Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика определения вращательных движений блоковых структур земной поверхности по результатам геодезических наблюдений

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Методика определения вращательных движений блоковых структур земной поверхности по результатам геодезических наблюдений"

На правах рукописи

Дорогова Инна Евгеньевна

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Новосибирск - 2013

005532296

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия» (ФГБОУ ВПО «СГГА»).

Научный руководитель - доктор технических наук

Мазуров Борис Тимофеевич.

Официальные оппоненты: Колмогоров Вячеслав Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «СГГА», профессор кафедры геодезии;

Азаров Борис Федотович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу-нова», доцент кафедры оснований, фундаментов, инженерной геологии и геодезии.

Ведущая организация - ОАО «Сибирский научно-

исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии» (ОАО «Сибгеоинформ»), г. Новосибирск.

Защита состоится «20» сентября 2013 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ауд. 402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «СГГА».

Автореферат разослан «19» августа 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Середович В. А.

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 02.08.2013. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 89 Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10. Отпечатано в картопечатиой лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из основных практических задач геодинамического мониторинга геодезическими методами является прогнозирование движений поверхности Земли и связанных с ними возможных катастрофических явлений. Результаты повторных геодезических измерений используются для количественного оценивания смещений земной поверхности специально выбранных территорий (геодинамических полигонов).

Среди движений земной поверхности, наблюдаемых на геодинамических полигонах, особый интерес представляют вращательные горизонтальные движения. Экспериментальные подтверждения движений такого типа представлены в научных работах Викулина В. А., Илюхина С. Р., Кузнецова Ю. И., Мазурова Б.Т., Панкрушина В. К., Тихонова В. И. и др. Вращательные движения наблюдаются, как правило, в пределах территорий земной поверхности, испытывающих существенные деформации. Значительное количество проявлений вращательных движений в сейсмически активных районах свидетельствует о необходимости тщательного изучения движений данного типа и определения их роли в геодинамических процессах.

Например, после Спитакского землетрясения 1988 г. был зафиксирован поворот многих сооружений и памятников архитектуры. Результаты повторных геодезических измерений, выполненных в 2000-2003 гг. на территории Горного Алтая, позволили отметить вращательные движения земной поверхности на территории южной части Горно-Алтайской СРБ-сети вблизи эпицентра Чуй-ского землетрясения 2003 г.

Вероятной причиной движений данного типа являются вращения блоков приповерхностного слоя земной коры, вызванные взаимным поступательным перемещением тектонических плит. А так как вращательные движения совершают блоки приповерхностного слоя земной коры, то их границы не всегда совпадают с геологическими разломами и не могут быть определены геофизи-

ческими методами. Обоснованную количественную оценку происходящих геодинамических процессов при изучении движений такого типа позволяют выполнить геодезические методы.

Таким образом, разработка методики, позволяющей изучать вращательные горизонтальные движения земной коры (поверхности) по результатам повторных геодезических наблюдений с учетом блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры, является актуальной.

Изучение вращательных горизонтальных движений участков приповерхностного слоя земной коры регионального масштаба по геодезическим данным при расстояниях между пунктами более 7-8 км необходимо выполнять с учетом сферичности земной поверхности, в то время как исследование движений в пределах локальных участков земной поверхности может выполняться на плоскости.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение современных движений земной коры по результатам геодезических наблюдений внесли российские ученые: Герасименко М. Д., Кафтан В. И., Лилиенберг Д. А., Машимов М. М., Певнев А. К., Серебрякова Л. И., Татевян С. К., Хаин В. Е.

Математическая обработка результатов повторных геодезических и гравиметрических измерений представлена в работах: Васильева Е. А., Колмогорова В. Г., Неймана Ю. М., Мещерякова Ю. А., Мовсесян Р. А., Панкрушина В. К. и др.

Изучением вращательных движений земной коры занимались российские ученые: Викулин В. А., Кузиков С. И., Кузнецов Ю. И., Мазуров Б.Т., Панкру-шин В. К., Уломов В.И. и др. Однако в настоящее время не существует единой сформированной методики определения вращательных движений блоков (блоковых структур) приповерхностного слоя земной коры регионального масштаба, учитывающей сферичность земной поверхности.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики математической обработки повторных геодезических измерений для определения вращательных горизонтальных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие основные задачи:

- разработка методики исследования вращательных горизонтальных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений;

- апробация и уточнение разработанной методики по данным ГНСС-измерений на реальном геодинамическом объекте и на модельных данных, оценка полученных результатов;

- сравнение границ выделенных блоков приповерхностного слоя земной коры, определенных с помощью предложенной методики, с геологическими разломами и участками наибольших деформаций земной коры.

Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования являются вращательные горизонтальные смещения приповерхностного слоя земной коры.

