Диссертации » Науки о Земле » Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Структурный анализ горизонтальных скоростей по данным GPS и характер современной деформации земной коры Центральной Азии
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Структурный анализ горизонтальных скоростей по данным GPS и характер современной деформации земной коры Центральной Азии"

На правах рукописи

КУЗИКОВ Сергей Иванович

структурный анализ горизонтальных скоростей

по данным ет« и

характер современной деформации земной коры центральной азии

Специальность 25 00 10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

--^^ои&ББ

Москва - 2007

003160565

Работа выполнена в Научной станции РАН в г Бишкеке (НС РАН)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Ш.А Мухамедиев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

ГМ Стеблов,

Защита диссертации состоится « 1» ноября 2007 г в 14— ч на заседании Диссертационного совета К002 001.01 в Институте физики Земли имени О Ю Шмидта Российской Академии Наук (ИФЗ РАН) по адресу 123995, г. Москва, ул Б Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН

Автореферат разослан «30» сентября 2007 г

доктор геолого-минералогических наук Ю.К Щукин.

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт геологических, геофизических и геохимических систем, МПР.

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор физ -мат. наук АД Завьялов

© Научная станция РАН в г. Бишкеке, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Обоснование темы и ее актуальность. Уже длительное время наибольшие споры в геодинамике вызывает характер деформирования континентальной литосферы В основном, дискуссия развивается на материале Азиатских регионов, затронутых процессом коллизии Индийской и Евразийской плит Каким образом происходит деформация и субдолготное сокращение коры Азии под воздействием давления со стороны Индии за счет субширотного выжимания блоков или вследствие утолщения коры"? Согласно одному взгляду, континентальная литосфера представляет собой ансамбль микроплит (блоков), а её деформация происходит за счет подвижек по границам блоков Альтернативное представление исходит из того, что деформация континентальной литосферы распределена по объему и отвечает реологической модели нелинейно-вязкой жидкости Нерешенность этой проблемы сдерживает разработку адекватных реологических моделей литосферы и последующий переход от кинематических расчетов к определению полей напряжений

В последнее время для решения геодинамических задач все активнее используется Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System - GPS) С 80-х годов прошлого столетия GPS измерения стали применяться для изучения движений плит и деформации межплитных границ, косейсмических и постсейсмических деформаций, а также в других прикладных геофизических исследованиях (КЕ Абдрахматов, ОН. Галаганов, AB Зубович, В И Макаров, МТ Прилепин, ГМ Стеблов, Ю А Трапезников, Ю.Г Щерба, А Р Ярмухамедов, К L Feigl, J Т Freymueller, R Galas, В H Hager, Т A Herring, S Larsen, К M Larson, Ch Reigber, R E Reilinger, Z -K Shen и др ) Благодаря данным GPS были созданы новые глобальные модели движения литосферных плит (например, GSRM-1 и REVEL), которые частично учитывают их деформации Для районов, покрытых плотными GPS сетями (Калифорния, Япония, Центральная Азия, Тайвань), были подробно исследованы региональные характеристики современных деформаций земной коры В то же время, были обнаружены и разногласия с количественными характеристиками "геологических" моделей и сейсмологических данных До сих пор не существует устойчивого представления о характере деформирования континентальной коры и о природе расхождения результатов GPS измерений с результатами других геолого-геофизических методов

В настоящей диссертации сделана попытка приблизиться к решению некоторых из отмеченных выше проблем На примере Центрально-Азиатской (ЦА) GPS сети рассматривается структура поля горизонтальных скоростей с выделением в ней доменов, ведущих себя подобно жестким блокам Анализируется геометрия и кинематика зон повышенных скоростей деформаций, проводится их сравнение с неотектоническими разломами Такие исследования дают в перспективе

возможность оценить характер современных внутрикоровых тектонических процессов и свойств, связанных с ними сейсмических событий

Цель работы - разработка количественного подхода к выделению пространственных структур в дискретных наборах данных о скоростях движения, выявление характера современных деформаций на поверхности земной коры Центральной Азии по результатам GPS измерений и соотношения этих деформаций с неотектоническим строением региона Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие задачи

• Изучить возможность выявления трехмерной блоковой структуры и кинематики земной коры по данным о горизонтальных скоростях на ее поверхности

• Построить инвариантные относительно выбора системы отсчета и устойчивые по отношению к варьированию исходных данных методы выделения минимально деформируемых участков на основе дискретного набора данных о горизонтальных скоростях

• На основе разработанных теоретических подходов выявить доменную (блоковую) структуру поля современных скоростей для региона развертывания ЦА GPS сети

• Исследовать пространственное распределение и кинематику выделенных доменов и зон между ними на изучаемой территории

• Определить пространственные соотношения между неотектоническими разрывными структурами, доменами и зонами между ними

Объект и предмет исследования. В качестве основного объекта исследования в работе выступает поле скоростей современных горизонтальных движений на поверхности фрагмента зоны столкновения (коллизии) Евразийского и Индийского континентов При этом с различной степенью детальности и территориального охвата, изучаются горные сооружения Тянь-Шаня и Памира, Таримская впадина и Казахский щит Практически, предметному изучению подлежат 323 скорости, которые измерены в пунктах ЦА GPS сети и являются выборочной оценкой поля скоростей на указанной территории за период измерений 1995-2005гг

Определение некоторых терминов. Особенностью GPS измерений является их пространственная дискретность — данные о горизонтальных скоростях доступны лишь в точках х® расположения GPS станций Отсутствие информации о кусочно-непрерывном поле скоростей v(x) приводит к невозможности непосредственного определения линий разрыва скоростей ("разломов") и зон локализации деформаций, что существенно затрудняет задачу выделения блочной (доменной) структуры В такой ситуации следует отталкиваться от строгого определения структур, возникающих в дискретных наборах данных о горизонтальных скоростях v®=v(x®)

Назовем группу горизонтальных скоростей V® (¿=1, ,К, К>3) пространственно связанных точек х® плоскости кластером, если эти точки принадлежат области О, которая по кинематическим признакам с некоторой степенью точности является единым целым

Жесткий кластер — это кластер, скорости которого отвечают движению области О как жёсткого целого с точностью до представления и округлений скоростей при вычислении

Квазижесткий кластер — кластер, скорости которого отвечают движению области О. как жёсткого целого с точностью до некоторой приемлемой величины

Статистически жесткий кластер - кластер, отклонения скоростей которого от скоростей жесткого кластера имеют случайное распределение и могут быть флуктуациями в пределах точности всего процесса получения скоростей

Домен - односвязная плоская область О,, содержащая точки х® приложения скоростей V® какого-либо кластера и не содержащая других точек х® задания скоростей, не принадлежащих этому кластеру В зависимости от типа формирующего его кластера домен может быть жестким, квазижестким или статистически жестким

Личный вклад автора. Совместно с ША Мухамедиевым автор принимал участие в исследовании отражения трехмерной кинематики блоков земной коры в поле поверхностных горизонтальных скоростей, а совместно с ША Мухамедиевым и А В Зубович ем - в разработке алгоритма и программной реализации детерминистского метода выделения доменной структуры по дискретным характеристикам поля скоростей Непосредственно диссертантом предложен алгоритм и программно реализован статистический подход при структурно-доменных исследованиях скоростей, разработаны вспомогательные сравнительно-оценочные методы Автором самостоятельно проведён кинематический анализ движения выделенных доменов и пространственное сопоставление зон между доменами с неотектоническими разломами, обобщение и интерпретация полученных результатов

Результаты и их научная новизна. Предложены новые методы выявления доменной структуры в поле горизонтальных скоростей по выборке значений скоростей в конечной совокупности дискретных точек В основу методов положен объективный (не зависимый от системы отсчёта) способ выделения и определения параметров движения доменов Предусмотрена возможность выделения доменов со скоростями, статистически отличающимися от скоростей движения блока как жесткого целого ША Мухамедиевым доказано, что если скорости замерены с достаточной точностью в пределах жесткого блока, то отсутствие вертикальной компоненты скорости не влияет на качество оконтуривания этого блока в горизонтальной плоскости

При разработке методов структуризации поля скоростей были получены решения ряда новых вспомогательных задач

• Для пространственной увязки и ориентировки относительных положений GPS пунктов автором введено понятие "минимизированная триангуляционная сеть", определены принципы и программно реализован алгоритм построения такой сети в двумерном пространстве Сформулированы правила ориентировки во множестве GPS пунктов и нахождения ближайшего окружения с учетом минимизированной триангуляционной сети

• Для выделения и исследования выборки скоростей впервые разработан подход, использующий сочетание восходящего и нисходящего методов кластерного анализа В процессе выделения кластеров, анализируемые выборки скоростей пространственно мигрируют и непостоянны по объёму, параметры изменчивости зависят как от характера исходных данных, так и от статистической оценки кластера

• Для выделения из смешанной выборки скоростей, принадлежащих одному квазижесткому домену, предложен критерий, который основан на использовании t-статистики Стьюдента и учитывает случайные отклонения наблюдаемых векторов скоростей от скоростей движения жёсткого целого

• Разработан способ количественного сравнения двух неиерархических кластерных структур, построенных на разном количестве исходных данных или с использованием разных методов выделения Способ позволяет, в частности, исследовать устойчивость решения по отношению к возмущению набора исходных данных

Показана возможность и целесообразность изучения приповерхностного поля скоростей как отдельного объекта исследования вне зависимости от уже сформировавшихся геологических структур и других геофизических данных Данные о скоростях, полученные GPS методом, способны не только играть вспомогательную роль в подтверждении или отбраковке некоторых теоретических построений, но и самостоятельно вносить весомый и определяющий вклад в представления о характере деформирования земной коры на современном этапе развития

Впервые построены кинематические схемы современных квазижёстких, статистически жёстких доменов и зон между ними для обширной территории Центральной Азии В настоящее время деформация земной коры в районе столкновения Индии и Евразии такова, что может быть представлена в виде движения разновеликих минимально деформируемых участков, часто разделенных линейно вытянутыми зонами с повышенной интенсивностью деформаций

Впервые выявлена закономерная связь пространственной ориентировки простираний зон, определяемых границами доменов, с их кинематикой Выявленное распределение парных относительных смещений по зонам между доменами и проявление S-образных форм у

доменов может соответствовать левосторонней транспрессионной зоне

Замечено, что современные зоны между доменами и неотектонические разломы не имеют значимой пространственной корреляции на всей территории исследуемой площади Лишь в отдельных случаях они территориально и по знаку смещений соответствуют сегментам разломов

Защищаемые положения.

1 Выявленная взаимосвязь между кинематикой трехмерных блоков и полем горизонтальных скоростей на их поверхности показывает, что при наличии перепада высот между GPS станциями можно определить полный вектор угловой скорости блока, а при малом перепаде высот — жесткие домены в поле горизонтальных скоростей является поверхностями реальных блоков.

2 Предложены и реализованы в виде компьютерных программ объективные (независящие от наблюдателя) и устойчивые методы выделения жестких и статистически жёстких плоских доменов по конечной совокупности горизонтальных скоростей, заданных в дискретном множестве точек

3 Современная деформация земной коры в районе Индо-Евразийской коллизии может быть представлена в виде движения слабодеформируемых участков (доменов), разделённых междоменными зонами (МДЗ) с повышенными скоростями относительных смещений

4 МДЗ имеют закономерную пространственную ориентировку и кинематику для субширотных простираний (в среднем —88°) характерно поперечное укорочение, для северо-восточных (в среднем -54°) - лево-сдвиговая компонента смещения, для северозападных (в среднем -296°) - наличие правого сдвига, для некоторых непротяженных субмеридиональных (в среднем -165°) -поперечное расширение

5 Неотектонические разломы ЦА региона с одинаковой частотой попадают на территорию как современных статистически жестких доменов, так и в пространство между ними

Теоретическая и практическая ценность работы. Предложенные в работе подходы и алгоритмы при изменении критериев группировки могут быть использованы в теоретических и практических исследованиях пространственной структурированности не только данных GPS, но и других геофизических полей тензорной (в частности, скалярной) природы Например, возможны постановка и решение задач о выделении квазиоднородных доменов во множестве пространственно дискретных данных о напряжениях, гравитационных аномалиях, тепловом потоке и тд

Полученные результаты будут полезны при оценке эндогенных процессов и построении механизмов коровой деформации В частности, характер поверхностных движений земной коры исследуемой территории

накладывает ограничения на протекания здесь некоторых мантийных процессов, например, восходящих потоков (Зубович и др, 2007)

Наличие внутри домена одного или нескольких векторов, резко отличающихся по величине и/или направлению от характерных для этого блока (outliers), часто при детальном рассмотрении объясняется дефектами измерений или локальными смещениями, не связанными с региональной тенденцией Таким образом, доменные схемы при определённых условиях способны оценивать качество интерпретируемых исходных данных А оценки форм и размеров доменов и МДЗ будут полезны для методических рекомендаций при проектировании новых GPS сетей и доя корректировки режима измерений уже существующих

Полученные автором структурно-кинематические схемы могут принести пользу при построении сейсмотектонических моделей, прогнозе землетрясений, уточнении действующих карт сейсмической опасности, выборе мест для строительства промышленных и социальных объектов

Апробация работы. Основные результаты и положения исследований были представлены на следующих научных форумах: Второй международный симпозиум "Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов" (Бишкек, 2002 г), международный семинар "Методика GPS измерений" (Бишкек, 2003 г), Пятый Казахстанско-Китайский симпозиум "Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии" (Алма-Ата, 2003 г), международная научная конференция "Современная геодинамика и геоэкология Тянь-Шаня" (Бишкек, 2004 г), международная научная конференция "Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и прогноза землетрясений" (Ташкент, 2004 г), Третий международный симпозиум "Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке" (Бишкек, 2005 г), XXXIX Тектоническое совещание "Области активного тектогенеза в современной и древней истории Земли" (Москва, 2006 г ), Шестой международный симпозиум по землетрясениям Тянь-Шаня (Урумчи, Китай, 2006г), Шестое международное рабочее совещание Азиатско-Тихоокеанской космической геодинамической программы (Джейджу, Корея, 2006 г ), семинар "Использование GPS для решения геодезических и геодинамических задач" (ИФЗ РАН, Москва, 2006 г)

