Космический мониторинг геодинамики

31st International Symposium on Remote Sensing of Environment,
June 20-24, 2005, Saint Petersburg, Russian Federation
Космический мониторинг геодинамики сейсмоопасных территорий с
использованием метода линеаментного анализа
В.Бондур*, Л.Кузнецова
Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос»
105064, Москва, Гороховский переулок 4, Россия - vgbondur@online.ru
Abstract - Представлены результаты мониторинга
сейсмоопасных территорий с использованием метода
автоматизированного
линеаментного
анализа
космических изображений. Возможности применения
метода основаны на предположении о том, что
системы
линеаментов,
регистрируемые
на
космических изображениях, тесно связаны с
сейсмогенными нарушениями и реагируют на
изменение плана деформаций, которое обусловлено
изменением поля напряжений земной коры.
Для более точного определения места готовящегося
сейсмического события применен метод скользящего
окна, при котором производится более детальный
линеаментный анализ локальных фрагментов
космических изображений в районе предполагаемого
землетрясения. Приведены результаты выявления
эпицентральной зоны землетрясения, произошедшего
28 сентября 2004г. в районе г. Паркфилд, при
проведении оперативного мониторинга геодинамики
Центральной
и
Южной
Калифорнии
с
использованием изображений, полученных с борта
спутников TERRA и AQUA.
Ключевые
слова:
космический
мониторинг,
линеаментный анализ; предвестники землетрясений;
сейсмоопасные территории
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на высокий уровень развития современных
методов прогноза землетрясений и большие затраты,
вкладываемые в решение этой проблемы, эффективность
такого прогноза остается весьма низкой [Соболев Г.А.,
Пономарев А.В., 2003; Бондур, Зверев, 2005 а]. В связи с
этим актуальной задачей является поиск новых
предвестников
и
создание
теории
прогноза
землетрясений. Для решения этой задачи необходимы
разработка
эффективных
методов
мониторинга
предвестников землетрясений.
В настоящее время, наряду с традиционными методам
мониторинга,
используемыми
в
сейсмологии,
разрабатываются и внедряются новые методы, в том
числе, космические. Применение космических методов и
их сочетание с наземными позволяет существенно
повысить эффективность прогнозирования значительных
сейсмических событий. Одним из перспективных
космических методов мониторинга является метод
оперативного анализа геодинамики сейсмоопасных
территорий, основанный на регистрации изменчивости
систем линеаментов, выделяемых на спутниковых
изображениях, предложенный в работах
[Бондур,
Зверев, 2005 а,б,в].
Как правило, линеаменты образуют достаточно
выраженную сеть из нескольких доминирующих
направлений, хорошо согласующихся с планетарной
трещиноватостью. По протяженности линеаменты
разделяются
на
трансконтинентальные,
трансрегиональные,
региональные
и
локальные.
Выраженность их на космических изображениях
различна. Они формируют либо узкие четкие линии,
либо линейные зоны с внутренней структурой, либо
широкие (до первых сотен километров) пояса, состоящие
из протяженных линеаментных зон. Поэтому уровень
генерализации изображений имеет большое значение
при изучении линеаментов разных рангов и,
соответственно, глубины залегания [Бондур, Зверев,
2005 б]. Установлено, что чем ниже пространственное
разрешение космического изображения и выше уровень
генерализации, тем более глубинные структуры
отображаются на них. Поэтому для мониторинга
процессов, предваряющих землетрясение, целесообразно
использовать
изображения
с
пространственным
разрешением порядка первых сотен метров [Бондур,
Зверев, 2005 а,б]. Благодаря такой генерализации,
появляется возможность отслеживания динамики
широких линеаментных зон, соответствующих целым
системам разломов.
В настоящей работе рассматриваются результаты
практического применения предложенного метода
прогноза землетрясений, связанного с выявлением
динамики систем линеаментов по космическим
изображениям.
2. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ
КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
С июля по октябрь 2004г. проводился оперативный
мониторинг
геодинамических
предвестников
землетрясений в южной и центральной частях штата
Калифорния. Для этого проводилась оперативная
систематизация и обработка космических изображений,
полученных со спутников TERRA и AQUA с помощью
аппаратуры MODIS (спектральный диапазон 620 – 670
нм, пространственное разрешение 250 м). Для анализа
использовались только безоблачные изображения,
фрагменты которых точно попадали на исследуемый
регион.