Предметом исследования являются методические решения и алгоритмы, основанные на использовании повторных геодезических измерений для моделирования вращательных горизонтальных движений приповерхностного слоя земной коры локального и регионального размеров.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

- в результате исследований погрешности определения расстояний между геодезическими пунктами при переходе с земной поверхности на плоскость установлено предельное значение расстояний, для которых может не учитываться сферичность земной поверхности в зависимости от требуемой точности результатов;

- применение объединяющей кластер-процедуры позволило на основании результатов повторных геодезических измерений выделить группы пунктов, испытывающих схожие вращательные движения на основании признаков, которые не могут быть выявлены для отдельного геодезического пункта;

- при определении блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры выявлены факторы, позволяющие учитывать разнородность параметров вращательного движения;

- предложены численные критерии для выбора параметров модели вращения блоков приповерхностного слоя земной коры в результате сравнения конкурирующих вариантов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в разработке методики, основанной на использовании повторных геодезических измерений для моделирования вращательных горизонтальных смещений земной поверхности при изучении геодинамических процессов структурированных участков приповерхностного слоя земной коры различных размеров.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения разработанной методики для изучения геодинамических процессов по геодезическим данным, выявления по этим данным блоковой структуры исследуемой территории и изучения взаимодействия блоков земной поверхности в пределах исследуемой области с дальнейшей возможностью среднесрочного прогноза сейсмических событий.

Методология и методы исследования. Поставленные задачи решаются на основе теории и методов высшей геодезии, математического аппарата сферической тригонометрии, методов статистики и методов распознавания образов.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- методика определения вращательных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений;

- алгоритм и программное обеспечение для выбора параметров, описывающих вращение блоков приповерхностного слоя земной коры, выделенных по результатам повторных геодезических измерений;

- методические решения по учету разнородности параметров вращательного движения блоков приповерхностного слоя земной коры.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика и содержание диссертации соответствуют области исследования: 8 - «Геодезический мониторинг напряженно-деформированного состояния земной коры и ее поверхности, зданий и сооружений, вызванного природными и техногенными факторами, с целью контроля их устойчивости, снижения риска и последствий природных и техногенных катастроф, в том числе землетрясений» паспорта научной специальности 25.00.32 - «Геодезия».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена корректной математической обработкой и моделированием значительного объема экспериментальных данных. Разработанная методика проверена и уточнена на математических моделях и результатах повторных измерений на геодинамических полигонах.

Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» в период 2010-2013 гг.

Результаты диссертационной работы использованы в производственном процессе ОАО «ПО «Инжгеодезия»» (г. Новосибирск) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» при изучении дисциплин «Геодинамика», «Математическое моделирование» студентами специальности 120102 - «Астрономогеодезия», направления 120100 - «Бакалавр геодезии» и в дипломном проектировании.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 научных статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в журнале «Геодезия и картография», входящем в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 144 страницы печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, содержит 11 таблиц, 31 рисунок, 6 приложений.

Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования; определены цель и задачи, объект и предмет исследования; сформулированы основные положения, выносимые на защиту; отмечены научная новизна и практическая значимость; приведены сведения об апробации и реализации результатов работы; кратко изложены структура и содержание работы.

В первом разделе «Методы изучения горизонтальных движений земной поверхности и интерпретация результатов измерений» выполнен обзор и анализ существующих геодезических методов наблюдений за смещениями земной поверхности и методов интерпретации их результатов, отражено современное состояние вопроса изучения вращательных горизонтальных движений земной поверхности по результатам повторных геодезических измерений.

Выявлено, что существующие методы математической обработки и интерпретации результатов повторных геодезических измерений на пунктах геодинамических полигонов позволяют решать ряд практических задач, но эти методы имеют численный характер и не всегда учитывают качественные особенности распределения и ориентации векторов смещений геодезических пунктов.

Второй раздел «Разработка методики определения вращательных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по геодезическим данным» посвящен разработке методики изучения и моделирования вращательных горизонтальных движений земной поверхности по результатам повторных геодезических измерений. Представлена реализация основных этапов разработанной в диссертационной работе методики и приведена ее общая схема (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема разработанной методики определения вращательных движений земной поверхности по результатам геодезических измерений

Разработанная методика математической обработки повторных геодезических измерений для определения вращательных горизонтальных движений блоковых структур земной поверхности состоит из двух основных частей: изучения блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры и исследования деформированного состояния земной поверхности.

Для определения и изучения блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры использован один из существующих методов распознавания образов - объединяющая кластер-процедура. Параллельно выполнялось исследование деформированного состояния земной поверхности, построение полей распределения компонент деформаций с помощью метода конечных элементов.

Заключительным этапом методики являлось сравнение границ блоков приповерхностного слоя земной коры, выделенных с использованием разработанной методики математической обработки повторных геодезических измерений, с геологическими разломами и результатами изучения деформированного состояния земной поверхности по геодезическим данным.