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 4 научных отчетах НС РАН и 10 опубликованных работах

Структура работы. Диссертация имеет общий объем 167 страниц и состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, списка использованной литературы из 191 наименований, включает 38 иллюстраций и 18 таблиц

Благодарности. Представленная диссертация является результатом деятельности автора за период 2003-2006гг работы в лаборатории GPS Научной станции РАН в г Бишкеке. Автор выражает благодарность А В Зубовичу, О И Мосиенко, Г Г Щелочкову, JIМ Богомолову, А Д Костюку и многим другим сотрудникам НС РАН за совместное

творчество и помощь в работе За продолжительную и плодотворную совместную работу автор выражает особую благодарность научному руководителю Ш А Мухамедиеву, чей квалифицированный и творческий физико-математический подход к анализу данных во многом определил содержание этой работы Автор благодарит Т П Белоусова и В И Макарова за понимание, конструктивное участие в выборе направления научно-исследовательского поиска и ценные советы в процессе формирования диссертационной работы Автор признателен Д В Алексееву и Ю А Морозову за консультации и доброжелательную помощь

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору работ в рамках темы диссертации. В первой части главы освещаются вопросы развития взглядов на фрагментацию земной коры и на характер её деформирования Как изменялись представления о структурных единицах, слагающих верхнюю оболочку твердой Земли - ее литосферу9 На основе каких данных выделялись единицы земной коры9 Как преломлялись идеи о делимости коры в исследованиях ее физико-механических свойств и особенностей деформирования9 Какой вклад в прогресс наших знаний о фрагментации и деформируемости литосферы внесло появление GPS измерений9 Здесь же описываются структурные и тектонические особенности литосферы Центральной Азии на примере Тянь-шаньского региона Приведена краткая история геологического развития и строения данной территории Особое место отводится освещению последнего орогенного этапа, приведшего к формированию обширной складчатой зоны в районе столкновения (коллизии) Индийской и Евразийской плит

Во второй части 1-й главы приводится краткий обзор GPS-технологии как космогеодезического метода, даются общие представления о процессе получении скоростей на земной поверхности с миллиметровой точностью и значении таких данных для наук о Земле Даны характеристики различных видов GPS сетей, обсуждаются их назначение и режимы измерения Далее приводится характеристика ЦА GPS сети, число пунктов которой превышает 500 и которая охватывает площадь в ~1,7 млн км2 на территории Киргизии, Казахстана, Узбекистана и Китая Затрагиваются проблемы представления и интерпретации GPS-данных, приводятся некоторые результаты приложения GPS измерений к общим и частным геодинамическим проблемам ЦА региона Обращается внимание на традиционное стремление исследователей увязать элементы новейших структур этой территории с особенностями современных GPS скоростей При этом не учитывается тот факт, что неотектоническая структура далеко не всегда отражает распределение четвертичных и современных движений и деформаций исследуемого района

Вторая глава отводится описанию анализа допущений (упрощений) и решению вспомогательных задач для методов выделения жестких,

квази- и статистически жестких доменов на основе дискретных горизонтальных скоростей движения в отдельных точках плоскости

Первый раздел посвящен анализу перехода от трёхмерного (3D) пространства к плоскому горизонтальному (2D) Взаимодействие трехмерных блоков земной коры в процессе ее деформирования приводит к достаточно сложной кинематике Блоки могут испытывать как поступательные движения, так и вращения Результаты GPS измерений не полностью отражают реальную кинематику движения трехмерных: блоков земной коры в трехмерном пространстве Во-первых, для измерения скоростей доступна лишь дневная поверхность блоков Во-вторых, вследствие существенно большей ошибки в замерах вертикальной компоненты скорости, анализу подвергаются лишь горизонтальные скорости. Естественно, что сужение трехмерной кинематики на плоскую модель движений приводит к потере информации Возникает вопрос какая же часть информации исчезает, а какая часть, достаточная для уверенной интерпретации данных в терминах блоковой структуры и ее кинематики, остается? Ответ на этот вопрос дается в рамках модели жестких трехмерных блоков земной коры С помощью математических выкладок Ш А Мухамедиева (прил. 1) доказано, что при малом перепаде высот GPS станций данные лишь о горизонтальных скоростях позволяют уверенно распознавать и оконтуривать проекции блоков на горизонтальную плоскость Пренебрежение вертикальными координатами точек приложения скоростей, в случае реальных GPS измерений и их адаптации к 2D пространству, вносит незначительные искажения в результаты интерпретации (прил 2), соизмеримые с ошибками используемых для анализа горизонтальных скоростей Если учитывать разницу в высотах GPS станций, то возможно определить полный вектор угловой скорости трехмерного жесткого блока

В следующем разделе предложено описание способа ориентировки GPS скоростей в пространстве, что является немаловажным для оценки площадной целостности (связности) различных групп скоростей Предлагается использовать триангуляционную сеть, которая связывает точки плоскости х® приложения наблюденных скоростей v® При детерминистском подходе кластеризации GPS скоростей нами использовалась традиционная оптимальная триангуляционная сеть Делоне (ОТС), которая основывается на стремлении к построению правильных треугольников (рис 1) Для статистического подхода вводится понятие и используется "минимизированная триангуляционная сеть" (МТС), у которой сумма длин всех отрезков минимальна из всех возможных вариантов Необходимость перехода от ОТС к МТС обусловлена принципами их построения Для ОТС не исключаются случаи, когда близко расположенные точки (например, 1 и 3 рис 1) не связаны отрезком, а более далёкие точки 2 и 4 отмечены пространственной связью При использовании МТС вышеуказанные ситуации исключаются Программно реализован алгоритм построения МТС в 2D пространстве, сформулированы правила ориентировки во множестве точек плоскости и

нахождения ближайшего окружения с учетом МТС

триангуляционных сетей Ближайшее окружение для группы точек (в)

Тестирование многочисленных модификаций алгоритмических схем для кластеризации скоростей, включающее многократное опробование каждого алгоритма при различных параметрах, привели к пониманию необходимости количественного сравнения различных вариантов неиерархических кластерных структур на тождественность Неиерархическая кластерная структура S возникает при разбиении К>0 объектов (в нашем случае - GPS станций с заданными скоростями v®, i=l, , К) на С групп (кластеров) по какому-либо признаку В каждый кластер может входить не менее одного объекта, каждый объект может входить только в один кластер Между выделенными кластерами должна отсутствовать соподчинённость (иерархия) Такой метод способен сравнить две кластерные структуры, построенные на разном количестве исходных данных или на основе разных подходов Этот метод позволяет, в частности, исследовать устойчивость решения по отношению к возмущению набора исходных данных

Третья глава содержит описание детерминистского и статистического методов выделения доменов по дискретному набору горизонтальных скоростей, а также результаты тестовых испытаний для алгоритма статистического метода

В начале обсуждается эволюция подходов к выявлению фрагментации поля скоростей Первые попытки такого рода были предприняты нами лишь на основе пространственной близости пунктов наблюдений и максимальном сходстве скоростей по величине и направлению (Кузиков и др., 2004, Зубович и др, 2004). Однако критический анализ таких построений показал, что задача корректной структуризации векторного поля скоростей является нетривиальной проблемой, которая должна решаться с максимально полным учетом законов классической механики Выделение доменов на основе критерия близости скоростей v® по величине и направлению может привести к неодинаковым результатам при смене системы отсчета Это связано с особенностями возможного перемещения жесткого тела в плоскости

(рис 2)

Рис 2 Способы представления перемещения плоского жесткого тела а) параллельный перенос (а-1) и вращение вокруг некоторой точки (а-2), б) вращение вокруг некоторого центра х с угловой скоростью со Линейные скорости разных частей тела отличаются

Другой немаловажной особенностью представления скоростей является их зависимость от выбранной системы отсчета Позиция наблюдателя в разных случаях может быть выбрана таким образом, что визуально распознать одну и ту же ситуацию движения точек плоскости будет невозможно без специальных преобразований Однако число блоков земной коры и их конфигурация - объективная реальность, которая не должна зависеть от субъективной процедуры выбора системы отсчета

В результате работы в этом направлении был предложен инвариантный к смене системы отсчета вариационный принцип группирования скоростей в кластеры (Мухамедиев и др, 2005, 2006), который позже был назван детерминистским Следующий алгоритм разработан на основе статистического анализа отклонений скоростей от скоростей жёсткого целого Как детерминистский, так и статистический методы используют вычисления параметров вращения (координат мгновенного центра вращения хс и величины угловой скорости со) для группы скоростей, формулы для которых выведены Ш А Мухамедиевым (прил 3)

Пусть блоки являются плоскими жёсткими телами, движущимися в своей плоскости с декартовыми координатами л^ и х2 Сама система координат покоится в некоторой выбранной системе отсчета ИР Движение жёсткого блока в каждый момент времени можно представить в виде его вращения с вектором угловой скорости уг относительно мгновенного центра скоростей С, имеющего радиус-вектор хс (подобно рис 26) Линейная скорость V® в точке х® запишется в виде известной зависимости

v ^ ^ = x ^х — x ^ ^ (1)

Рассмотрим вспомогательную задачу определения характеристик плоского движения жесткого блока относительно системы отсчета ЯР Пусть в пределах заданного блока имеется К > 3 точек с радиус-векторами

в которых известны линейные скорости у'" относительно ЯГ (рис. За). Задача состоит в определении векторов и х1 по заданным V®. Решение задачи можно найти вариационным методом при минимизации функционала J

где Ду<0 - разность между наблюденным vм и вычисленным по ([) в точке векторами скоростей (рис. 36). Другими словами, задача определения векторов ч и х! сводится к поиску 3 чисел - 2-х координат Х1 > х2 вектоРа х' и модуля (о = |\у| вектора >У=гае5 (вектор вращения при

плоском движении параллелен вертикальному орту е3), доставляющих минимум неотрицательному функционалу J, который играет роль параметра группировки. В поставленной вспомогательной задаче минимальное значение ./=0.

Рис. 3. Зависимость линейной скорости у(,) любой точки плоского жёсткого тела х от угловой скорости о) И мгновенного центра вращения а (а). Разнос'Ш Лу® между наблюденным V® и вычисленным (модельным) ут(1) в точке х'1' скоростями (б).

Основная задача выделения доменов от вспомогательной отличается в двух принципиальных аспектах. Во-первых, внутри каждого домена условие (1) не обязано выполняться как а силу ошибок измерения векторов так и вследствие возможной деформации блоков. Во-вторых, заранее неизвестно, какие из точек х"1 приложения скоростей у'л' входят в тот или иной блок.

При деформировании тела и/или при наличии ошибок в определении векторов скоростей ,/>0, Поэтому, в качестве критерия выделения доменов можно принять условие малости одного из функционалов:

= J^T<J*m:¡x (3) ^ = тт(тах|ду(')])йУ*тах . (4)

у X > * В ■ 1» ( 1 '

При группировании скоростей в кластеры из (3) определяются координаты полюса и скорость вращения (Х|С # , со ), которые, в свою очередь, используются для вычисления модулей разностных векторов

Av® Более жестким критерием является выбор в качестве параметра группировки максимального значения Av® из группы (4)

Для определения пространственной близости (связей) точек используется "оптимальная триангуляционная сеть Делоне" (ОТС) Первоначально поиск кластера с минимальным параметром группировки происходит по множеству всех треугольников ОТС, затем к перебору присоединяются уже выбранные кластеры Процесс вычисления прерывается на необходимом уровне детализации доменной структуры (J* < J*max) Увеличение значения J* ш влечет укрупнение доменов, а уменьшение J*max позволяет выявлять структуру поля скоростей с большей детальностью

Математический аппарат для вычисления параметров вращения и идеальных скоростей может решить далеко не все проблемы доменной кластеризации скоростного поля Большое значение имеет разработка принципа группировки векторов в домены таким образом, чтобы общая выделенная доменная структура была оптимальной и имела минимальные суммы отклонений скоростей от скоростей жестких доменов Это особенно важно при кластеризации реальных GPS наблюдений, где векторы скорости в плане постепенно меняют направления и длины, а границы между доменами слабо выражены и "размыты" При изменении количества используемых в анализе GPS-пунктов картина движения доменов может меняться, т к приграничные точки могут переходить из одного домена в другой

Помимо этого, не однозначен выбор уровня максимального критического значения J*max Не следует ожидать, что для всех доменов реального скоростного поля земной поверхности будет регламентирован максимальный уровень (Lb) отклонений наблюденных скоростей от рассчитанных Наиболее вероятна ситуация, при которой квазижёсткие домены будут иметь разные по величине Lb Поэтому не исключены случаи объединения разных доменов или их частей (при J*max > Zb) или разделения одного домена (при J*max < Lb)

Статистический подход предусматривает объединение группы скоростей в кластер, если их отклонения от скоростей жесткого целого Av® имеют случайное распределение (нормальное) и уровень [ Av® | не превышает уровня ошибок получения скоростей В этом случае Av® можно объяснить суммарным влиянием ошибок измерений и говорить о выделении статистически жесткого кластера (домена) Если же уровень I Av® | больше ошибок измерений, то может быть выделен лишь квазижесткий кластер (домен) с некоторым допустимым уровнем отклонений (J*max)

В задаче обособления статистически жесткой группы скоростей основная проблема кластеризации заключается в выделении из смешанной выборки (содержащей скорости из нескольких доменов и/или сопряженных с доменами территорий) одного пространственно связанного кластера с некоторым допустимым уровнем случайных

отклонений скоростей Av(,) Предлагаемый принцип кластеризации сводится к удалению из смешанной выборки по одному вектору скорости, не относящемуся к самому крупному статистически жёсткому домену Момент фиксации выделения домена контролируется критерием, основанным на t-статистике Стьюдента

Одной из важных частей процесса такой кластеризации является формирование смешанных выборок для последующей сепарации кластера При этом важную роль играет пространственная целостность (связность) домена, которая обеспечивается здесь минимизированной триангуляционной сетью, связывающей точки плоскости х(,) (напр, рис. 1) со скоростями v(,)