Для автоматизированного линеаментного анализа
космических изображений использовалась специальная
компьютерная программа, представляющая собой
модификацию
программной
системы
LESSA
[Zlatopolsky,1997].
Так
как
пространственную
ориентацию линеаментных зон наиболее наглядно
иллюстрируют розы-диаграммы их направленности, то
были разработаны дополнительные программные
модули, позволяющие получать такие розы-диаграммы
при любом пороге выраженности линеаментов и с
высокой угловой дискретностью [Бондур, Зверев, 2005
а,б,в].
Проанализировав оперативную текущую сейсмическую
ситуацию в исследуемом сейсмоопасном регионе с
использованием фрагментов космических изображений
большого размера, осуществлялось сканирование
полных изображений окнами меньших размеров от
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, 2005
БОНДУР, КУЗНЕЦОВА
400×400 пикселей (100×100 км2) до 800×800 пикселей
(200×200 км2). В каждом таком окне проводился
автоматизированный линеаментный анализ.
Как установлено в работах [Бондур, Зверев, 2005 а, б, в],
при подготовке к землетрясениям возрастает количество
секущих и поперечных линеаментов, а после завершения
землетрясения их количество уменьшается. Это является
геодинамическим предвестником землетрясений. После
выявления таких предвестников в крупном окне это окно
уменьшалось до размеров, указанных выше 400 и
проводились детальные исследования локальных
участков. При использовании этой методики были
выявлены предвестники и определены эпицентральные
области крупных землетрясений, произошедших в
Центральной Калифорнии в сентябре 2004г. (18
сентября, M=5.5, М=5.4; 28 сентября 2004г., М=6.0
(район Паркфилд)). В настоящей работе в качестве
примера
приводятся
результаты
мониторинга
В работах [Бондур, Зверев, 2005 а, б, в] в результате
анализа полученных роз-диаграмм было выявлено, что
на всех обработанных изображениях основным
направлением линеаментов является направление с
северо-запада на юго-восток, что совпадает с
простиранием крупнейшего тектонического разлома
Сан-Андреас на территории Калифорнии. Этот разлом
длиной около 960 км представляет собой не одну
крупную трещину, а зону нарушений с множеством
ответвлений и является конвергентной границей
Тихоокеанской и Североамериканской литосферных
плит,
что
служит
причиной
повышенной
сейсмоопасности территории. Второе и третье
направления линеаментов по отношению к первому
направлению являются кососекущим
(косым) и
поперечным (секущим почти под прямым углом зону
сейсмического события, состоявшегося 28 сентября
2004г. в районе г.Паркфилд (магнитуда М=6.0).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА И ИХ АНАЛИЗ
На рис.1а в качестве примеров представлены 6 из
проанализированных серий космических изображений,
полученных со спутника TERRA 21, 24, 26, 28 сентября,
1 и 4 октября 2004 г. для исследуемого сейсмоопасного
региона [Бондур, Зверев, 2005 а,б]. На этом же рисунке
представлены:
- плотности линеаментов, соответствующие каждому
обработанному крупному фрагменту (400×400 км2)
космических изображений (рис.1б);
- розы диаграммы направленности линеаментов,
сформированные при обработке этих фрагментов
(рис.1в).
Сан-Андреас) соответственно. При этом на схемах
линеаментов и розах–диаграммах их направленности
отчетливо выражена закономерная картина: рост
количества и размеров секущих и поперечных
линеаментов перед началом землетрясения и их
уменьшения после его завершения [Бондур, Зверев, 2005
а, б, в].
Секущие линеаменты хорошо выражены на всех схемах
и диаграммах, приведенных на рис.1, кроме 21 сентября
и 4 октября 2004г. Максимальное выражение они имеют
на космическом изображении, полученном 26 сентября
2004 г., т.е. за 2 дня до толчка (магнитуда 6.0),
случившегося 28 сентября 2004 г.