С помощью объединяющей кластер-процедуры на каждом этапе на основании меры сходства выполнялось объединение двух наиболее схожих кластеров (при этом кластер мог включать любое количество пунктов). Объединение групп пунктов на каждом этапе выполнялось по отношению к кластерам, полученным на предыдущем этапе.

Поскольку для определения параметров вращения блока земной поверхности требуется не менее двух пунктов, то на начальном этапе объединяющей процедуры в качестве кластеров участвовали не отдельные геодезические пункты, а пары пунктов. Для разбиения геодезических пунктов, принадлежащих исследуемой области земной поверхности, на пары формировалась квадратная симметричная матрица меры сходства кластеров. Далее, при условии X р? = min, где р, - мера сходства, определенная для г'-й пары геодезических пунктов, составлялись кластеры, содержащие по два пункта.

На начальном этапе процедуры мера сходства горизонтальных движений двух геодезических пунктов р вычислялась по формуле (Мазуров Б. Т. Структурная идентификация движений мобильных блоков с помощью последовательной кластер-процедуры // Математическая обработка результатов геодезических наблюдений: межвуз. сб. научн. тр. - НИИГАиК, 1993. - С. 75-81):

р = J(VJ - ПУ + (vj - ПУ> (о

где Vx, Vy, , Vy - компоненты скоростей смещения i-го и у'-го пунктов соответственно.

На последующих этапах кластер-процедуры выбор и объединение схожих кластеров (групп пунктов) производились по следующим формулам:

- для решения на плоскости:

Р = - ЧУ + (Xi - Yi)2 + - «О2; (2)

- для решения на поверхности сферы:

р = J(vJo - vl0y + (К - ЧУ + м ■ (<»' - «О2. (3)

где Xq, У0', Xq, Yg - координаты центра вращения на плоскости, определенные для /-го и j-го кластеров соответственно;

<Pq, Лд, ф^, Х'0 - координаты центра вращения (Эйлерова полюса) на сфере, определенные для г-го и j-го кластеров соответственно;

М - масштабный коэффициент, обеспечивающий равное влияние параметров вращательного движения на вычисляемое значение критерия р; со1, ч)' - угловые скорости вращения 1-го и j-го кластеров, рад/год.

Приближенное значение масштабного коэффициента в работе предложено определять как отношение суммы квадратов разностей координат между центрами вращения к квадратам разностей угловых скоростей вращения кластеров (групп пунктов):

- для решения на плоскости

(х,{-Х'г,)2+(У; -У;,)2 , (4)

(сУ-оУ)2

- для решения на поверхности сферы:

'„)2+а1-К)2 (5)

(со7-со')2

На начальном этапе объединяющей процедуры вычисления выполнялись для различных значений масштаба, близких к приближенному. Затем строился график зависимости меры сходства р от масштаба М, на основании которого определялось окончательное (уточненное) значение масштабного коэффициента. Выбранное значение используется во всех последующих вычислениях.

Предложенный в диссертации алгоритм использования результатов повторных геодезических измерений для определения блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры с помощью последовательной кластер-процедуры представлен на рисунке 2.

Координаты центров и угловые скорости вращения образованных кластеров (групп пунктов) определялись как средневесовые из координат центров и угловых скоростей пар геодезических пунктов, входящих в кластер на основании геодезических данных. Определение параметров вращения каждой пары пунктов выполнялось по формулам плоской и сферической тригонометрии. Так как определение параметров вращения для группы пунктов зависит от разбиения пунктов на пары, при выборе наиболее подходящих параметров вращения блока приповерхностного слоя земной коры анализировались все комбинации пар пунктов.

Рисунок 2 - Алгоритм определения блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических наблюдений

В качестве критерия выбора варианта разбиения геодезических пунктов на пары и параметров вращения блока в диссертации предлагается использовать условие минимальности квадратов отклонений £ Дг2= min, где Л; - отклонение скорости движения геодезического пункта от ожидаемого значения, для каждого пункта, принадлежащего блоку, определяемое по следующей формуле:

A« = J(Vi ~ К0)2 ,

(6)

где VI - скорость смещения 1-го пункта, определяемая по изменениям его координат, мм/год;

- ожидаемая скорость смещения 1-го пункта, определяемая по параметрам вращения жесткого блока, которому принадлежит 1-й пункт, мм/год.

Для определения редуцированных на плоскость расстояний между точками, для которых известны расстояния на поверхности сферы, использовалась классическая формула, полученная при разложении функции расстояния в ряд до второго члена:

Sl Кф

где 5сф - расстояние между выбранными точками на поверхности сферы, м;

Ясф - радиус сферы, м.

В таблице 1 приведено сравнение значений различных расстояний на поверхности сферы и соответствующих им длин линий, редуцированных на плоскость, на основании которого определялось предельное значение расстояний, для которых может не учитываться сферичность земной поверхности.