Другим важным моментом предлагаемого алгоритма являются принципы сепарации кластера из смешанной выборки Здесь используется комбинация восходящей и нисходящей разновидностей кластерного анализа, а исследуемая смешанная выборка меняется по объему и мигрирует по набору входных данных в поисках наилучшего варианта кластера При вычислении параметров вращения (©, хс) для группы из К>Ъ наблюдённых скоростей vw всегда выполняется условие - средний вектор отклонений этих скоростей от скоростей жёсткого целого равен нулю

Av = -¿rZ Лу(,) = 0 (5) ~J = тгЕ I |> 0 (6)

Л. ,=1 л ,=i

Ограниченная точность записи данных и неизбежные ошибки измерений скоростей практически всегда обеспечивают справедливость выражения (6). В предлагаемом алгоритме на каждом шаге из смешанной выборки К скоростей удаляется один вектор согласно следующей процедуре Осуществляются пробные удаления каждого из К векторов, но так, чтобы связность остающегося домена из К-1 скоростей не нарушалась Для каждой из пробных выборок, содержащих К-1 векторов скоростей (максимальное число таких выборок равно К), рассчитываются параметры вращения (ш, хс) и определяется средний модуль ~Т отклонения скоростей от скоростей жесткой модели В результате выбирается та выборка из К— 1 скоростей, для которой величина ~J минимальна, т.е

7 = —^—Y;|Av0)|->•/*= min J (7)

К — 1 /=i among all К samplings

После неоднократного применения описанной процедуры на некоторой итерации удаления векторов самый многочисленный кластер из смешанной выборки будет изолирован от включений сторонних скоростей Но на каком шаге удаления векторов остановиться и зафиксировать выделение кластера, принадлежащего одному домену9 Для ответа на этот вопрос предложена величина статистической цены домена

с^+л^+л^ + №+А/дХагд-А/д) (8)

где используются доверительные полуинтервалы Д/й для среднего модуля (/) и ДКЙ- для среднего вектора (Ду = 0) отклонений наблюденных скоростей от скоростей движения жёсткого домена С помощью известного выражения, основанного на ^статистике Стьюдента, можно оценить доверительные интервалы для выборочных средних

— Гк

= где (9)

^ ~ критическое значение статистики Стьюдента, берется из таблиц в зависимости от вероятности а и степени свободы \=К-1, М- истинное (но неизвестное) математическое ожидание, М - вычисленная оценка математического ожидания по данной выборке, К - объем данной выборки,

5 - оценка стандартного отклонения, вычисленная по данной выборке

Так для среднего модуля отклонений от жесткого целого 7 мы можем оценить доверительные интервалы, в частности - верхнюю (максимальную) доверительную границу для |Дут| Стандартное отклонение для |Ду(г)|, верхняя доверительная граница для 7 и полудлина доверительного интервала будут соответственно равны

5./ =

ЕИ-ЗГ , - _

Г1—■ (10) (п)

В рассматриваемом случае всегда выполняется условие А\ = О Поэтому скалярная оценка стандартного отклонения для Ду(,) может быть рассчитана и интерпретирована как радиус окружности, за пределы которой не выходят 68% (о) векторов Ду® А величина доверительного полуинтервала Д Г« понимается как радиус доверительной окружности для

Ду Величины и выражаются в виде

' -- = №-' (12) (13)

к-1 1 к-1 й 4к

Геометрическая интерпретация и значимость таких параметров как для исследуемой выборки Ду® может быть пояснена рис 4

Минимум С/у (см (8)) при сепарации группы векторов одного домена из смешанной выборки скоростей способен фиксировать границу

для жесткого или квазижёсткого кластера Величина С^ дает возможность проводить статистическое сравнение значимости выделенных доменов с различным количеством векторов скорости и разными параметрами их отклонений от скоростей движения домена как жесткого целого Эта величина довольно чутко реагирует на добавление в выборку даже одной чужеродной точки, которая вносит возмущение в случайное (в частности нормальное) распределение отклонений векторов скоростей от скоростей жёсткого целого Ау®

Рис 4 Векторы отклонений Ду(,), полученные для 9-ти модельных скоростей плоского жесткого домена при точности записи 0,1 мм/год Средняя окружность с радиусом J -среднее для ¡Лу®! Внешние окружность и заштрихованная часть верхние доверительные граница и область вариаций для J с добавочным полуинтервалом Внутренний

заштрихованный круг - доверительная область для Ау с радиусом ЛК18 Величины Л/(8 и рассчитаны с вероятностью р=0,8

Было проведено тестирование алгоритма для выделения статистически жёстких доменов по выборке из поля скоростей Основная задача тестов — оценить качество работы, обозначить условия и границы использования алгоритма Тесты построены таким образом, чтобы максимально усложнить задачу идентификации 2-х жестких (с точностью записи до 10-6 мм/год) или статистически жестких блоков (с добавлением к скоростям жесткого целого случайного шума) Параметры вращения для тестов подбирались так, чтобы по обе стороны от границы блоков векторы скорости были минимально различимы Условия тестов предполагают при каждом испытании случайное изменение координат точек хт приложения рассчитываемых скоростей V® в пределах двух соприкасающихся плоских прямоугольных блоков с различными площадями и фиксированными границами При этом скорости вычисляются в зависимости от 4-х вариантов взаимного положения мгновенных центров вращения хс (МЦВ) и соответствующих им величин угловой скорости ю Длины векторов скоростей | у® | изменялись в тестах от 3,0 до -16 мм/год. Каждый тест характеризуется 4-мя дискретными параметрами

• вероятностью для критических значений ^статистики Стьюдента (8 вариантов в пределах 0,8 - 0,999),

• количеством точек в блоках (16 и 23,16 и 16, 16 и 10),

• параметрами вращения для блоков (4 варианта),

• уровнем максимального отклонения скоростей от скоростей жесткого целого (5 вариантов от 0 до 2 мм/год)

Для каждой фиксированной комбинации значений вышеупомянутых 4 параметров проводилось 10 испытаний, отличающихся друг от друга случайным изменением координат х® в каждом из двух блоков Вариант данных каждого теста распознавался программой выделения статистически жестких доменов, результат её работы сравнивался с модельной структурой поля скоростей Всего число испытаний достигло ~5 тысяч

По результатам тестирования не усматривается закономерного влияния количества точек в блоках и их соотношения на качество распознавания структуры. В значительной мере результат распознания естественным образом ухудшается при увеличении уровня случайного шума для скоростей Если уровень шума превышает структурные различия между соседними векторами разных блоков, то распознание блоков при этом объективно не представляется возможным Если первичная блоковая структура распознана программой с воспроизводимостью >60%, то в результатах кластеризации исходное блоковое разделение визуально узнается достаточно хорошо и при этом можно корректно судить о строении исследуемого поля скоростей Чем контрастнее параметры вращения у соседних блоков, тем более уверенно они распознаются даже при значительном уровне случайного шума

Смена вероятности для критических значений t-статистики Стьюдента влияет на степень генерализации кластеров При увеличении этого параметра дня группы из К векторов допускаются большие отклонения от движения домена как жесткого целого, т е домены будут стремиться к укрупнению (площадному разрастанию) В тестовых вариантах с очень малыми различиями приграничных скоростей для разных блоков при вероятности для t-статистики 0,9-0,98 достигается наилучшее воспроизведение первичной структуры при любых уровнях случайного шума Для случая с контрастными формами приграничных скоростей наилучшее распознавание первичной структуры (идентификация 89,4-100%) достигается при максимальном значении вероятности t-статистики - 0,999

При удалении из исходной выборки реальных данных ЦА GPS сети каждого третьего по списку вектора скорости (108 из 323), не более чем на 5% меняется распознанная в обоих случаях доменная структура А изменение масштаба генерализации или смена вероятности t-статистики Стьюдента влечёт изменение доменной структуры не более 10%

Четвёртая глава включает в себя описание результатов применения методики выделения статистически жестких доменов к реальным скоростям ЦА GPS сети Здесь даётся характеристика первичных GPS данных, условия их измерений и обработки В результате измерений и многоступенчатой процедуры вычислений каждому пункту ЦА GPS сети приписывается усредненная за общий интервал наблюдений скорость

покомпонентного (по долготе, широте и вертикали) смещения в мм/год. Мы ограничимся исследованием только горизонтальных составляющих скорости (северной и восточной). Анализируемые скорости были рассчитаны A.B. Зубовичем и О.И. Мосиенко (лаборатория GPS, НС РАН) с использованием известного программного пакета "GAM1T/GLOBK", Из 518 пунктов ЦА GPS сети для кластеризации были отобраны 323, которые за 11-летний интервал наблюдений (1995-2005гг.) измерялись от 3 до ¡1 раз (а среднем 5,3) и покомпонентные оценим ошибок измерений которых о < 1,0 мм/год (рис. 5),

Рис. 5. Скорости современных движений 323 пунктов I [ентральш-Азиатской GPS сети, вычисленные относительно стабильной части Евразии за период наблюдений 1995-2005 гг.

Далее приводится оценка погрешности и устойчивости исследуемого скоростного сигнала с ЦЛ GPS сети. В силу свойств поля скоростей объективно возникает сложность при сравнении вектора с величиной его ошибки измерения, т.к. ошибки для скорости имеют абсолютное значение, а величины компонент вектора скорости - относительны и зависят от выбра системы отсчёта. В связи с этим вводится понятие минимизирующей системы отсчёта, которая снимает вращение с исследуемой группы скоростей и оставляет только "чистый" структурообразующий сигнал для этой же группы скоростей. После

процедуры перехода к минимизирующей системе отсчета сумма всех векторов скоростей станет равна нулю, те будет минимальна Только после такой операции можно корректно сравнить среднюю длину вектора скорости со средней ошибкой их измерения

После применения процедуры перехода к минимизирующей системе отсчета для всей совокупности 323 скоростей ЦА GPS сети была рассчитана средняя длина скоростей всей векторной системы -4,17 мм/год, а средняя о вариаций для этих же скоростей составляет 0,34 мм/год Временные вариации измеренных скоростей уверенно перекрывается доверительным интервалом шириной в 2о = 0,67 мм/год (95% охват событий) Поэтому мы можем быть уверенными на 95%, что максимальная средняя ошибка измерения составляет не более -16% от средней длины скорости (4,17 мм/год) для всей минимизированной ЦА GPS сети Таким образом, скоростной сигнал, на основе которого осуществляется идентификация структуры региона в среднем не менее чем в -6 раз превышает возможную максимальную ошибку за 11-летний период измерений Такие оценки говорят об устойчивости внутренней структуры современного поля скоростей и дают основание полагать, что построения на основе данного набора скоростей могут отличаться от реальных структурных элементов с вероятностью 0,95 не более чем на 16%

Компилятивный вариант статистически жестких доменов, выделенных при вероятностях 0,8-0,95 для значений t-статистики Стьюдента по 323 векторам скорости ЦА GPS сети, представлен на рис 6 Скорости в 210 пунктах объединены в 29 статистически жёстких доменов, от 3 до 17 пунктов наблюдения скорости в одном домене Образуемые доменами участки земной поверхности могут пространственно обозначать почти жесткие блоки земной коры, в которых скорость горизонтальных относительных движений в настоящее время <1,0 мм/год и не превышает точности измерений. Почти треть скоростей (113) при этом не участвует в образовании устойчивых групп

Исследуемые 323 GPS пункта ЦА охватывают площадь -1,668 млн км2 (в среднем 1 пункт на -5160 км2) Выделенные в результате кластеризации скоростей 29 доменов суммарной площадью -765400 км2 имеют размеры от -150 км2 до -0,5 млн км2 Соотношение площадей, занятых доменами и междоменными зонами (МДЗ), составляет соответственно -46 и -54 % от занимаемой GPS пунктами территории Площадное преобладание МДЗ над доменами, скорее всего, означает не отсутствие относительно жёстких участков между выделенными доменами, а недостаточную плотность GPS сети для детального отражения более сложной структуры в современном поверхностном поле скоростей Средние отклонения скоростей от скоростей жёсткого целого в отдельных доменах колеблются от 0,11 до 1,03 мм/год, среднее отклонение для всех скоростей по всем доменам — 0,35 мм/год

Рис. 6. Домены, выделенные по скоростям а 323 GPS пунктах Центрально-Азиатской GPS сети. Скорости и 210 GPS пунктах образуют 29 статистически жёстких кластер о в при вероятности 0,8-0,95 для t-статистики Стьюдента.

Рис. 7. Траектории (точечные дуги) и мгновенные угловые скорости (стрелки, 1° = 0,001 "/год) вращательных движений (относительно стабильной части Евразийского континента) для доменов Киргизского Тянь-Шаня и его окружения.