Для более детального исследования геодинамических
предвестников землетрясения вблизи эпицентральной
зоны,
была
проведена
обработка
фрагментов
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, 2005
БОНДУР, КУЗНЕЦОВА
космических изображений меньшего размера с
использованием метода скользящего окна. При этом
каждое
исходное
космическое
изображение
подвергалось сканированию окнами 800×800 пикселей и
400×400 пикселей. Полученные таким образом
фрагменты покрывали практически всю исследуемую
сейсмоопасную территорию. Обработка фрагментов
таких
размеров
позволила
изучить
локальные
геодинамические
структуры,
расположенные
в
эпицентральной зоне и вокруг нее, а также выявить, как
изменяются системы линеаментов с удалением от
эпицентров сейсмических событий.
Ниже, в качестве примера, приведены результаты
линеаментного анализа фрагментов изображений,
размерами 200×200 км2, которые были получены на 21,
26, 28 сентября и 1 октября 2004 г. (см. рис.1). На рис.2.
на фоне тектонической карты Калифорнии представлены
пространственные
расположения
анализируемых
фрагментов космических изображений, полученных в
разные дни, а также розы-диаграммы направленности
линеаментов для этих фрагментов. На этих рисунках
сплошными линиями показаны границы фрагментов А,
B, C, D, E, F, пунктирами – дополнительные фрагменты
В1 и фрагменты большего размера (400×400 км2),
проанализированные при предварительной обработке
(рис.1). Эпицентр землетрясения, состоявшегося 28
сентября 2004 г. (Паркфилд), находился в центре
фрагмента В.
На полученных в результате приведенной детальной
обработки розах-диаграммах, как и в предыдущем
примере, было выявлено два основных направления
линеаментов: первое совпадает с простиранием разлома
Сан-Андреас (направление северо-запад – юго-восток),
второе является ортогональным направлению разлома
Сан-Андреас. Для всех приведенных сцен наибольшее
количество продольных линеаментов выявлено для
фрагмента В. Это вполне закономерно, т.к. разлом СанАндреас полностью пересекает эту часть исследуемой
территории. Для сцены, сформированной 21 сентября
2004 г. (за неделю до землетрясения) на всех фрагментах
выявлено наименьшее количество и продольных и
поперечных линеаментов. За два дня до землетрясения,
состоявшегося в районе Паркфилда (26 сентября 2004 г.)
и за три дня до другого землетрясения (М=5.0),
произошедшего 29 сентября 2004г. на 180 км юговосточнее исследуемого района (см. фрагменты В1 и С
на рис.2), для всех анализируемых участков наблюдался
рост общего количества линеаментов, а на фрагментах A,
С, E, F количество поперечных линеаментов превышает
количество продольных. Для изображения, полученного
28 сентября 2004 г.(рис.2в), примерно за 5 часов до
землетрясения в районе г.Паркфилд на фрагментах
A,В1,C,D,E,F наблюдается примерно та же картина,
однако количество поперечных линеаментов для
фрагмента В (эпицентр землетрясения) максимально.
1 октября 2004 г. (рис.2г) на всех фрагментах (кроме С)
уменьшается количество и продольных и поперечных
линеаментов. Для фрагмента С количество поперечных
линеаментов превышало количество продольных, так как
в его пределах находился эпицентр землетрясения с
магнитудой М=5.0, состоявшегося 29 сентября 2004 г.
Наибольшее количество поперечных линеаментов
выявляется для фрагментов В и С (вблизи эпицентров).
Аналогичные результаты получены и для фрагментов
меньшего размера (100×100 км2).
Использование
метода
скользящего
окна
для
линеаментного анализа космических изображений
позволяет более точно выявить местоположение
эпицентральной зоны готовящегося сейсмического
события.
Научно-методологическим обоснованием используемого
метода являются выявленные закономерности развития
сейсмогенных разрывов в результате геологогеофизических наблюдений и модель лавиннонеустойчивого трещинообразования [Соболев Г.А.,
Пономарев А.В., 2003]. Кинетическая концепция
прочности свидетельствует о том, что в любом твердом
материале, включая горные породы, под действием
длительно действующих напряжений происходит
постепенное накопление трещин. При статистически
равномерном распределении этих
трещин в
геологической среде и постепенном увеличении их числа
и размеров вследствие медленно возрастающих нагрузок
благоприятно расположенные трещины будут сливаться,
образуя трещины большого размера. После достижения
критической плотности этих трещин в результате взаимодействия полей напряжений близкорасположенных
трещин начинается лавинообразный процесс их
объединения. При этом постепенно формируется
относительно небольшое число длинных разрывов,
слияние которых в узкую зону и приводит к
макроразрушению горной породы (землетрясению).