Данные, приведенные в таблице 1, показывают, что для исключения значительных ошибок (более 1 мм) определения расстояний между геодезическими пунктами, вызванных переходом с физической поверхности Земли на плос-

кость, для расстояний более 7-8 км необходимо учитывать сферичность земной поверхности.

Таблица 1 - Сравнение расстояний на плоскости и на поверхности сферы

Расстояние на сфере 5Сф, м Расстояние на плоскости Бп1, м $сф — 5„„ мм

100,000 0 100,000 0 0,0

500,000 0 500,000 0 0,0

1 000,000 0 1 000,000 0 0,0

5 000,000 0 4 999,999 7 0,3

7 000,000 0 6 999,999 3 0,7

8 500,000 0 8 499,998 7 1,3

10 000,000 0 9 999,998 0 2,0

15 000,000 0 14 999,993 1 6,9

50 000,000 0 49 999,743 9 256,1

100 000,000 0 99 997,951 5 2 048,5

В третьем разделе «Практическое применение методики определения вращательных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по геодезическим данным» выполнена апробация разработанной методики на модельных данных и результатах геодезических измерений, выполненных на пунктах Горно-Алтайской вРЗ-сети в 2000-2003 гг.

Для проверки предлагаемой в работе методики смоделированы на плоскости результаты двух циклов геодезических измерений для 18 пунктов. Данные смоделированы таким образом, что движения пунктов представляют собой вращения вокруг трех центров. Определение блоковой структуры исследуемой области приповерхностного слоя земной коры по геодезическим данным было выполнено по предлагаемой методике.

Приближенное значение масштабного коэффициента М для смоделированных данных составило 5-1014. На основании графика зависимости меры сходства кластеров от выбранного масштаба (рисунок 3) для диапазона значе-

ний масштаба от 10|2до 1016 было выбрано окончательное значение М = 1014, которое использовано во всех последующих вычислениях.

Масштабный коэффициент, М

Рисунок 3 - Зависимость меры сходства групп пунктов от выбранного масштабного коэффициента (на плоскости)

По смоделированным геодезическим данным выполнено 6 этапов объединяющей процедуры. На каждом этапе вычислялись значения меры сходства для всех возможных пар кластеров (групп геодезических пунктов) и выполнялось объединение двух наиболее схожих кластеров, затем процедура повторялась. На седьмом этапе выполнения процедуры произошел существенный скачок значения меры сходства (рисунок 4), что свидетельствует о том, что движения образованных групп пунктов имеют малое сходство, на основании чего принимается решение об окончании процедуры.

Поскольку выбор параметров вращения блока приповерхностного слоя земной коры по результатам геодезических измерений предполагает перебор значительного количества конкурирующих вариантов, то для решения данной задачи на языке программирования С++ была написана авторская программа ОрК^емег.

•оолоо

Этапы процедуры объединения

Рисунок 4 - Значение меры сходства объединяемых групп геодезических пунктов (на плоскости)

В результате обработки геодезических данных по разработанной методике исследуемая область приповерхностного слоя земной коры была разбита на 3 блока, границы которых совпали с границами блоков, заложенных в исходных данных смоделированных геодезических измерений.

Затем на основании тех же геодезических данных были получены компоненты деформации в пределах исследуемой области земной поверхности. При этом область была разбита на треугольные конечные элементы, в каждом из которых определялось распределение соответствующих характеристик деформации, на основании которых были построены поля деформации. Максимальные сжатия и растяжения земной поверхности совпали с границами блоков приповерхностного слоя земной коры, определенных с помощью геодезических измерений. Наибольшие значения деформаций соответствуют центральной части полигона, где происходит столкновение границ всех трех выделенных блоков.

Предлагаемая методика опробована на реальном геодинамическом объекте. Исследование блоковой структуры выполнялось на сферической поверхности, в качестве исходных данных приняты результаты геодезических измерений на пунктах Горно-Алтайской ОРБ-сети, выполненных в 2000-2003 гг.

Исследование по определению границ блоков приповерхностного слоя земной коры также выполнялось с помощью объединяющей кластер-процедуры. В данном случае приближенное значение масштабного коэффициента М составило 1014. На основании графика зависимости меры сходства кластеров от выбранного масштаба (рисунок 5) для диапазона значений масштаба от 1012до 10,Г1 было выбрано окончательное значение М - 5-Ю13, которое использовано во всех последующих вычислениях.

Масштабный коэффициент. М

Рисунок 5 - Зависимость меры сходства групп пунктов от выбранного масштабного коэффициента (на сфере)

Всего было выполнено 3 этапа процедуры объединения. На каждом этапе вычислялись значения меры сходства для всех возможных пар кластеров (групп геодезических пунктов) и выполнялось объединение двух наиболее схожих кластеров, затем процедура повторялась. На третьем этапе произошел существенный скачок значения меры сходства (рисунок 6), что свидетельствует о том, что движения образованных групп пунктов имеют малое сходство, на основании чего было принято решение об окончании процедуры объединения.