Анализ простираний границ доменов региона показал, что в их направлениях существует закономерность. Среди азимутов простираний доменных границ выделяется не менее 3-х генеральных направлений Одна группа блоковых границ достаточно определенно фиксирует северовосточное направление -40°, другая - юго-восточное -120°, третья -субширотное -75° Подобная закономерность в простираниях доменных границ наталкивает на предположение о наличии здесь единого геодинамического фактора, влияющего на современный деформационный процесс всего Центрально-Азиатского региона

Рассмотрим кинематические особенности движения доменов и пространства между доменами Скорости ЦА GPS сети были рассчитаны относительно стабильной части Евразийского континента, которая включает в себя часть Казахского щита и часть территории к северу Относительно этой же системы отсчета на рис 7 показаны вращательные движения доменов в горизонтальной плоскости

Рис 8 Кинематическая схема относительных смещений бортов соседних доменов, спроецированных на срединные линии МДЗ Во врезке средние направления простираний для разных кинематических режимов МДЗ и положение в-образных границ доменов

Другой способ отражения кинематических особенностей движений доменов связан с поочерёдным перемещением на каждый домен наблюдателя (смена системы отсчета) При этом будет отражаться направление и величина линейной скорости смещений 2-х точек соседних доменов В этом случае величины междоменных скоростей в несколько раз превышают отклонения скоростей от скоростей жёсткого целого внутри доменов Более наглядное отражение особенностей кинематики для МДЗ можно представить через их срединные линии (рис 8)

69'

87'

54"

36°

Очевидно, что между пространственным положением МДЗ и их кинематикой существует закономерная связь Для системы СВ (-54°) простираний МДЗ характерно преобладание левосторонней компоненты сдвига Вытянутые на ЮВ (-116°) МДЗ имеют элементы правого сдвига Субширотные зоны (~88°) имеют преимущественно поперечное сокращение Отмечается наличие коротких субмеридиональных раздвиговых зон (-165°) и волнистых s-образных границ доменов Это может означать наличие в пределах ЦА GPS сети левосторонней транспрессионной зоны со значительным поперечным сокращением

Немалый интерес представляют пространственные соотношения уже сформировавшихся неотектонических разломов и выделенных современных статистически жестких доменов Из всего множества существующих авторских вариантов для сравнения выбраны 2 схемы активных разломов (Белоусов и др, 1997, Трифонов и др, 1999) Для сопоставления применён метод с использованием номинальной статистики и таблиц сопряжённости (Чини, 1986) Выбранная для анализа территория (90 ООО км2) разбита на 225 ячеек размером 20x20 км2, в соответствии со средним минимальным шагом закономерных изменений направлений границ доменов 15-30 км В каждой ячейке фиксируются в 3-х двучленных номинальных шкалах присутствие "1" или отсутствие "0" домена, МДЗ и разлома Детальное описание и порядок вычислений при сравнении приводится в Приложении 5

Количественное сравнение пространственных положений современных доменов, МДЗ и неотектонических разломов на 2-х схемах дает основание с вероятностью >0,99 утверждать, что разломы с одинаковой частотой попадают как на территорию доменов, так и находятся в пространстве между ними Но нельзя не отметить преемственность генеральных направлений и кинематики для современных МДЗ и неотектонических разломов Такой набор фактов может свидетельствовать о сохранении общей глобальной тенденции геодинамического процесса в этом регионе При этом можно предполагать, что на момент заложения или реактивации (миллионы и сотни тысяч лет назад) основных разрывных структур Центральной Азии в их створе на дневной поверхности существовали МДЗ, а к настоящему времени произошла их миграция и/или перестройка

Как было показано выше, выделенная современная доменная структура может считаться довольно устойчивой в течение последних 11 лет измерений Поэтому можно полагать, что предложенная доменная структура отражает тенденцию одного современного деформационного процесса Все схемы неотектонических разрывов земной коры включают в себя суммарные смещения за последние миллионы или сотни тысяч лет При этом, доказать наличие только одного деформационного процесса практически не представляется возможным Следует согласиться с утверждением, что понятие "блок" (в тч и геологический) вне связи с одним конкретным деформационным процессом теряет смысл Поэтому

надо заметить, что сравнение ультрасовременной структуры с интегральной неотектонической схемой в строгом смысле может быть не совсем оправданным

Заключение Кардинальным отличием подхода, предложенного и развитого в диссертации, является то, что данные GPS измерений рассматриваются не как вспомогательный материал, а как непосредственно входная информация, нуждающаяся в прямой интерпретации Данные GPS могут самостоятельно нести важную информацию о характере современного деформирования земной коры, но анализироваться они должны специальными количественными методами

В данной работе предложены алгоритмы активного поиска на основе дискретного набора горизонтальных скоростей доменов (блоков) с некоторой степенью жесткости и пассивного выделения пространства между доменами с повышенным уровнем скорости деформации Эти подходы опираются на физически обоснованные признаки идентифицируемого по скоростям жёсткого блока, не зависят от выбора системы отсчёта, учитывают полный спектр его плоских движений и возможные случайные отклонения наблюдаемых скоростей от скоростей движения моделируемого блока

При разработке методов структуризации поля скоростей были получены решения для ряда новых вспомогательных задач

• произведена оценка влияния перехода от 3D к 2D данным GPS и доказано, что если скорости замерены с достаточной точностью в пределах жесткого блока, то отсутствие вертикальной компоненты скорости не влияет на качество оконтуривания этого блока в горизонтальной плоскости

• предложен метод определения параметров вращения для группы скоростей с минимальными отклонениями их от скоростей жёсткого целого,

• разработан алгоритм построения минимизированной триангуляционной сети для пространственной ориентировки среди GPS пунктов,

• найден принцип выделения из смешанной выборки скоростей, принадлежащих одному квази- и статистически жесткому блоку;

• предложен критерий для выделения кластеров и определения их статистической цены, благодаря чему можно количественно сравнивать кластеры с различным числом скоростей и уровнем их отклонений от жесткого целого,

• предложен способ количественного сравнения на воспроизведение двух неиерархических кластерных структур, построенных на разном количестве исходных данных или выделенных разными методами и ДР

Из построенных структурных и кинематических схем следует то, что современная деформация в районе Индо-Евразийской коллизии может

быть представлена как минимум двумя типами неоднородностей доменами и междоменными зонами (МДЗ), которые имеют закономерное пространственное распределение и кинематику Для субширотных простираний МДЗ (в среднем -88°) характерно поперечное укорочение, для СВ (в среднем -54°) - лево-сдвиговая компонента смещения, для СЗ (в среднем -296°) - наличие правого сдвига, для некоторых непротяженных субмеридиональных (в среднем -165°) - поперечное расширение У некоторых доменов проявлены S-образные границы

Современные междоменные зоны являются местом концентрации относительных смещений, которые в несколько раз (до порядка) превышают величину смещений внутри доменов Минимальный достоверно выделенный домен по 10 GPS пунктам в районе Бишкекской локальной сети имеет размер порядка -10x50 км2, максимальное отклонение наблюденных скоростей от скоростей жесткой модели -0,28 мм/год (в среднем - 0,2 мм/год) Максимальный размер домена фиксируется на территории Казахского щита и составляет -700x800 км2, максимальное отклонение наблюденных скоростей от скоростей жесткого целого - 0,67 мм/год (в среднем - 0,36 мм/год)

Из количественной оценки следует, что неотектонические разломы с одинаковой частотой попадают как на территорию современных доменов, так и в пространство между ними Подобная декорреляция сложившихся геологических структур и результатов GPS измерений отмечается и другими авторами С 95 % вероятностью все оцененные ошибки измерений GPS скоростей, для анализируемых данных Центрально-Азиатской (ЦА) сети, не превышают 0,67 мм/год Эта величина составляет -16% от средней скорости (4,17 мм/год - средний полезный сигнал) для всей минимизированной ЦА GPS сети Т о наблюдаемый рисунок GPS скоростей довольно устойчив за 1995-1995гг временной интервал Представляется интересным вопрос о дальнейшей устойчивости сигнала GPS скоростей на более продолжительные сроки и как это соотносится с интегральной необратимо деформированной геологической структурой Есть основания полагать, что GPS данные в основном отражают (в длительные периоды между землетрясениями) упругие деформации После сильного землетрясения такие деформации могут сбрасываться и затем вновь накапливаться Геологические наблюдения фиксируют только результат необратимых сдвигов за длительный период Т о геодезические и геологические наблюдения фиксируют деформации разной природы первые — в основном, обратимые деформации, а вторые - необратимые

В перспективе нами предполагается перейти к анализу трехмерных GPS данных Уже проделана часть работы по целенаправленной идентификации движущихся доменов с однородной деформацией Представляется возможным распознание по дискретным данным из поля скоростей участков складчатости и других аналогов геологических структур Такого рода задачи достаточно сложны и могут составить отдельное направление исследований

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Кузиков С.И., Зубович А В, Мосиенко О И Неотекгоническая структура Кунгей-Заилийской горной системы и современные движения Земной коры (то данным GPS) // Физические, геофизические и геодинамические исследования в Центральной Азии в начале XXI века / Отв ред В М Лелевкин, Л М Богомолов -Бишкек КРСУ, 2004 -С 26-32

2 Кузиков СМ., Зубович А В, Мосиенко О И Кинематика неотектоничес-кой структуры и современные движения (по данным GPS) Кунгей-Заилийской горной системы // Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии - Алматы, ИС МОН РК, 2004 - С 124-130

3 Зубович АВ, Бейсенбаев РТ, Сяочан В, Юнфен Д, Кузиков С.И., Мосиенко ОИ, Ну сипов ЕН, Щелочков ГГ, Щерба ЮГ Современная кинематика Тарим-Тянь-Шань-Алтайского региона Центральной Азии (по данным GPS измерений) // Физика земли -2004 -№9 - С 31-40

4 Мухамедиев ША, Зубович АВ, Кузиков СМ. Объективный метод выявления блоковой структуры земной коры на основе GPS данных // Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке -Бишкек, НС РАН, 2005 - С 76-80

5 Зубович АВ, Мосиенко ОИ, Кузиков С.И., Меллорс Р Изучение современной тектоники Тянь-Шаня по данным космической геодезии // Области активного тектогенеза в современной и древней истории Земли Материалы XXXIX Тектонического совещания Том 1 - М ГЕОС,2006 -С 243-244

6 Мухамедиев Ш А, Зубович А В, Кузиков С.И. Выделение блоков земной коры по данным GPS-измерений // ДАН - 2006 - Т 408 -№4 -С 539-542

7 Zubovich А V, Mukhamediev ShA, Kuzikov S.I., Mosienko ОI The Definition of modem tectonic structure on the data of space geodesy // The Sixth International Symposium on Tienshan Earthquakes - Chme, Urumqi, 2006 -P 173-174

8 Zubovich A V, Mukhamediev Sh.A, Kuzikov S.I., Mosienko ОI Study of contemporary tectonic structure of Central Asia region on basis of GPS data // The 6th Workshop of Asia-Pacific Space Geodynamics Program -Korea, Jeju, ICC Jeju, 2006 -P. 48

9 Кузиков С.И., Мухамедиев ША, Зубович А В Структурное исследование современных горизонтальных движений земной поверхности методом кластерного анализа GPS скоростей на примере Центральной Азии // Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке Вып 1 / Отв ред М Г Леонов - Москва-Бишкек, НС РАН, 2006 - С 160-175

10 Зубович А В, Макаров В И, Кузиков С.И., Мосиенко О И, Щелочков Г Г Внутриконтинентальное горообразование в Центральной Азии по данным спутниковой геодезии // Геотектоника - 2007 - №1 - С 1629

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кузиков, Сергей Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СТРУКТУРНЫХ И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ.

1.1. Делимость и кинематика земной коры по геолого-геофизическим данным.

1.1.1. Континенты и литосферные плиты.

1.1.2. Развитие представлений о глобальной структуре литосферы и кинематике плит.

1.1.3. Проблемы делимости и деформирования континентальной коры.

1.1.4. Структурные и тектонические особенности Тянь-Шаня и прилегающих областей.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Структурный анализ горизонтальных скоростей по данным GPS и характер современной деформации земной коры Центральной Азии"

Обоснование темы и её актуальность

Изучение фрагментации и деформирования земной коры имеет продолжительную историю. В этом плане интерес для нас представляют такие направления как: эволюция взглядов на структурные единицы (фрагменты), слагающие литосферу Земли; преломление идей о делимости коры в исследованиях особенностей её деформирования; прогресс знаний о фрагментации и деформируемости литосферы с появлением GPS измерений.

В течение XX века в науках о Земле гипотеза дрейфа континентов (теория мобилизма) соперничала с учением о геосинклинальном развитии земной коры (теория фиксизма) и к концу прошлого столетия значительно упрочила свои позиции. Концепция мобилизма основывается на первичности и значимости горизонтальных перемещений различных участков литосферы, с позиций же фиксизма все глобальные геологические события осуществляются за счёт вертикальных движений земной коры. Отголоски борьбы этих концепций до сих пор накладывают свой отпечаток на мировоззрения учёных и интерпретацию наблюдаемого фактического материала.

Уже длительное время наибольшие споры в геодинамике вызывает характер деформирования континентальной литосферы. В подавляющем большинстве случаев, дискуссия развивается на материале Азиатских регионов, затронутых коллизией (столкновением) Индийской и Евразийской плит. Каким образом, в основном, происходит деформация и субдолготное сокращение коры Азии под воздействием давления со стороны Индии: за счет субширотного выжимания блоков или вследствие утолщения коры? Согласно одному взгляду, континентальная литосфера представляет собой ансамбль микроплит (блоков), а её деформация происходит за счет подвижек по границам. Альтернативное представление исходит из того, что деформация континентальной литосферы распределена по объему и отвечает реологической модели нелинейно-вязкой жидкости. Помимо таких крайних точек зрения, существуют и промежуточные представления, например, о некоторой комбинации слабо- и сильно-деформируемых участков литосферы. Описанная проблема приобрела статус одной из важнейших задач геодинамики. Ее нерешенность сдерживает разработку адекватных реологических моделей литосферы, и последующий переход от кинематических расчетов к определению полей напряжений.

В настоящее время для решения геодинамических задач все активнее используется Глобальная Система Позиционирования (Global Positioning System - GPS). С 80-х годов прошлого столетия GPS измерения стали применяться для изучения движений плит и деформации межплитных границ, косейсмических и постсейсмических деформаций, а также в других прикладных геофизических исследованиях (К.Е. Абдрахматов, О.Н. Галаганов, А.В. Зубович, В.И. Макаров, М.Т. Прилепин, Г.М. Стеблов, Ю.А. Трапезников, Ю.Г. Щерба, А.Р. Ярмухамедов, K.L. Feigl, J.T. Freymueller, R. Galas, B.H. Hager, T.A. Herring, S. Larsen, K.M. Larson, Ch. Reigber, R.E. Reilinger, Z.-K. Shen и др.).

Благодаря данным GPS были созданы новые глобальные модели движения литосферных плит, например, GSRM-1 (С. Kreemer, J. Haines, W.E. Holt) и REVEL (G.F. Sella, Т.Н. Dixon, A.L. Мао), частично учитывающие деформации плит, а также проанализированы ранее предлагавшиеся "геологические" модели (L. Prawirodirdjo, Y. Bock). Для районов, покрытых плотными GPS сетями (Калифорния, Япония, Центральная Азия, Тайвань), были подробно исследованы региональные характеристики современных деформаций земной коры. В то же время, были обнаружены и разногласия с количественными характеристиками "геологических" моделей и сейсмологических данных. Привлечение методов космической геодезии не позволило до сих пор однозначно определить характер деформирования континентальной коры. Не существует еще и однозначного ответа о природе различия скоростей движений и деформаций земной коры, определяемых по GPS измерениям и по другим геолого-геофизическим методам.

