Спутниковые технологии для сейсмостанций

Чтобы изучить современные движения земной коры, ученые используют различные измерительные устройства. С недавнего времени в их арсенале – спутниковые технологии. Благодаря глобальным навигационным спутниковым системам (ГНСС), они получили дополнительные возможности для исследований. И все же ученые планируют использовать классические методы совместно с новейшими: так точность измерений деформационных процессов будет намного точнее.

Предпосылки для создания сейсмостанций в СССР

Массовое строительство атомных электростанций, сооружение гидроэлектростанций, трубопроводов для природных ископаемых и т.д., которое началось в Советском Союзе в 1960-х годах, потребовало проведения мониторинга СДЗК на прилегающих к возводимой инфраструктуре площади.

Исследователи из СССР наблюдали не только за поверхностными объектами, но и морскими глубинами. Так, месторождения нефти и газа под толщей морской воды, обычно находятся в зоне сейсмической активности. Бывает и так, что месторождения расположены на первый взгляд в сейсмически спокойном районе. Детальные исследования могут выявить неподалеку от, казалось бы, спокойного места грязевые вулканы, тектонические разломы и другие опасные зоны. К тому же землетрясения в два-три балла, которые нередки для «спокойных» районов и провоцируют оползни, могут серьезно повредить подведенную к месторождению инфраструктуру: кабели, добывающие платформы, трубопроводы и т.д. Еще один опасный фактор – это нарушение естественного тектонического равновесия в земной коре.

В Советском Союзе наряду со строительством указанных объектов решено было создать сеть из 50-ти геодинамических полигонов (ГДП). Именно здесь проводились различные измерения. Советские ученые уже в 1969 году создали карту СДЗК не только СССР, но и Восточной Европы, а также Монголии.

Классические методы и инструменты для мониторинга

Рассмотрим примеры организации мониторинга СДЗК на примере Камчатского полуострова. Советские ученые начали изучать СДЗК этой местности в 1970х гг. Для наблюдений были выбраны территории у действующих вулканов и наиболее вероятных эпицентров землетрясений, где были установлены ГДП.

Около обсерватории «Мишенная», исследователи организовали светодальномерный мониторинг СДЗК.

Для исследований были задействованы классические геодезические методы (трилатерация, нивелирование). Но к 1990 году возможности светодальномерного мониторинга были исчерпаны.

Накломеры и деформетры

К клачиескисм методам изучения СДЗК можно отнести инклинометры и деформографы, тензодатчики и др. В СССР с 1980-х гг., кроме традиционных наклономеров, используются скважинные наклономеры. Отметим, что наклономеры и деформаторы различных конструкторов отличаются друг от друга. Например, скважинный деформометр – это не извлекаемый трехкомпонентный датчик, который устанавливается на глубину нескольким метров. Современные наклономеры применяются на Камчатке с 2010 года. Сейчас их около десяти каждый из них может передавать информацию с задержкой до одного часа. Что касается отдаленных сейсмостанций, то их данные ученые могут получать на съемных носителях раз в неделю или ежеквартально.

Донные сейсмостанции

Из-за того, что прибрежные морские районы активно задействуют для ловли рыбы, добычи нефти и т.д., то возникает потребность в морских сейсмологических исследованиях. Сейсморазведка и сейсмический мониторинг– это основные инструменты для разведки запасов нефти и газа. Для разведки используют автономные донные самовсплывающие сейсмостанции, которые отличаются высокими чувствительностью и помехоустойчивостью, устойчивостью к неблагоприятным условиям на дне моря или океана. Как правило, такие устройства имеют малые вес и габариты, сравнительно легки в установке, хорошо сцепляются с грунтом, могут проработать долгое время от аккумулятора и т.д. Внутри сейсмостанций устанавливается управляющий компьютер, дисковое устройство, компас и т.д., а снаружи – гидрофон, гидроакустическая антенна, приспособления для установки станции в грунт и т.д.

Спутниковые технологии

ГНСС, в отличии от классических методов геодезии (линейно-угловые измерения, нивелирование), имеют несколько преимуществ:

• оперативность измерений;

• автоматизация и упрощение процесса мониторинга и измерений;

• больший охват территории.

Впервые ГНСС были задействованы для СДЗК в СССР в 1991 году. Тогда ученые из Института физики Земли РАН взяли на вооружение спутниковые технологии. Совместно с американскими исследованиями они начали совместные наблюдения на Кавказе. Затем российские ученые продолжили вести мониторинг самостоятельно.

Для исследования СДЗК ГНСС стали использоваться на Камчатке с 1995 года. Изначально использовалась американская GPS, а немного позже – ГЛОНАСС. Такое решение позволяет проводить мониторинг и исследование как в региональном, так и глобальном масштабе. Кроме сокращения стоимости исследований ученые добились меньшей погрешности в измерениях.

С помощью ГНСС ученые решают задачи по изучению СДЗК, факторов, предшествующих землетрясениям, постсейсмических деформаций, перемещения литосферных плит и т.д.

Как работают ГНСС-станции

Чтобы производить высокоточные ГНСС-измерения, используются двухчастотные приемники геодезического класса. Необходимым условием работы GPS-станции, входящей в сеть мониторинга СДЗК, является жесткая фиксация приемной антенны.

Геодезический пункт для GPS-наблюдений представляет собой сооружение из железобетона, которое погружается ниже, чем промерзает грунт. Высота выноса пилона над поверхностью должна исключать заметание антенны снегом. Пункт оборудуется геодезическим центром и системой принудительного центрирования, однозначно фиксирующей антенну в рабочем положении.

Такая сеть станций постоянных наблюдений, как правило, имеет автоматизированную систему сбора, передачи и архивирования информации.  Некоторые станции не задействованы и находятся в выключенном режиме. Их включат дистанционно только по необходимости, например, для получения детальной информации рядом с сейсмическими волнениями. Система не имеет технических ограничений для организации передачи данных в режиме реального времени.

Модернизация сейсмостанций

На Камчатке за четырнадцать лет наблюдений с использованием ГНСС зарегистрированы естественные передвижения сейсмостанций, причинами которой стали активный вулканизм и сильные сейсмические события. GPS и ГЛОНАСС стали основными инструментами для изучения СДЗК в этом регионе. ГНСС позволяют проводить мониторинг в оперативном режиме. Максимальная задержка по передаче данных от объекта может составлять до двух дней, поэтому ученые продолжают переводить исследования в режим высокочастотной односекундной регистрации.

Но ГНСС, наряду с простотой, несут и ряд сложностей. Например, крайняя сложность высокоточной обработки для целей геодинамики; отсутствие наглядности; меньшая, по сравнению с классическими методиками, точность на малых базах (до 10 км). Поэтому использование наклономеров продолжается. Там, где происходят активные вулканические процессы, ученые продолжают использовать светодальномеры-геодиметры, проводят повторное нивелирование.

В перспективе сейсмостанции в районе Камчатки ученые планируют оборудовать системами для обеспечения более длительного времени автономной работы и передачи данных. Это необходимо для более оперативного получения информации, ее обработки. Спутниковые сейсмостанции ан Камчатке, ввиду удаленности от населенных пунктов и отсутствия инфраструктуры, как правило, устанавливались вместе с метеостанциями.  

Будущее измерений

Ученые говорят, что ГНСС не сможет вытеснить классических методов непрерывного мониторинга деформационных процессов, а только лишь дополнит их. Так, при создании точек контроля и мониторинга, основанных на использовании ГНСС, дополнительно можно задействовать существующие геодезические пункты, что позволит существенно повысить точность измерений и результатов исследований.