Этапы процедуры объединения

Рисунок 6 - Значение меры сходства объединяемых групп геодезических пунктов (на сфере)

Параметры вращения пар геодезических пунктов определялись из решения системы сферических треугольников, образованных данными пунктами, северным полюсом и Эйлеровым полюсом вращения. Для кластеров, содержащих более двух геодезических пунктов, осуществлялся выбор параметров вращения из нескольких конкурирующих вариантов. После выполнения объединяющей процедуры на основании результатов нескольких циклов геодезических измерений (2000-2003 гг.) для исследуемой области было выделено три блока приповерхностного слоя земной коры. Мера сходства, определенная для других кластеров (групп пунктов), указывала на малое сходство между их движениями и невозможность объединения.

Границы блоков приповерхностного слоя земной коры, выделенных на территории южной части Горно-Алтайской СР8-сети по результатам повторных геодезических измерений, представлены в виде схемы на рисунке 7. На схеме сплошными линиями показаны границы блоков приповерхностного слоя земной коры, выделенные в результате объединяющей кластер-процедуры; пунктиром обозначены предполагаемые границы блоков, содержащих по одному геодезическому пункту; красными линиями нанесены геологические разло-

мы; зеленой линией изображен разлом земной коры, образовавшийся в результате Чуйского землетрясения 27 сентября 2003 г. Для каждого блока по разработанной в диссертации методике определены значения параметров вращения (таблица 2).

Рисунок 7 - Границы блоков приповерхностного слоя земной коры территории Горно-Алтайского геодинамического полигона, определенные с помощью разработанной методики

Выполнен расчет деформаций земной поверхности с помощью метода конечных элементов и визуализация решений в виде полей распределения параметров деформации, которые позволили сопоставить наибольшие значения деформаций с границами блоков приповерхностного слоя земной коры. Вычислены относительные деформации ехх, еуу (рисунок 8, а, б); деформация сдвига гху (рисунок 8, в) и составленный по их значениям тензор деформации ТЕ. Максимальные значения деформаций соответствуют юго-восточной части полигона.

Таблица 2 - Параметры вращения блоков приповерхностного слоя земной коры территории Горно-Алтайского геодинамического полигона, определенные с помощью разработанной методики

Описание блока Параметр Значение параметра

Блок I (пункты USTK, SEMI, CHIK, KAIT) <P„° 50,061

83,870

соь рад / w," 1,592-10"*/ 3,284-10j

Блок II (пункты Y AZU, CHAG, UKOK) Фи. ° 51,364

\ 0 84,562

юц рад /шп" 1,442-10"а/ 2,974-Ю""1

Блок III (пункты KURA, ULAG) Фи, ° 49,779

?чп> 0 86,446

(0„, рад/со„," 1,598-10"8/3,296-10"1

а)

б)

к

в)

Рисунок 8 - Поля распределения компонент деформаций на территории южной части Горно-Алтайского полигона

Изучение деформированного состояния земной поверхности на территории южной части Горно-Алтайской СРБ-сети позволило определить соответствие границ блоков приповерхностного слоя земной коры наиболее деформируемым участкам земной поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполненных исследований разработана методика моделирования вращательных горизонтальных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений.

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

- разработана методика, позволяющая по результатам повторных геодезических измерений определять параметры вращательных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры;

- предложен алгоритм учета разнородности параметров вращательного движения при определении блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений;

- разработан и представлен в виде авторской программы ОрК^егНег алгоритм обработки геодезических данных для выбора параметров, описывающих вращения блоков приповерхностного слоя земной коры;

- обоснована возможность применения разработанной методики на плоскости и на поверхности сферы; исследована зависимость величин ошибок определения расстояний, вызванных переходом на плоскость, от расстояний;

- выполнена проверка разработанной методики на модельных данных и осуществлено ее практическое применение для изучения геодинамических процессов, происходивших на территории Горного Алтая перед Чуйским землетрясением 2003 г. по результатам геодезических измерений, выполненных на пунктах СР8-сети. Определено совпадение границ выделенных блоков приповерх-

ностного слоя земной коры с участками наибольших деформаций земной поверхности, а также геологическим разломом земной коры, образовавшимся после Чуйского землетрясения 27 сентября 2003 г.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Дорогова, И. Е. Изучение горизонтальных движений земной коры вращательного характера по данным геодезических наблюдений [Текст] / И. Е. Дорогова // Геодезия и картография. - 2013. - № 4. - С. 37-40.

2 Дорогова, И. Е. Выявление блоковой структуры области земной коры, испытывающей горизонтальные движения вращательного характера [Текст] / И. Е. Дорогова // Геодезия и картография. - 2013. - № 5. - С. 36-39.