В настоящей диссертации сделана попытка приблизиться к решению некоторых из отмеченных выше проблем. Здесь затрагиваются структурные исследования на основе GPS наблюдений в районе Индо-Евразийской коллизии. При этом с различной степенью детальности изучаются горные сооружения Тянь-Шаня и прилегающих к нему соседних территорий. На примере Центрально-Азиатской GPS сети рассматривается структура поля горизонтальных скоростей с выделением в ней участков, ведущих себя подобно жестким блокам. Анализируется геометрия и кинематика зон повышенных скоростей деформаций, проводится их сравнение с геологическими разрывными структурами.

Эти исследования можно рассматривать в русле идей М.А. Садовского об иерархически дискретном (блочном, кусковатом) строении деформируемой геофизической среды, которая состоит "из целого ряда отдельностей (неоднородностей) в большом диапазоне масштабов". Изучение неоднородностей литосферы способствует не только выявлению свойств деформирования геофизической среды, но и свойств сейсмического процесса, сопровождающего это деформирование. Определение форм неоднородностей и расчёт их кинематических особенностей дают возможность оценить характер тектонических процессов, протекающих внутри земной коры в настоящее время. Принцип актуализма позволяет с некоторой степенью допущений представить развитие этих процессов в прошлом с учётом уже сформировавшихся геологических структур.

Следует отметить и методологический аспект предлагаемой работы -обозначено направление и сделаны шаги в разработке математического аппарата для идентификации по выборке из поля скоростей структурных элементов, которые по своей физической сути могут отвечать различным геологическим структурам (блокам, равномерно деформируемым участкам, зонам разломов, складкам и т.д.).

Цель и основные задачи исследования

Цель работы - разработка количественного подхода к выделению пространственных структур в дискретных наборах данных о скоростях движения, выявление характера современных деформаций на поверхности земной коры Центральной Азии по результатам GPS измерений и соотношения этих деформаций с неотектоническим строением региона. Для достижения обозначенной цели необходимо решить следующие задачи:

• Изучить возможность выявления трехмерной блоковой структуры и кинематики земной коры по данным о горизонтальных скоростях на ее поверхности.

• Разработать инвариантные относительно выбора системы отсчета и устойчивые по отношению к варьированию исходных данных методы выделения минимально деформируемых участков на основе дискретного набора данных о горизонтальных скоростях.

• На основе разработанных теоретических подходов выявить доменную (блоковую) структуру поля современных скоростей для региона развертывания ЦА GPS сети.

• Исследовать пространственное распределение и кинематику выделенных доменов и зон между ними на изучаемой территории.

• Определить пространственные соотношения между неотектоническими разрывными структурами, доменами и зонами между ними.

Объект и предмет исследования

В качестве основного объекта исследования в работе выступает поле скоростей современных горизонтальных движений на поверхности фрагмента коллизионной зоны столкновения Евразийского и Индийского континентов. При этом с различной степенью детальности и территориального охвата, изучаются горные сооружения Тянь-Шаня и Памира, Таримская впадина и Казахский щит (рис. В-1).

70° 80°

Рис. В-1. Географическое положение площади исследования по отношению к основным орографическим единицам к районе сочленения Евразийской и Индийской плит.

Рис. В-2 Чёрные треугольники - 323 пункта Цен траль но-А датской GPS сети, скорости в которых были получены за период 1995-2005 гг. и использованы для структурного анализа.

Практически, предметному изучению подлежат 323 скорости, которые измерены в отдельных пунктах Централь но-Азиате кой GPS сети (рис. В-2) и являются выборочной оценкой поля скоростей на указанной территории за период измерений 1995-2005 гг.

Определение некоторых терминов

Особенностью GPS измерений является их пространственная дискретность - данные о горизонтальных скоростях доступны лишь в точках х[к) расположения GPS станций (например, рис. В-2). Отсутствие информации о кусочно-непрерывном поле скоростей v(x) приводит к невозможности непосредственного определения линий разрыва скоростей ("разломов") и зон локализации деформаций, что существенно затрудняет задачу выделения блочной (доменной) структуры. В такой ситуации естественным представляется отталкиваться от строгого определения структур, возникающих в дискретных наборах данных о скоростях vw=v(x<<:)), с последующим построением алгоритмов их выделения.

Назовем группу горизонтальных скоростей \ (k^\,.JC, К> 3) Ш пространственно связанных точек х плоскости кластером, если эти точки принадлежат области Q, которая по кинематическим признакам с некоторой степенью точности является единым целым (рис. В-3).

Рис, В-3. Неоднозначность оконтуривания домена. Кружки обозначают местоположения GPS станций; залитые кружки соответствуют станциям, скорости которых принадлежат кластеру, индуцирующему домен; Q - минимальная конфигурация домена; Q+6Q - максимальная конфигурация домена; d-характерное расстояние между GPS станциями.

Жёсткий кластер - это кластер, скорости которого отвечают движению области Q как жёсткого целого с точностью до представления и округлений скоростей при вычислении.

Квазижёсткий кластер - кластер, скорости которого отвечают движению Q как жёсткого целого с точностью до некоторой приемлемой величины.

Статистически жёсткий кластер - кластер, отклонения скоростей которого от скоростей жёсткого кластера имеют случайное распределение и могут быть флуктуациями в пределах точности всего процесса получения скоростей.

Из предложенных определений понятие квазижёсткого кластера имеет наименьшие ограничения и может применяться (трактоваться) в более широком (обобщающем) смысле, включая в себя понятия жёсткого и статистически жёсткого кластеров.

Домен - односвязная плоская область Q, содержащая точки приложения скоростей какого-либо кластера и не содержащая других точек х<г> задания скоростей, не принадлежащих этому кластеру. В зависимости от типа формирующего его кластера домен может быть жёстким, квазижёстким или статистически жёстким.

Личный вклад автора

Совместно с Ш.А. Мухамедиевым автор принимал участие в исследовании отражения трехмерной кинематики блоков земной коры в поле поверхностных горизонтальных скоростей, а совместно с Ш.А. Мухамедиевым и А.В. Зубовичем - в разработке алгоритма и программной реализации детерминистского метода выделения доменной структуры по дискретным характеристикам поля скоростей. Непосредственно диссертантом предложен алгоритм и программно реализован статистический подход при структурно-доменных исследованиях скоростей, разработаны вспомогательные сравнительно-оценочные методы. Автором самостоятельно проведён кинематический анализ движения выделенных доменов и пространственное сопоставление зон между доменами с неотектоническими разломами, обобщение и интерпретация полученных результатов.

Результаты и их научная новизна

1) Предложены новые методы выявления доменной структуры в поле горизонтальных скоростей по выборке значений скоростей в конечной совокупности дискретных точек. В основу предложенных методов положен объективный (не зависимый от системы отсчёта) способ выделения и определения параметров движения доменов. Предусмотрена возможность выделения доменов со скоростями, статистически отличающимися от скоростей движения блока как жёсткого целого. При этом, Ш.А. Мухамедиевым доказано, что если скорости замерены с достаточной точностью в пределах жёсткого блока, то отсутствие вертикальной компоненты скорости не влияет на качество оконтуривания этого блока в горизонтальной плоскости.

2) При разработке методов структуризации поля скоростей были получены решения для ряда новых вспомогательных задач: а) для пространственной увязки и ориентировки относительных положений GPS пунктов автором введено понятие "минимизированная триангуляционная сеть", определены принципы и программно реализован алгоритм построения такой сети в двумерном пространстве. Сформулированы правила ориентировки во множестве GPS пунктов и нахождения ближайшего окружения с учётом минимизированной триангуляционной сети; б) для выделения и исследования выборки скоростей впервые разработан подход, использующий сочетание восходящего и нисходящего методов кластерного анализа. В процессе выделения кластеров, анализируемые выборки скоростей пространственно мигрируют и непостоянны по объёму; параметры изменчивости зависят как от характера исходных данных, так и от статистической оценки кластера; в) для выделения из смешанной выборки скоростей, принадлежащих одному квазижёсткому домену, предложен критерий, который основан на использовании t-статистики Стьюдента и учитывает случайные отклонения наблюдаемых векторов скоростей от скоростей движения жёсткого целого; г) разработан способ количественного сравнения двух неиерархических кластерных (в широком смысле) структур, построенных на разном количестве исходных данных или с использованием разных методов выделения. Способ позволяет, в частности, исследовать устойчивость решения по отношению к возмущению набора исходных данных.

Показана возможность и целесообразность изучения приповерхностного поля скоростей как отдельного объекта исследования вне зависимости от уже сформировавшихся геологических структур и других геофизических данных. Данные о скоростях, полученные GPS методом, способны не только играть вспомогательную роль в подтверждении или отбраковке некоторых теоретических построений, но и самостоятельно вносить весомый и определяющий вклад в представления о характере деформирования земной коры на современном этапе развития. Впервые построена кинематическая схема современных квазижёстких и статистически жёстких доменов и зон между ними для обширной территории Центральной Азии. В настоящее время деформация земной коры в районе столкновения Индии и Евразии такова, что может быть представлена в виде движения разновеликих минимально деформируемых участков, часто разделённых линейно вытянутыми зонами с повышенной интенсивностью деформаций.

Впервые выявлена закономерная связь пространственной ориентировки простираний зон, определяемых границами доменов, с их кинематикой.

Выявленное распределение парных относительных смещений по зонам между доменами и проявление S-образных форм у доменов, по аналогии с разломами в сдвиговых зонах, может соответствовать левосторонней транспрессионной зоне со значительным поперечным сокращением.

6) Впервые замечено, что современные зоны между доменами и неотектонические разломы не имеют значимой пространственной корреляции на всей территории исследуемой площади. Лишь в отдельных случаях они территориально и по знаку смещений соответствуют сегментам неотектонических разрывов земной коры.

Защищаемые положения

1. Выявленная взаимосвязь между кинематикой трехмерных блоков и полем горизонтальных скоростей на их поверхности показывает, что при наличии перепада высот между GPS станциями можно определить полный вектор угловой скорости блока, а при малом перепаде высот - жесткие домены в поле горизонтальных скоростей являются поверхностями реальных блоков.

2. Предложены и реализованы в виде компьютерных программ объективные (не зависящие от наблюдателя) и устойчивые методы выделения жестких и статистически жёстких плоских доменов по конечной совокупности горизонтальных скоростей, заданных в дискретном множестве точек.

3. Современная деформация земной коры в районе Индо-Евразийской коллизии может быть представлена в виде движения слабодеформируемых участков (доменов), разделённых междоменными зонами (МДЗ) с повышенными скоростями относительных смещений.

4. МДЗ имеют закономерную пространственную ориентировку и кинематику: для субширотных простираний (в среднем ~88°) характерно поперечное укорочение, для северо-восточных (в среднем -54°) - лево-сдвиговая компонента смещения, для северо-западных (в среднем -296°) - наличие правого сдвига, для некоторых непротяжённых субмеридиональных (в среднем -165°) - поперечное расширение. 5. Неотектонические разломы ЦА региона с одинаковой частотой попадают на территорию как современных статистически жёстких доменов, так и в пространство между ними.

Теоретическая и практическая ценность работы

Предложенные в работе подходы и алгоритмы при изменении критериев группировки могут быть использованы в теоретических и практических исследованиях пространственной структурированности не только данных GPS, но и других геофизических полей тензорной (в частности, скалярной) природы. Например, возможны постановка и решение задач о выделении квазиоднородных доменов во множестве пространственно дискретных данных о напряжениях, гравитационных аномалиях, тепловом потоке и т.д.

Полученные результаты будут полезны при оценке эндогенных процессов и построении механизмов протекания коровой деформации. В частности, характер поверхностных движений земной коры исследуемой территории накладывает, в определённой мере, ограничения на протекания здесь некоторых мантийных процессов, например, восходящих потоков (Зубович и др., 2007).

Наличие внутри домена одного или нескольких векторов, резко отличающихся по величине и/или направлению от характерных для этого блока (outliers), часто при детальном рассмотрении объясняется дефектами измерений или локальными смещениями, не связанными с региональной тенденцией. Таким образом, доменные схемы при определённых условиях способны оценивать качество интерпретируемых исходных данных. А оценки форм и размеров доменов м зон между ними будут полезны для методических рекомендаций при проектировании новых GPS сетей и для корректировки режима измерений уже существующих.

Полученные автором структурно-кинематические схемы могут принести пользу при построении сейсмотектонических моделей, прогнозе землетрясений, уточнении действующих карт сейсмической опасности, выборе мест для строительства важных хозяйственных объектов.

Апробация работы.

Основные результаты и положения исследований были представлены:

1) на Втором международном симпозиуме "Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов", Бишкек, 2002 г.;

2) на международном семинаре "Методика GPS измерений", Бишкек, 2003 г.;

3) на Пятом Казахстанско-Китайском симпозиуме "Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии", Алма-Ата, 2003 г.; на международной научной конференции "Современная геодинамика и геоэкология Тянь-Шаня", Бишкек, 2004 г.; на международной научной конференции "Проблемы оценки сейсмической опасности, сейсмического риска и прогноза землетрясений", Ташкент, 2004 г.; на Третьем международном симпозиуме "Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке", Бишкек, 2005 г.; на XXXIX Тектоническом совещании "Области активного тектогенеза в современной и древней истории Земли", Москва, 2006 г.;

8) на Шестом международном симпозиуме по землетрясениям Тянь-Шаня, Урумчи (Китай), 2006 г.;

9) на Шестом международном рабочем совещании Азиатско-Тихоокеанской космической геодинамической программы, Джейджу (Корея), 2006 г.;

10) на семинаре "Использование GPS для решения геодезических и геодинамических задач" ИФЗ РАН, Москва, 2006 г.

Публикации

Основные положения диссертации изложены в 4 научных отчетах НС РАН и 10 опубликованных работах [21-23, 31-33, 52-53, 190-191].