Процесс трещинообразования состоит из 3-х стадий
[Соболев Г.А., Пономарев А.В., 2003]. На первой стадии
под действием медленно возрастающих тектонических
напряжений происходит постепенное накопление
трещин в объеме горных пород. При этом основное
развитие имеют трещины сдвига, хотя допускается и
образование отрывных трещин. С накоплением
критической плотности трещин среда вступает во
вторую стадию – стадию взаимодействия трещин.
Происходит резкое увеличение трещиноватости за счет
разрушения перемычек между трещинами и их сливания
в более крупные трещины. Скорость общей деформации
в горных породах возрастает ввиду вклада в деформацию
перемещений по берегам трещин. На этой стадии
происходит лавинное взаимодействие и объединение
трещин. На третьей стадии развивается неустойчивая
деформация, локализующаяся в узкой зоне будущего
макроразрыва, в которой продолжается ускоренное
трещинообразование. В окружающем же объеме породы
трещины вследствие частичной разгрузки перестают
развиваться, становятся неактивными и их присутствие
не сказывается уже столь сильно на физических
свойствах горной породы.
Таким образом, в процессе подготовки сильных
землетрясений происходит увеличение числа трещин и
стягивание их к плоскости будущего магистрального
разрыва. Это проявляется в увеличении числа
космического
изображения,
линеаментов
ориентированных вдоль главного разрыва, и приводит к
появлению
поперечнои
косонаправленных
линеаментов.
В целом выполненные исследования показали, что
линеаменты,
выявляемые
по
космическим
изображениям, являются средне- краткосрочными
предвестниками землетрясений. На базе предложенного
метода возможна организация постоянного оперативного
космического
мониторинга
сейсмоопасности
территории.
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, 2005
БОНДУР, КУЗНЕЦОВА
Рис. 2. Детальный линеаментный анализ фрагментов космических изображений для землетрясений 28 сентября
2004 г. (М=6.0) и 29 сентября 2004 г. (М=5.0)
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, 2005
БОНДУР, КУЗНЕЦОВА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
На основании проведенных исследований показано,
что автоматизированный линеаментный анализ
космических
изображений
обладает
большой
достоверностью, оперативностью и эффективностью
для геодинамического мониторинга сейсмоопасных
территорий.
Сейсмический
мониторинг,
осуществляемый на основе такого анализа, может
позволить прогнозировать не только время, но и
место землетрясения. Для этого
необходимо
исследовать всю сейсмоопасную зону по методу
скользящего
окна,
т.е.
дешифровать
взаимоперекрывающиеся
участки
(фрагменты
космических изображений) на всем протяжении
сейсмических разломов (типа Сан-Андреас).
Таким образом, предложенный метод изучения
динамики систем линеаментов по космическим
изображениям, совместно с другими методами,
может использоваться для оперативного мониторинга
сейсмоопасных территорий с целью исследования и
прогноза значительных сейсмических событий.
Бондур В.Г., Зверев А.Т. Космический метод
прогноза землетрясений на основе анализа динамики
систем линеаментов. Исследование Земли из космоса.
№3, 2005, 19 с.
Бондур В.Г., Зверев А.Т. Метод прогнозирования
землетрясений на основе линеаментного анализа
космических изображений. Доклады академии наук.
Том 402, №1, 2005, 8 с.
Бондур В.Г., Зверев А.Т. Метод прогнозирования
землетрясений по результатам линеаментного
анализа космических изображений. Изв. ВУЗов.
Геодезия и аэрофотосъемка. 2005,№1, с.76-83.
Соболев
Г.А.,
Пономарев
А.В.
Физика
землетрясений и предвестники. М. «Наука», 2003,
270с.
Zlatopolsky A. Description of texture orientation in
remote sensing data using computer program LESSA:
Computers& Geosciences, 1997, v.23, No.1, p. 45-62
Proceed. of 31st Int. Symp. on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, 2005