3 Лобанова, Т. В. Анимационное представление движений и деформаций на техногенном геодинамическом полигоне [Текст] / Т. В. Лобанова, Б. Т. Мазуров, И. Е. Дорогова, Е. А. Ибатуллина, К. В. Дербенев // ГЕО-Сибирь-2010. Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 1 : сб. матер. VI Меж-дунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2010», 19-29 апреля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2010. - С. 199-202.

4 Дорогова, И. Е. Изучение движений и деформаций земной коры на геодинамическом полигоне Таштагольского железорудного месторождения [Текст] / И. Е. Дорогова // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2(13). - С. 9-12.

5 Дорогова, И. Е. Интерпретация наблюдений за движениями земной коры на техногенном полигоне [Текст] / И. Е. Дорогова // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 1. Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия. Ч. 1 : сб. матер. VII Между-нар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск : СГГА, 2011.-С. 191-196.

6 Мазуров, Б. Т. Горизонтальные движения земной коры вращательного характера, наблюдаемые на геодинамических полигонах [Текст] / Б. Т. Мазу-

ров, И. Е. Дорогова, К. В. Дербенев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Меж-дунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 232-236.

7 Дорогова, И. Е. Глобальные вихревые движения блоков земной поверхности [Текст] / И. Е. Дорогова, К. В. Дербенев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр., 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 237-240.

8 Дорогова, И. Е. Применение методов кластерного анализа для исследования блоковой структуры земной коры [Текст] / И. Е. Дорогова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр., 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 180-185.

9 Дорогова, И. Е. Изучение деформаций земной коры по результатам геодезических данных с использованием метода конечных элементов [Текст] / И.Е. Дорогова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр., 1526 апреля 2013 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. - Новосибирск : СГГА, 2013.-С. 190-193.

10 Кобелева, Н. Н. Изучение горизонтальных и вертикальных движений земной коры по результатам GPS-наблюдений и нивелирования I класса [Текст] / Н. Н. Кобелева, И. Е. Дорогова // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр., 15-26 апреля 2013 г., Новосибирск : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. Т. 1. -Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 186-189.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дорогова, Инна Евгеньевна, Новосибирск

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

04201361164

Дорогова Инна Евгеньевна

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

25.00.32 - «Геодезия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, Мазуров Борис Тимофеевич

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

1 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.........................................................................................................11

1.1 Исследование движений и блоковой структуры земной коры.........................................................................................................................11

1.1.1 Развитие представлений о блоковой структуре земной коры..................11

1.1.2 Классификация и методы изучения движений земной поверхности............................................................................................................14

1.1.3 Вращательные (вихревые) движения земной поверхности......................16

1.2 Изучение геодинамических процессов с помощью геодезических измерений...............................................................................................................19

1.2.1 Развитие геодезических методов наблюдений за движениями земной поверхности..............................................................................................19

1.2.2 Наблюдение за горизонтальными движениями земной поверхности с помощью ОРБ-измерений...........................................................24

1.3 Методы представления и интерпретации результатов геодезических наблюдений за горизонтальными движениями земной поверхности.......29

1.4 Выводы.............................................................................................................38

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ......................................40

2.1 Метод конечных элементов при изучении движений и деформаций земной поверхности..............................................................................................40

2.2 Выбор математической поверхности для решения задачи выявления блоковой структуры земной коры....................................................41

2.3 Вращение блока земной коры на плоскости.................................................44

2.3.1 Определение параметров вращения пары точек на плоскости................44

2.3.2 Алгоритм определения центра и угловой скорости вращения блока приповерхностного слоя земной коры по геодезическим данным....................................................................................................................47

2.3.3 Назначение весов для величин горизонтальных смещений пунктов...................................................................................................................49

2.4 Вращение блока земной коры на сфере........................................................50

2.4.1 Определение параметров вращения для пары пунктов на сфере.......................................................................................................................50

2.4.2 Вычисление азимутов и расстояний между геодезическими пунктами по их сферическим координатам......................................................56

2.4.3 Определение центра и угловой скорости вращения блока на поверхности сферы по геодезическим данным..................................................60

2.5 Исследование блоковой структуры области земной поверхности, испытывающей вращательные движения, по результатам геодезических наблюдений...........................................................................................................62

2.5.1 Исследование блоковой структуры области земной поверхности

с помощью объединяющей кластер-процедуры.................................................62

2.5.2 Выбор критерия объединения групп пунктов...........................................65

2.6 Основные положения методики изучения вращательных движений земной поверхности по результатам геодезических измерений.......................69

2.7 Выводы.............................................................................................................72

3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ БЛОКОВЫХ СТРУКТУР ПРИПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО

ГЕОДЕЗИЧЕСКИМ ДАННЫМ...........................................................................74

3.1 Автоматизация отдельных этапов методики................................................74

3.1.1 Способы автоматизации отдельных этапов методики..............................74