Структура работы

Диссертация имеет общий объём 167 страниц и состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, списка использованной литературы из 191 наименования, включает 38 рисунков и 18 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Кузиков, Сергей Иванович

3.3.4. Выводы по тестам

Как показали результаты тестирования, алгоритм выделения статистически жёстких доменов достаточно успешно справляется со своей задачей даже при весьма незначительных отличиях в приграничных векторах двух соседних участков с разными параметрами вращения и наложенным на скорости случайным шумом. Если исследуемое поле скоростей имеет домены (участки) с достаточно разными векторами в приграничных зонах, то лучше использовать максимальное значение вероятности для t-статистики Стьюдента 0,999. Если же скорости соседних участков близки между собой, то рекомендуется использовать вероятности 0,9-Ю,98. При решении обратных задач нам обычно практически ничего не известно о первичной структуре скоростного поля. В этом случае более выигрышным будет комплексный анализ скоростного поля, при котором следует начинать с вероятности 0,999 максимальное укрупнение доменов) и далее пошагово уменьшать вероятность. Сравнение контуров и положений доменов при разных вероятностях t-статистики даст представление об устойчивости и сложности строения исследуемого поля скоростей. После чего можно принять решение о наиболее вероятном доменном устройстве анализируемой территории, основанной на данной выборке из поля скоростей.

В статистическом методе выделения доменов по сравнению с детерминистским подходом сделан шаг вперёд в области более устойчивого воспроизведения доменной структуры по отношению к изменению количества исходных данных. Так, при удалении из исходной выборки наблюдённых GPS данных каждого третьего по списку вектора скорости (108 из 323), не более чем на 5% меняется распознанная доменная структура. А изменение масштаба генерализации или смена вероятности t-статистики Стьюдента влечёт изменение доменной структуры не более чем на 10%. Тестирование на воспроизведение структур при различных количествах исходных данных важно в том смысле, что дискретные GPS скорости сами по себе являются выборочными. А представительность данной выборки и доверие к ней можно оценить по степени воспроизведения доменной структуры на разных вариантах выборок из наблюдаемых скоростей.

ГЛАВА 4.

ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА И ХАРАКТЕР СОВРЕМЕННОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ

Наиболее ответственной и интересной частью данной работы является применение описанного выше статистического подхода для кластеризации реально измеренных GPS скоростей. Выделенная таким образом современная доменная структура на поверхности Земли несёт качественную и количественную информацию о характере деформации земной коры не только для региона GPS измерений, но и даёт возможность судить об эволюции литосферы в целом. Прежде чем перейти к описанию результатов и их интерпретации, следует привести характеристику первичных данных GPS измерений, на базе которых основываются дальнейшие построения.

4.1. Характеристика входного набора GPS данных

4.1.1. Первичные GPS наблюдения и скорости

В результате измерений на Центрально-Азиатской (ЦА) GPS сети и многоступенчатой процедуры вычислений каждому пункту приписывается усреднённая за общий интервал наблюдений скорость покомпонентного (по долготе, широте и вертикали) смещения в мм/год. Как было заявлено выше, мы ограничимся исследованием только горизонтальных составляющих скорости (северной и восточной). Сокращение размерности исходных данных обусловлено не только фактором упрощения численных манипуляций и восприятия, но и в значительной мере объективной разницей в точности представления разных компонент скорости. Так горизонтальные компоненты имеют приблизительно равные оценки погрешностей, которые примерно в 2 раза меньше по величине оценок точности вертикальных смещений. Влияние сокращения размерности GPS данных на результаты их интерпретации детально проанализировано и приведено в разделе 2.1 и приложении 1.

Для целей диссертации нет необходимости вдаваться в детали процесса GPS измерений и метаматематической обработки их результатов. Анализируемые скорости были рассчитаны А.В. Зубовичем и О.И. Мосиенко (лаборатория GPS, НС РАН) с использованием известного программного пакета "GAMIT/GLOBK". В этом контексте стоит лишь упомянуть, что при обработке GPS данных принимаются во внимание многие факторы, влияющие отрицательно на точность вычисляемых скоростей. На стадии обработки данных программой "GAMIT" [110, 109, 118 и др.] с использованием справочных библиотек для корректировки учитываются:

• ионосферные и тропосферные задержки сигнала от GPS спутников;

• неточности при синхронизации времени на спутниках и приёмниках;

• отклонения от теоретических орбит спутников;

• изменение параметров земной ориентации, скорости вращения и положения оси вращения Земли;

• влияние солнечно-лунных приливов и отливов, а также др.

Дальнейший процесс получения скоростей с высокой точностью обеспечивается программой "GLOBK". При этом происходит объединение разновременных измерений для каждого GPS пункта, выбор стабилизационных параметров для системы отсчёта и поиск оптимального решения с минимумом суммарных отклонений временных рядов [129, 119-120].

Качество рассчитанной скорости для каждого пункта напрямую зависит от количества циклов измерений и общей их продолжительности. Считается, что если скорость получена в результате не менее чем трёх замеров в течение не менее трёх лет, то такой вектор может быть использован для интерпретации [20]. Дальнейшее увеличение, как временного интервала, так и количества замеров, способствуют повышению достоверности рассчитываемой скорости в данной точке. В определённом смысле многолетние GPS наблюдения на обширных территориях являются уникальным и ценным первичным материалом, не подлежащим повторной перерегистрации для данного промежутка времени.

4.1.2. Общая характеристика анализируемых векторов скорости

Из 518 пунктов ЦА GPS сети для кластеризации были отобраны 323, которые за 11-летний интервал наблюдений (1995-2005гг.) измерялись от 3 до 11 раз (в среднем 5,3) и покомпонентные оценки ошибок измерений (а) которых не превышают 1,0 мм/год. В результате совместной обработки GPS данных, измеренных в отдельных точках земной поверхности исследуемого региона, получены векторы скорости, рассчитанные относительно стабильной части Евразийского континента (рис. 4.1-1).

В качестве входного набора данных для структурно-блокового анализа используется таблица, строки которой характеризуют отдельные GPS пункты на поверхности земли. Столбцы представляют собой характеристики пунктов, фрагмент исследуемых данных приведен в таблице 4.1.1. Для каждого вектора скорости его а-мы по горизонтальным компонентам (X и Y) могут в среднем отличаться до ~10% от минимального значения а по одной из компонент вектора скорости. Для упрощения дальнейших вычислений разницей между ошибками северной и восточной компонент одного вектора скорости можно пренебречь, приняв максимальное значение за изотропную горизонтальную оценку ошибки измерения аху.

Рис. 4.1-1. Скорости современных движений 323 пунктов Центрально-Азиатской GPS сети, вычисленные относительно стабильной части Евразии за период наблюдений 1995-2005 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Отличительной особенностью подхода, предложенного и развитого в диссертации, является то, что данные GPS измерений рассматриваются не как вспомогательный материал, а как непосредственно входная информация, нуждающаяся в прямой интерпретации. Данные GPS могут самостоятельно нести важную информацию о характере современного деформирования земной коры, но анализироваться они должны специальными количественными методами.

В данной работе предложены алгоритмы активного поиска на основе дискретного набора горизонтальных скоростей доменов (блоков) с некоторой степенью жёсткости и пассивного выделения пространства между доменами с повышенным уровнем скорости деформации. Эти подходы опираются на физически обоснованные признаки идентифицируемого по скоростям жёсткого блока, не зависят от выбора системы отсчёта, учитывают полный спектр его плоских движений и возможные случайные отклонения наблюдаемых скоростей от скоростей движения моделируемого блока.

При разработке методов структуризации поля скоростей были получены решения ряда новых вспомогательных задач, при этом сделано следующее:

• произведена оценка влияния перехода от 3D к 2D данным GPS и доказано, что если скорости замерены с достаточной точностью в пределах жёсткого блока, то отсутствие вертикальной компоненты скорости не влияет на качество оконтуривания этого блока в горизонтальной плоскости.

• предложен метод определения параметров вращения для группы скоростей с минимальными отклонениями их от скоростей жёсткого целого;

• разработан алгоритм построения минимизированной триангуляционной сети для пространственной ориентировки среди GPS пунктов;

• найден принцип выделения кластера из смешанной выборки скоростей, принадлежащих одному квази- и статистически жёсткому домену;

• предложен критерий для выделения кластеров и определения их статистической цены, благодаря чему можно количественно сравнивать кластеры с различным числом скоростей и уровнем их отклонений от жёсткого целого;

• предложен способ количественного сравнения на воспроизведение двух неиерархических кластерных структур, построенных на разном количестве исходных данных или с использованием разных методов выделения и др.

Из построенных структурных и кинематических схем следует то, что современная деформация верхней коры в районе Индо-Евразийской коллизии может быть представлена как минимум двумя типами неоднородностей: доменами (статистически жёсткими участками поверхности) и междоменными зонами (МДЗ), которые имеют закономерное пространственное распределение и кинематику. Для субширотных простираний МДЗ (в среднем -88°) характерно поперечное укорочение, для СВ (в среднем -54°) - лево-сдвиговая компонента смещения, для СЗ (в среднем -296°) - наличие правого сдвига, для некоторых непротяжённых субмеридиональных (в среднем -165°) - поперечное расширение. У некоторых доменов проявлены S-образные границы.

По этому поводу следует отметить выявленные на Тибете с помощью InSAR метода сопряженные зоны сдвигов [177] (см. раздел 1.2.3), которые практически полностью по направлению и кинематике соответствуют вышеописанным междоменным зонам (см. раздел 4.2.3). Кроме этого, ориентация оси скорости максимального укорочения, выявляемая по GPS данным, хорошо согласуется с направлением оси максимального сжатия палеонапряжений, определяемой по трещиноватости кайнозойских пород [7].

Современные междоменные зоны являются местом концентрации относительных смещений, которые в несколько раз (до порядка) превышают величину смещений внутри доменов. Количественная оценка свидетельствует о том, что неотектонические разломы с одинаковой частотой попадают как на территорию современных доменов, так и в пространство между ними.

Подобная декорреляция сложившихся геологических структур и результатов GPS измерений отмечается и другими авторами (см. раздел 1.2.3).

Минимальный достоверно выделенный домен по 10 GPS пунктам в районе Бишкекской локальной сети имеет размер порядка ~10х50 км2, максимальное отклонение наблюдаемых скоростей от скоростей жёсткой модели - 0,28 мм/год (в среднем - 0,2 мм/год). Максимальный размер домена л фиксируется на территории Казахского щита и составляет ~700х800 км , максимальное отклонение наблюдаемых скоростей от скоростей жёсткого целого - 0,67 мм/год (в среднем - 0,36 мм/год).

С 95 % вероятностью все оценённые ошибки измерений GPS скоростей, для анализируемых данных Центрально-Азиатской (ЦА) сети, не превышают 0,67 мм/год. Эта величина составляет ~16% от средней скорости (4,17 мм/год -средний полезный сигнал) для всей минимизированной ЦА GPS сети. Т.о. наблюдаемый нами структурный рисунок GPS скоростей довольно устойчив за 11-летний (1995-1995 гг.) интервал наблюдений.

Представляется интересным, исследовать вопрос о дальнейшей устойчивости сигнала GPS скоростей на более продолжительные сроки и как он соотносится с интегральной необратимой деформационной структурой, сформированной за последние миллионы или сотни тысяч лет. Есть веские основания полагать, что GPS данные в основном отражают (в длительные периоды между землетрясениями) упругие деформации. После сильного землетрясения такие деформации могут сбрасываться и затем вновь накапливаться. Геологические наблюдения фиксируют только результат необратимых сдвигов (т.е. сумму неупругих деформаций) за длительный геологический этап. Таким образом, геодезические и геологические наблюдения фиксируют деформации разной природы, первые - в основном, обратимые деформации, а вторые - необратимые.

В перспективе наших исследований предполагается перейти от плоского моделирования к анализу трёхмерных GPS данных. Проделана часть работы по целенаправленной идентификации движущихся доменов и, при этом, испытывающих однородную деформацию. Теоретически представляется возможным распознание по дискретным данным из поля скоростей участков складчатости и других аналогов геологических структур. Такого рода задачи не тривиальны в исполнении, по объёму и сложности промежуточных решений они вполне могут составить отдельное направление исследований.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кузиков, Сергей Иванович, Москва

1. Абдрахматов К.Е., Уэлдон Р., Томпсон С., Бурбанк Д., Рубин Ч., Миллер М., Молнар П. Происхождение, направление и скорость современного сжатия Центрального Тянь-Шаня (Киргизия) // Геология и геофизика. 2001. - Т. 42. -№ 10.-С. 1585-1609.

2. Айзерман М.А. Классическая механика. М.: Наука, 1974. - 368 с.

3. Арган Э. Тектоника Азии / Пер. с фр. М.,Л.: ОНТИ, 1935. - 192 с.

4. Бакиров А.Б. Эволюция литосферы Тянь-Шаня // Изв. HAH КР (Бишкек). 1999. -С. 3-14.

5. Бакиров А.Б., Максумова Р.А. Геодинамическая эволюция литосферы Тянь-Шаня // Геология и геофизика. 2001. - Т. 42. - № 10. - С. 1435-1443.

6. Белоусов В.В. Основы геотектоники. М.: Недра, 1975. - 125 с.

7. Бендат Дж„ Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных / Пер. с англ. -М.: Мир, 1989.-540 с.

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике дня инженеров и учащихся втузов -М.: Наука, 1986. 544 с.

9. Буртман В С. Таласо-Ферганский сдвиг (Тянь-Шань). М.: Наука, 1964. - 143 с.

10. Вегенер А. Происхождение континентов и океанов / Пер. с нем. Л.: Наука, 1984. -285 с.

11. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1974. - 352 с.

12. Гатинский Ю.Г., Рундквист Д.В. Геодинамика Евразии тектоника плит и тектоника блоков // Геотектоника. - 2004. -№ 1. - С. 3-20.

13. Григина О.М., Фортуна А.Б. Палеогеография Северного Тянь-Шаня в кайнозое. Фрунзе: Илим, 1981. - 194 с.

14. Жамбю М. Иерархический кластер-анализ и соответствия / Пер. с франц. М.: Финансы и статистика, 1988. - 244 с.

15. Замалетдинов Т.С., Осмонбетов КО. Геодинамическая модель развития земной коры Киргизии в фанерозое // Сов. геология. 1988. - № 2. - С. 74-81.

16. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И., Натапов JI.M. Тектоника литосферных плит на территории СССР. Т. 1-2. - М.: Недра, 1990.

17. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. Палеогеодинамика. М.: Наука, 1993. - 193 с.

18. Зубович А.В. Изучение поля скоростей современных движений земной коры Центрального Тянь-Шаня методами космической геодезии: Дисс. канд. физ.-мат. наук. М.: ОИФЗ РАН, 2001. - 95 с.

