклонение значений измерений на пунктах СГС-1 вызвано спецификой производства работ на пунктах геодинамических полигонов и направлено на повышение точности выполняемых работ. В качестве фиксированного пункта использован пункт NCGC, координаты которого вычислены от пунктов KIT3 (Китаб, Узбекистан), POL2 (Бишкек, Кыргызстан), NSSP (Ереван, Армения), MDVJ (Менделеево, Россия), входящие в глобальную сеть IGS.

Анализ и выводы. Анализ результатов вычислений показывает, что дисперсия планового положения находится в пределах допустимой и удовлетворяют требованиям геодезических измерений на пунктах геодинамических полигонов. Значение погрешности составляющих вектора получилась ±1.7 мм (x,y) и ± 5.7мм (h), а для пунктов сети ±7.0 мм и ±20.3мм соответственно. Вычисление горизонтальных смещений между циклами показало, что они совпадают с результатами, полученными по программе CATS в 1992-1998, т.е. скорость изменения достигает около 2-3см в год.  Вопрос о достаточной точности спутникового определения высот пунктов требует своей фактической проверки и систематического анализа с привлечением международных программных комплексов. В связи с этим предлагается организовать программу возобновления современных геодезических измерений, а именно, производить ежегодно два цикла ГНСС измерений и вести мониторинг динамики движения земной коры.

Заключение. Таким образом, можно сделать вывод о том, что использование ГНСС позволяет с достаточной точностью и оперативностью получить локальные горизонтальные сдвиги микроплит на коротком и длительном интервалах времени, а также обеспечить безопасность эксплуатации крупных промышленных объектов и сооружений на территории полигона. 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. Наиболее достоверные результаты изучения динамики движений локальных плит получаются на геодезических геодинамических полигонах. Это означает, что данный вид исследований необходимо продолжить и развивать не только на ТГДП, но и в наиболее сейсмоопасных районах Республики Узбекистан, применяя все современные методы измерений и используя накопленный опыт работы в области геодинамики. С учетом этого необходимо разработать проект геодезических работ и нормативно-техническую базу ТГДП.

Список литературы:
1. Уломов В.И. О роли горизонтальных тектонических движений в сейсмогеодинамике и прогнозе сейсмической опасности // Физика Земли. – 2004. – № 9. – С.14 – 30.
2. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. / К.М. Антонович. – М: Картгеоцентр, 2005.Т.1
3. Панкрушин В.К. Математическое моделирование и идентификация геодинамических систем. – Новосибирск: СГГА, 2002. – 424с.
4. Батраков, Ю.В. Использование ИСЗ для решения задач планетарной геодезии и геодинамики /Ю.В. Батраков/Изучение Земли как планеты методами астрономии, геодезии и геофизики: труды 1 Орловской конференции. - Киев. 1982. С.195–200.
5. Арсланов Р.А., Мирмахмудов Э.Р., Расулов А.А. О некоторых задачах в области космических исследований Узбекистане. Тезисы докладов. "Космические исследования, технологии и конверсия-II".Ташкент-1997, стр.15-17.
6. 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.
7. Мирмахмудов Э.Р. Определение геоцентрического смещения координат пунктов Центрально-Азиатской геодинамической сети Узбекистана // Научный журнал. 7 Universum. Москва, 2020. №73.С.26-29.
8. Машимов М. М. Геодинамические исследовательские проекты. Геодинамические исследования. М., 1996, стр. 25-30.
9. Райзман А.П. Исследование Ташкентского землетрясения 1966-1968 гг. геодезическим методом: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Москва, 1970. – 11с.
10. 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.). – Москва, 1968.
11. Корешков Н.А. О состоянии геодезических работ на Ташкентском, Фрунзенском и Душанбинском геодинамических полигонах. Поиски предвестников землетрясений на прогностических полигонах. Издательство «Наука», М., 1974 г.