3.1.2 Разработка авторской программы ОрК^еЩег у. 1.0.0.42 для

определения параметров вращения блока земной поверхности.......................75

3.2 Практическое применение методики для исследования горизонтальных движений земной поверхности на плоскости........................79

3.2.1 Исходные данные.........................................................................................79

3.2.2 Изучение деформированного состояния земной поверхности исследуемой области.............................................................................................80

3.2.3 Изучение блоковой структуры земной поверхности с помощью объединяющей кластер-процедуры.....................................................................85

3.3 Применение методики для изучения движений земной коры на территории Горного Алтая...................................................................................90

3.3.1 Исходные данные.........................................................................................90

3.3.2 Исследование структуры земной поверхности на территории Горно-Алтайского геодинамического полигона с помощью последовательной объединяющей кластер-процедуры.....................................93

3.3.3 Изучение деформированного состояния земной поверхности на территории Горного Алтая............................................................................101

3.4 Выводы...........................................................................................................105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП КЛАСТЕР-

ПРОЦЕДУРЫ (ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ ДАННЫХ)..........123

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) МАТРИЦЫ МЕРЫ СХОДСТВА

НА ВСЕХ ЭТАПАХ КЛАСТЕР-ПРОЦЕДУРЫ (ДЛЯ

МОДЕЛЬНЫХ ДАННЫХ)...............................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП КЛАСТЕР-

ПРОЦЕДУРЫ ДЛЯ ГОРНО-АЛТАЙСКОЙ

вРЗ-СЕТИ..........................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ

ЦЕНТРА ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ВЫДЕЛЕННЫХ ПАР ПУНКТОВ ГОРНО-АЛТАЙСКОЙ ОРБ-СЕТИ............129

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное) МАТРИЦЫ МЕРЫ СХОДСТВА

ДЛЯ ГОРНО-АЛТАЙСКОЙ ОР8-СЕТИ...............141

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (обязательное) ФРАГМЕНТЫ ПРОГРАММЫ

ОРТСЕЖЕЯ....................................................................142

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одной из основных практических задач геодинамического мониторинга геодезическими методами является прогнозирование движений поверхности Земли и связанных с ними возможных катастрофических явлений. Результаты повторных геодезических измерений используются для количественного оценивания смещений земной поверхности специально выбранных территорий (reoдинамических полигонов).

Среди движений земной поверхности, наблюдаемых на геодинамических полигонах (ГДП), особый интерес представляют вращательные горизонтальные движения. Экспериментальные подтверждения движений такого типа представлены в научных работах Викулина В. А., Илюхина С. Р., Кузнецова Ю. И., Мазурова Б.Т., Панкрушина В. К., Тихонова В. И. и др. Вращательные движения наблюдаются, как правило, в пределах территорий земной поверхности, испытывающих существенные деформации. Значительное количество проявлений вращательных движений в сейсмически активных районах свидетельствует о необходимости тщательного изучения движений данного типа и определения их роли в геодинамических процессах.

Например, после Спитакского землетрясения 1988 г. был зафиксирован поворот многих сооружений и памятников архитектуры. Результаты повторных геодезических измерений, выполненных в 2000-2003 гг. на территории Горного Алтая позволили отметить вращательные движения земной поверхности на территории южной части Горно-Алтайской GPS-сети вблизи эпицентра Чуйского землетрясения 2003 г.

Вероятной причиной движений данного типа являются вращения блоков приповерхностного слоя земной коры, вызванные взаимным поступательным перемещением тектонических плит. А так как вращательные движения совершают блоки приповерхностного слоя земной коры, то их границы не всегда совпадают с геологическими разломами и не могут быть определены геофизическими методами. Обоснованную количественную оценку

происходящих геодинамических процессов при изучении движений такого типа позволяют выполнить геодезические методы.

Таким образом, разработка методики, позволяющей изучать вращательные горизонтальные движения земной коры (поверхности) по результатам повторных геодезических наблюдений с учетом блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры, является актуальной.

Изучение вращательных горизонтальных движений участков приповерхностного слоя земной коры регионального масштаба по геодезическим данным при расстояниях между пунктами более 5 км необходимо выполнять с учетом сферичности земной поверхности, в то время как исследование движений в пределах локальных участков земной поверхности может выполняться на плоскости.

Степень разработанности темы. Существенный вклад в изучение современных движений земной коры по результатам геодезических наблюдений внесли российские ученые: Герасименко М. Д., Кафтан В. И., Лилиенберг Д. А., Машимов М. М., Певнев А. К., Серебрякова Л. И., Татевян С. К., Хаин В. Е.

Математическая обработка результатов повторных геодезических и гравиметрических измерений представлена в работах: Васильева Е. А., Колмогорова В. Г., Неймана Ю. М., Мещерякова Ю. А., Мовсесян Р. А., Панкрушина В. К. и др.