19. Зубович А.В., Макаров В.И., Кузиков С.И., Мосиенко О.И., Щелочков Г.Г. Внутриконтинентальное горообразование в Центральной Азии по данным спутниковой геодезии // Геотектоника. 2007. - № 1. - С. 16-29.

20. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

21. Кнауф В.И., Резвой Д.П., Поршняков Г.С. Тектоника // Геология СССР. Т. 25. Кн. 2.-М.: Недра, 1972. С. 156-280.

22. Кокс А., Хорт Р. Тектоника плит / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 427 с.

23. Королёв В.Г., Киселев В.В., Максумова Р.А. Основные черты палеозойской тектоники северного и срединного Тянь-Шаня в пределах Киргизской ССР // Тектоника Тянь-Шаня и Памира. М.: Наука, 1983. - С. 55-60.

24. Кочарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. М.: ИКЦ Академкнига, 2003. - 423 с.

25. Краснопевцева Г.В., Щукин Ю.К. Тектоническая делимость земной коры Восточно-Европейской платформы // Геофизика. 1996. -№ 4. - С. 19-24.

26. Красный Л.И. Геоблоки // Геотектоника. 1967. - № 5. - С. 103-120.

27. Кулон Ж. Разрастание океанического дна и дрейф континентов. JL: Недра, 1973. -232 с.

28. Куренков С.А. Тектоника офиолитовых комплексов Южного Тянь-Шаня. -М.: Наука, 1983.-95 с.

29. Куренков С.А., Аристов В.А. О времени формирования коры Туркестанского палеоокеана // Геотектоника. 1995. - № 6. - С. 22-31.

30. Курскеев А.К., Шацилов В.И. Об особенностях глубинного строения зон сочленения Джунгаро-Балхашской и Северо-Тянь-Шаньской складчатых систем // Геофизические условия в очаговых зонах сильных землетрясений. М.: Наука, 1983.-С. 159-167.

31. Леонов М.Г. Тектоническая структура области сочленения Зеравшано-Туркестанской и Зеравшано-Гиссарской структурно-формационных зон Южного Тянь-Шаня//Геотектоника,- 1989,-№4.-С. 118-121.

32. Леонов М.Г. Геодинамические режимы Южного Тянь-Шаня в фанерозое // Геотектоника. -1996. № 3. - С. 36-53.

33. Ломизе М.Г. Важнейшая структурная линия Тянь-Шаня (линия Николаева 60 лет спустя) // Веста. МГУ. Сер. 4. Геология. 1994. - № 1. - С. 48-64.

34. Макаров В.И. Новейшая тектоническая структура Центрального Тянь-Шаня. -М.: Наука, 1977.- 172 с.

35. Макаров В.И., Трифонов В.Г., Щукин Ю.К. и др. Тектоническая расслоенность литосферы новейших подвижных поясов. М.: Наука, 1982. - 115 с.

36. Макаров В.И., Трапезников Ю.А. Изучение современных деформаций земной коры методами космической геодезии // Геоэкология. 1996. - № 3. - С. 70-85.

37. Макарычев Г.И., Гесь М.Д. Тектоническая природа зон сочленения Северного и Срединного Тянь-Шаня // Геотектоника. 1981. - № 4. - С. 57-72.

38. Маккензи Д.П. Тектоника плит // Природа твердой Земли / Пер. с англ.; Под ред. Ю. Робертсона. М.: Мир. 1975. - С. 180-210.

39. Максумова Р.А., Дженчураева А.В., Березанский А.В. Структура и эволюция покровно-складчатого сооружения киргизского Тянь-Шаня // Геология и геофизика.-2001.-Т. 42.-№10.-С. 1444-1452.

40. Математический энциклопедический словарь / Гл. ред. Ю.В. Прохоров М.: Советская энциклопедия, 1988. - 847 с.

41. Миди Б.Дж., Хагер Б.Х. Современное распределение деформации в западном Тянь-Шане по блоковым моделям, основанным на геодезических данных // Геология и геофизика. 2001. - Т. 42. -№ 10. - С. 1622-1633.

42. Миколайчук А.В., Котов В.В., Кузиков С.И. Структурное положение метаморфического комплекса Малого Нарына и проблема границы Северного и Срединного Тянь-Шаня // Геотектоника. 1995. - № 2. - С. 75-85.

43. Миясиро А., Аки К., Шенгёр А.Дж. Орогенез / Пер. с англ. М.: Мир, 1985. -288 с.

44. Мухамедиев Ш.А., Зубович А.В., Кузиков С.И Объективный метод выявления блоковой структуры земной коры на основе GPS данных // Геодинамика и геоэкология высокогорных регионов в XXI веке. Бишкек, НС РАН, 2005. -С. 76-80.

45. Мухамедиев Ш.А., Зубович А.В., Кузиков С.И. Выделение блоков земной коры по данным GPS-измерений // ДАН. 2006. - Т. 408. - № 4. - С. 539-542.

46. Назарова JI.A., Назаров JI.A., Дядьков П.Г. Математическое моделирование кинематики плит Центральной Азии // ФТПРПИ. 2002. - № 5. - С. 3-9.

47. Наливкин Д.В. Очерк геологии Туркестана. Ташкент; М., 1926. - 198 с.

48. Никишин A.M. Тектонические обстановки. Внутриплитные и окраинноплитные процессы. М.: Изд-во МГУ, 2002. - 365 с.

49. Никонов А.А. Голоценовые и современные движения земной коры. М.: Наука, 1977.-240 с.

50. Никонов А.А. Активные разломы: определение и проблемы выделения // Геоэкология. 1995. - № 4. - С. 16-27.

51. Петрушевский Б.А. Урало-Сибирская эпигерцинская платформа и Тянь-Шань. -М.: Изд-во АН СССР, 1955. 552 с.

52. Попов В.В. Закономерности распределения четвертичных отложений в связи с молодыми движениями (на примере Иссык-Куля и других впадин Тянь-Шаня) // Тр. Всес. рабоч. совещ. по итогам изуч. четвертич. периода. Ташкент, 1953.

53. Резвой Д.П. Тектоника восточной части Туркестано-Алайской горной системы. -Львов: Изд-во Львов, 1959. 370 с.

54. Рогожин Е.А. Палеозойская тектоника западной части Туркестанского хребта. -М.: Наука, 1977.-97 с.

55. Рыбин А.К., Баталёв В.Ю., Ильичёв П.В., Щелочков Г.Г. Магнитотеллурические и магнитовариационные исследования Киргизского Тянь-Шаня // Геология и геофизика.-2001.-Т. 42.-№ 10.-С. 1566-1573.

56. Рыжков О.А. Тектоника меловых и кайнозойских отложений Ферганской депрессии. Ташкент: Изд-во АН УзССР, 1959. - 200 с.

57. Садовский М.А. О естественной кусковатости горных пород // Доклады АН СССР. 1979. - Т. 247. - № 4. - С. 829.

58. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. О свойстве дискретности горных пород // Известия АН СССР. Физика Земли. 1982. -№ 12. - С. 3-18.

59. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987. - 100 с.

60. Садыбакасов И. Неотектоника Высокой Азии. М.: Наука, 1990. - 180 с.

61. Синицын В.М. Тектоника горного обрамления Ферганы. JL: Изд-во ЛГУ, 1955. -219с.

62. Современная геодинамика областей внутриконтинентального коллизионного горообразования (Центральная Азия) / Отв. ред. В.И. Макаров. М.: Научный мир, 2005.-400 с.

63. Стеблов Г.М., Фролов Д.И., Куксенко B.C. Кинематика движения материков Земли // Физика твердого тела. 2005. - Том 47. - Вып. 6. - С. 1009-1014.

64. Стратифицированные и интрузивные образования Киргизии / Гл. ред. К.О. Осмонбетов. Фрунзе: Илим, 1982. - Кн. 1. - 86 с.

65. Тектоническая карта Киргизской ССР. Масштаб 1 :500 000. Объяснительная записка. Фрунзе: Илим, 1987. - 86 с.

66. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.-285 с.

67. Трифонов В.Г. Позднечетвертичный тектогенез. М.: Наука, 1983. - 224 с.

68. Трифонов В.Г., Макаров В.И., Востриков Г.А. Структурно-динамическая расслоенность литосферы неотектоничексих подвижных поясов // Докл. 27-го Междунар. геол. конгр. М.: Наука, 1984. - Т. 3. - С. 105-117.

69. Трифонов В.Г., Макаров В.И., Скобелев С.Ф. Таласо-Ферганский правый сдвиг // Геотектоника. 1990. -№ 5. - С. 81-92.

70. Трифонов В.Г. Неотектоника Евразии. М.: Мир, 1999. - 252 с.

71. Трусделл К. Первоначальный курс рациональной механики сплошных сред. М.: Мир, 1975.-592 с.

72. Уломов В.И. О роли горизонтальных тектонических движений в сейсмогеодинамике и прогнозе сейсмической опасности / Физика Земли. 2004. — №9.-С. 14-30.

73. Ушаков С.А., Ясманов Н.А. Дрейф материков и климаты Земли. М.: Мысль, 1984.-206 с.

74. Хаин В.Е. Тектоника континентов и океанов (год 2000). М.: Научный мир, 2001.-605 с.

75. Чедия O.K. Морфоструктуры и новейший тектогенез Тянь-Шаня. Фрунзе: Илим, 1986.-314 с.

76. Четвертичная тектоника Памира и Тянь-Шаня / В.Н. Крестников, Т.П. Белоусов, В.И. Ермилин и др.; Под ред. Г.П. Горшкова. М.: Наука, 1979. - 115 с.

77. Чини Р.Ф. Статистические методы в геологии / Пер. с англ. М.: Мир, 1986. -189 с.

78. Шульц С.С. Анализ новейшей тектоники и рельеф Тянь-Шаня. М.: ОГИЗ, Географгиз, 1948. - 222 с.

79. Albarello D., Mantovani E., Babucci D., Tamburelli C. Africa-Eurasia kinematics: main constraints and uncertainties // Tectonophysics. 1995. - Vol. 243. - P. 25-36.

80. Anderson D.L., Tanimoto Т., Zhang Y. Plate tectonics and hotspots: The third dimension // Science. 1992. - Vol. 256. - P. 1645-1651.

81. Andrews H.C., Patterson C.L. Outer product expansions and their uses in digital image processing // The American Mathematical Monthly. 1975. - Vol. 82. - P. 1-13.

82. Armijo R., Tapponnier P., Tonglin H. Late Cenozoic rightlateral strike-slip faulting in southern Tibet // J. Geophys. Res. 1989. - Vol. 94. - P. 2787-2838.

83. Avouac J.-P., Tapponier P. Kinematic model of active deformation in central Asia // Geophysical Research Letters. 1993. - Vol. 20. - P. 895-898.

84. Baksi A.K. Reevaluation of Plate Motion Models Based on Hotspot Tracks in the Atlantic and Indian Oceans // The Journal of Geology. 1999. - Vol. 107. - P. 13-26.

85. Bendick R., Bilham R., Freymueller J., Larson K., Yin G. Geodetic evidence for a low slip rate in the Altyn Tagh fault system // Nature. 2000. - Vol. 404 (6773). - P. 6972.

86. Bossier J.D., Goad C.D., Bender P.L. Using the Global Positioning System (GPS) for geodetic positioning. // Bulletin Geodesique. 1980. - Vol. 54. - P. 553-563.

87. Bourne S.J., EnglandP.C., Parsons B. The motion of crustal blocks driven by flow of the lower lithosphere and implications for slip rates of continental strike-slip faults // Nature. -1998. Vol. 391. - P. 655-659.

88. Chase C.G. The n-plate problem of plate tectonics // Geophys. J. R. Astron. Soc. -1972.-Vol. 29.-P. 117-122.

89. Chen Q., Freymueller J.T., Wang Q., Yang Z., Xu C., Liu J. A deforming block model for the present-day tectonics of Tibet // J. Geophys. Res. 2004. - Vol. 109, B01403. -doi: 10.1029/2002JB002151.

90. Courtillot V., Davaille A., Besse J., Stock J. Three distinct types of hotspots in the Earth's mantle // Earth and Planetary Science Letters. 2003. - Vol. 205. - P. 295308.

91. DeMetz C., Gordon R.G., Argus D.F., Stein S. Current plate motions // Geophys. J. Int. -1990.-Vol. 101.-P. 425-478.

92. DeMetz C., Gordon R.G., Argus D.F., Stein S. Effect of recent revisions of the geomagnetic reversal time scale on estimates of current plate motions // Geophys. Res. Lett. 1994. - Vol. 21. -P. 2191-2194.

93. Dictionary of geophysics, astrophysics, and astronomy / Edited by Richard A. Matzner. London, New York, Washington, D.C.: CRC Press, 2001. - 524 p.

94. Documentation for the GAMIT GPS analysis software. Release 9.9. / EAPS, MIT, 2001.-204 p.

95. Dong D.-N., Bock Y. GPS network analysis with phase ambiguity resolution applied to crustal deformation studies in California // J. Geophys. Res. 1989. - Vol. 94. -P. 3949-3966.

96. Dupont-Nivet G., Butler R.F., Yin A., Chen X. Paleomagnetism indicates no Neogene vertical axis rotations of the northeastern Tibetan Plateau // J. Geophys. Res. 2003. -Vol. 108(B8). - 2386-2399 p. - doi: 10.1029/2003JB0023 99.

97. Du Toil A.L. Our wandering continents, an hypothesis of continental drifting. -Edinburgh, London: Oliver and Boyd. 1937. - 366 p.

98. England B.C., McKenzie D.P. A thin viscous sheet model for continental deformation // Geophys. J. R. Astron. Soc. 1982. - Vol. 70. - P. 295-321.

99. England P., Molnar P. Active deformation of Asia: from kinematics to dynamics // Science. 1997. - Vol. 278. - P. 647-650.

100. Flesch L.M., Haines A.J., Holt W.E. Dynamics of the India-Eurasia collision zone // J. Geophys. Res. 2001. - Vol. 106 (B). - P. 16,435-16,460.

101. Foulger G.R., Natland J.H., Presnall D.C., Anderson D.L. Plates, plumes and paradigms // Geological Society of America Special Paper. 2005. - Vol. 388. P. 31-54.-doi: 10.1130/2005.2388(04).

102. GAMIT. Reference manual. GPS analysis at MIT. Release 10.3. / Herring T.A., King R. W., McClusky S.C. EAPS, MIT, 2006. - 182 p.

103. GLOBK: Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program Version 10.0. / Herring, T. A. EAPS, MIT, 2001. - 86 p.

104. GLOBK. Reference manual. Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program. Release 10.3 ./Herring T.A., KingR.W., McClusky S.C. EAPS, MIT, 2006. - 87 p.

105. Godard G. Eclogites and their geodynamic interpretation: a history // Journal of Geodynamics. 2001. - Vol. 32. - P. 165-203.

106. Gordon R.G., Stein S. Global tectonics and space geodesy // Science. 1992. -Vol. 256.-P. 333-342.

107. Greiner B. Euler rotations in plate-tectonic reconstructions // Computers & Geosciences. 1999. - Vol. 25. - P. 209-216.

108. Gripp A.E., Gordon R.G. Current plate velocities relative to hotspots incorporating the Nuvel-1 global plate motion model // Geophys. Res. Lett. 1990. - Vol. 17. - P. 11091112.

109. Hager B.H, King R.W., Murray M.H. Measurement of crustal deformation using Global Positioning System. // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 1991. - Vol. 19. - No. 2. -P. 351-382.

110. Hamburger M.W., Song X.D., Hager B.H. et al. Results from a GPS geodynamic network in the Tien Shan mountains, Kirgyzstan and Kazakhstan. CIS // Europ. Geophys. Soc. Meeting. Grenoble. 1994. - P. 52-54.

111. Hashimoto M., Miyazaki S., Jackson D.D. A block-fault model for deformation of the Japanese Islands derived from continuous GPS observation // Earth Planets Space Letters. 2000. - Vol. 52. - P. 1095-1100.

112. Herring T.A. Geodetic Applications of GPS // Proceedings of the IEEE. 1999. -Vol. 87.-No. 1.-P. 92-110.

113. Herring T.A., Davis J.L., Shapiro I.I. Geodesy by radio interferometry: the application of Kalman filtering to the analysis of very long baseline interferomery data // J. Geophys. Res. 1990. - Vol. 95, № B8. - P. 12,561-12,581.

114. Hetland E.A., Hager B.H. Postseismic relaxation across the Central Nevada Seismic Belt // J. Geophys. Res. 2003. - Vol.108. - №B8, 2394. -doi: 10.1029/2002JB001879.

115. Hojmann-Wellenhof В., Lichtenegger H. GPS Theory and Practice. Fourth, revised edition. Wien: Springer-Verlag, 1997. - 390 p.

116. Irving E. The role of latitude in mobilism debates // PNAS. 2005. - Vol. 102. -P. 1821-1828.

117. Irwan M., Kimata F., Hirahara K., Sagiya Т., Yamagiwa A. Measuring ground deformation with 1-Hz GPS data: the 2003 Tokachi-oki earthquake (preliminary report) // Earth Planets Space. 2004. - Vol. 56. - P. 389-393.

118. Isacks В., Oliver J., Sykes L.R. Seismology and the new global tectonics // J. Geophys. Res. 1968. - Vol. 73. - P. 5855-5899.

119. Khazaradze G., Klotz J. Short- and long-term effects of GPS measured crustal deformation rates along the south central Andes I I J. Geophys. Res. 2003. -Vol. 108. - № B6,2289. - doi:10.1029/2002JB001879.

120. Kreemer С., Haines A.J., Holt W.E., Blewitt G., Lavallee D. On the determination of a global strain rate model // Earth Planets Space. 2000. - Vol. 52. - P. 765-770.

121. Kreemer C., Holt W.E., Haines A. J. An integrated global model of present-day plate motions and plate boundary deformation // Geophys. J. Int. 2003. - Vol. 154. - P. 834.

122. Kropotkin P.N. Eurasia as a composite continent // Tectonophysics. 1971. - Vol. 12. -P. 261-266.

123. Kumkova /./., Shempylev A.G., Wilson P. et al. Experience with GPS measurements from the Black sea to the Northern Caucasus // 1st international symposium on deformations in Turkey "Istambul-94". Abstracts. 1994. - P. 129-130.

124. Leick A. GPS satellite surveying. Second Edition. New York: J. Wiley & Sons, 1995. - 560 p.

125. Le Pichon X. Sea-floor spreading and continental drift // J. Geophys. Res. 1968. -Vol. 73.-P. 3661-3691.

126. Liren H., Yang F., Wuxing D., Qing M., Xin M. Main active tectonic boundaries and motion patterns derived from GPS in China Mainland // Proceedings of the fourth workshop (APSG). Shanghai. China. 2001. - P. 19-40.

127. Liu R., Gurtner W., Zumberge J.F. Introducing the Central Bureau information system of the international GPS service for geodynamics // Presentation at the WEGENER VI General Assembly. St.-Petersburg. 1994. - P. 93-95.

128. Mahmoud S., Reilinger R., McClusky S., Vernant P., Tealeb A. GPS evidence for northward motion of the Sinai Block: Implications for E. Mediterranean tectonics // Earth and Planetary Science Letters. 2005. - Vol. 238. - P. 217-224.

129. Meade B.J., Hager B.H. Block models of crustal motion in southern California constrained by GPS measurements // J. Geophys. Res. 2005. - Vol. 110, B03403. -doi: 10.1029/2004JB003209.

130. Melbourne T.I., Webb F.H., Stock J.M., Reigber Ch. Rapid postseismic transients in subduction zones from continuous GPS // J. Geophys. Res. 2002. - Vol. 107. -№B10,2241. - doi: 10.1029/2001JB000555.

131. McCaffrey R. Block kinematics of the Pacific North America plate boundary in the southwestern United States from inversion of GPS, seismological, and geologic data // J. Geophys. Res. - 2005. - Vol. 110, B07401. - doi:10.1029/2004JB003307.

132. McKenzie D.P., Parker R.L. The North Pacific: an example of tectonics on a sphere // Nature. 1967. - Vol. 216(5122). - P. 1276-1280.

133. Michel G.W., Yu Y.Q., Zhu S.Y. et al. Crustal motion and block behaviour in SE-Asia from GPS measurements // Earth and Planetary Science Letters. 2001. - Vol. 187. -P. 239-244.

134. Minster J.B., Jordan Т.Н. Present-day plate motions // J. Geophys. Res. 1978. -Vol. 83.-P. 5331-5354.

135. Molnar P., Tapponnier P. Cenozoic tectonics of Asia: effects of a continental collision // Science. 1975. - Vol. 189. - P. 419-426.

136. Morgan W.J. Rises, trenches, great faults, and crustal blocks // J. Geophys. Res. -1968.-Vol. 73.-P. 1959-1982.

137. Nishimura S., Hashimoto M., Ando M. A rigid block rotation model for the GPS derived velocity field along the Ryukyu arc // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2004. - Vol. 142. - P. 185-203.

138. Oral M.B., Reilinger R.E., Toksoz M.N., King R.W., Barka A.A., Kinik I, Lenk O. Global positioning system offers evidence of plate motions in Eastern Mediterranean // Eos, Transactions, AGU. 1995. - Vol. 76. - No. 2. - P. 9-11.

139. Parkinson B.W., Spilker J., AxelradP., Enge P. Global Position System: Theory and Applications. Vol. 1. Washington, D.C.: American Institute Aeronautics and Astronautics, 1996. - 793 p.

140. Peltzer G., Saucier F. Present-day kinematics of Asia derived from geologic fault rates // J. Geophys. Res. 1996. - Vol. 101 (B). - P. 27,943-27,956.

141. Prawirodirdjo L., Bock Y. Instantaneous global plate motion model from 12 years of continuous GPS observations // J. Geophys. Res. 2004. - Vol. 109, B08405. -doi: 10.1029/2003JB002944.

142. Press F„ Siever R. Understanding Earth. 3-d Edition. N.-Y.: Freeman & C., 2000. -573 p.

143. Reigber Ch., Tzurkov V.E., Trapeznikov Y.A. et al. GPS-derived motions in the Pamir-Tienshan region //AGU. San-Francisco. California. 1994. - P. 103-106.

144. Reilinger R. GPS-Geodynamic measurements in the Tien Shan (1991-1993) // Abstracts, presentations and reports from the 6th General Assembly of Wegener. St.-Petersburg. 1994. - P. 391-396.

145. Replumaz A., Tapponnier P. Reconstruction of the deformed collision zone between India and Asia by backward motion of lithospheric blocks // J. Geophys. Res. 2003. -Vol. 108 (B6), 2285. - doi: 10.1029/2001JB000661.

146. Royer J.-Y., Gordon R.G. The motion and boundary between the Capricorn and Australian plates // Science. 1997. - Vol. 277. - P. 1268-1274.

147. Sagiya Т., Miyazaki S., Tada T. Continuous GPS array and present-day crustal deformation of Japan // PAGEOPH. 2000. - Vol. 157. - P. 2303-2322.

148. Sagiya T. A decade of GEONET: 1994-2003. The continuous GPS observation in Japan and its impact earthquake studies // Earth Planets Space. 2004. - Vol. 56. -P. 29-41.

149. Savostin L.A., Sibuet J.C., Zonenshain L.P., Le Pishon X., Roulet M.J. Kinematic evolution of the Tethys belt from the Atlantic ocean to the Pamirs since the Triassic // Tectonophysics. 1986. - Vol. 123. - P. 1-35.

150. Segall P., Davis J. GPS applications and earthquake studies. // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 1997. - Vol. 25. - No. 2. - P. 301-336.

151. Sella G. F., Dixon Т.Н., Mao A.L. REVEL: A model for recent plate velocities from space geodesy // J. Geophys. Res. 2002. - Vol. 107 (B4), 2081. -doi:10.1029/2000JB000033.

152. Smith A.D., Lewis C. Differential rotation of lithosphere and mantle and the driving forces of plate tectonics // Geodynamics. 1999. - Vol. 28. - P. 97-116.

153. Spitzak S., DeMetz C. Constraints on present-day plate motions south of 30°S from satellite altimetry // Tectonophysics. 1996. - Vol. 253. - P. 167-208.

154. Steblov G.M., Kogan M.G., King R. W., Scholz C.H., Burgmann R., Frolov D.I. Imprint of the North American plate in Siberia revealed by GPS // Geophys. Res. Lett. 2003. -Vol.30.-No. 18,1924. - doi: 10.1029/2003GL017805.

155. Tapponier P., Molnar P. Slip-line field theory and large-scale continental tectonics // Nature. 1976. - Vol. 264. -№ 5584. - P. 319-324.

156. Taylor M., Peltzer G. Current slip rates on conjugate strike-slip faults in central Tibet using synthetic aperture radar interferometry // J. Geophys. Res. 2006. - Vol. Ill, В12402. - doi: 10.1029/2005JB004014.

157. Thatcher W. Microplate versus continuum descriptions of active tectonic deformation // J. Geophys. Res. 1995. - Vol. 100. - P. 3885- 3894.

158. Thatcher W. GPS constraints on the kinematics of continental deformation // International Geology Review. 2003. - Vol. 45. - P. 191-212.

159. Thatcher W Microplate model for the present-day deformation of Tibet // J. Geophys. Res. -2007. Vol. 112, B01401. -doi: 10.1029/2005JB004244.

160. Van Orman J., Cochran J.R., Weissel J.K., Jestin F. Distribution of shortening between the Indian and Australian plates in the central Indian Ocean // Earth Planet. Sci. Lett. 1995. - Vol. 133. - P. 35-46.

161. Vine F.J., Matthews D.H. Magnetic anomalies over oceanic ridges // Nature. 1963. -Vol. 199.-P. 947-949.

162. Wegener A. The origins of the continents / Trans, from the orig. German by W.R. Jacoby // Journal of Geodynamics. 2001. - Vol. 32. - P. 29-63.

163. Wessel P., Smith W.H.F. The Generic Mapping Tools (GMT). Version 3.0. Technical Reference & Cookbook. N.Y.: SOEST/NOAA, 1995. 154 p.

164. Wessel P., Smith W.H.F. The Generic Mapping Tools (GMT). Version 4.2.0. Technical Reference and Cookbook. N.Y.: SOEST/NOAA/NESDIS, 2007. - 172 p. -http ://www.soest.hawaii .edu/ gmt/ gmt/doc/pd£^GMTDocs.pdf

165. Wu J.C., Xu C.J., Chao D.B., Liu J.N., Li Y.X. Research on an intraplate movement model by inversion of GPS data in North China // Journal of Geodynamics. 2001. -Vol. 31.-P. 507-518.

166. Yin A., Harrison M.T. Geological evolution of the Himalayan-Tibetan orogen // Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 2000. - Vol. 28. - P. 211-280.

167. Zhang P.-Z., Shen Z„ Wang M., Gan W., Molnar P., Wang Q., Niu Z., Sun J., Wu J., Hanrong, S. Xinzhao Y Continuous deformation of the Tibetan Plateau from global positioning system data // Geology. 2004. - Vol.32. - P. 809-812. - doi: 10.1130/G20554.1

168. Zubovich A.V., Mukhamediev Sh.A., Kuzikov S.I., Mosienko O.I. The Definition of modern tectonic structure on the data of space geodesy // The Sixth International Symposium on Tienshan Earthquakes. Chine, Urumqi, 2006. - P. 173-174.

169. Zubovich A. V., Mukhamediev Sh.A., Kuzikov S.I., Mosienko O.I. Study of contemporary tectonic structure of Central Asia region on basis of GPS data // The 6th Workshop of Asia-Pacific Space Geodynamics Program. Korea, Jeju, ICC Jeju, 2006.-P. 48.

Информация о работе
  • Кузиков, Сергей Иванович
  • кандидата физико-математических наук
  • Москва, 2007
  • ВАК 25.00.10
Диссертация
Структурный анализ горизонтальных скоростей по данным GPS и характер современной деформации земной коры Центральной Азии - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно
Автореферат
Структурный анализ горизонтальных скоростей по данным GPS и характер современной деформации земной коры Центральной Азии - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации
Похожие работы