Изучением вращательных движений земной коры занимались российские ученые: Викулин В. А., Кузиков С. И., Кузнецов Ю. И., Мазуров Б.Т., Панкрушин В. К., Уломов В.И. и др. Однако в настоящее время не существует единой сформированной методики определения вращательных движений блоков (блоковых структур) приповерхностного слоя земной коры регионального масштаба, учитывающей сферичность земной поверхности.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики математической обработки повторных геодезических измерений для определения вращательных горизонтальных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие основные задачи:

- разработка методики исследования вращательных горизонтальных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений;

- апробация и уточнение разработанной методики по данным ГНСС-измерений на реальном геодинамическом объекте и на модельных данных, оценка полученных результатов;

- сравнение границ выделенных блоков приповерхностного слоя земной коры, определенных с помощью предложенной методики, с геологическими разломами и участками наибольших деформаций земной коры.

Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования являются вращательные горизонтальные смещения приповерхностного слоя земной коры.

Предметом исследования являются методические решения и алгоритмы, основанные на использование повторных геодезических измерений для моделирования вращательных горизонтальных движений приповерхностного слоя земной коры локального и регионального размеров.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

- в результате исследований погрешности определения расстояний между геодезическими пунктами при переходе с земной поверхности на плоскость установлено предельное значение расстояний, для которых может не учитываться сферичность земной поверхности в зависимости от требуемой точности результатов;

- применение объединяющей кластер-процедуры позволило на основании результатов повторных геодезических измерений выделить группы пунктов, испытывающих схожие вращательные движения на основании признаков, которые не могут быть выявлены для отдельного геодезического пункта;

- при определении блоковой структуры приповерхностного слоя земной коры выявлены факторы, позволяющие учитывать разнородность параметров вращательного движения;

- предложены численные критерии для выбора параметров модели вращения блоков приповерхностного слоя земной коры в результате сравнения конкурирующих вариантов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в разработке методики, основанной на использовании повторных геодезических измерений для моделирования вращательных горизонтальных смещений земной поверхности при изучении геодинамических процессов структурированных участков приповерхностного слоя земной коры различных размеров.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения разработанной методики для изучения геодинамических процессов по геодезическим данным, выявления по этим данным блоковой структуры исследуемой территории и изучения взаимодействия блоков земной поверхности в пределах исследуемой области с дальнейшей возможностью среднесрочного прогноза сейсмических событий.

Методология и методы исследования. Поставленные задачи решаются на основе теории и методов высшей геодезии, математического аппарата сферической тригонометрии, методов статистики и методов распознавания образов.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения:

- методика определения вращательных движений блоковых структур приповерхностного слоя земной коры по результатам повторных геодезических измерений;

- алгоритм и программное обеспечение для выбора параметров, описывающих вращение блоков приповерхностного слоя земной коры, выделенных по результатам повторных геодезических измерений;

- методические решения по учету разнородности параметров вращательного движения блоков приповерхностного слоя земной коры.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика и содержание диссертации соответствуют области исследования: 8 -«Геодезический мониторинг напряженно-деформированного состояния земной коры и ее поверхности, зданий и сооружений, вызванного природными и техногенными факторами, с целью контроля их устойчивости, снижения риска и последствий природных и техногенных катастроф, в том числе землетрясений» паспорта научной специальности 25.00.32 - «Геодезия».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена корректной математической обработкой и моделированием значительного объема экспериментальных данных. Разработанная методика проверена и уточнена на математических моделях и результатах повторных измерений на геодинамических полигонах.

Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных научных конгрессах «ГЕОСибирь» в период 2010-2013 гг.

Результаты диссертационной работы использованы в производственном процессе ОАО «ПО «Инжгеодезия»» (г. Новосибирск) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» при изучении дисциплин «Геодинамика», «Математическое моделирование» студентами специальности 120102 - «Астрономогеодезия», направления 120100 - «Бакалавр геодезии» и в дипломном проектировании.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 научных статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в журнале «Геодезия и картография», входящем в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 144 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 115 наименований, содержит 11 таблиц, 31 рисунок, 6 приложений.

1 МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ

ПОВЕРХНОСТИ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1Л Исследование движений и блоковой структуры земной коры

1.1.1 Развитие представлений о блоковой структуре земной коры

В XX веке было предложено теоретическое объяснение движений земной коры. Гипотеза тектонических движений литосферных плит возникла в 60-х годах XX века, предпосылками ее возникновения являлись мобилистская концепция (теория дрейфа континентов), предложенная А. Вегенером и результаты обширных исследований строения океанического ложа, благодаря которым были обнаружены зоны субдукции (погружения одних участков земной коры под другие) и расширения (спрединга) морского дна [27].

Согласно концепции тектоники плит земная кора состоит из подвижных блоков, называемых плитами, которые под действием конвективных процессов, происходящих в мантии, смещаются относительно друг друга, сталкиваются и взаимодействуют. Выделяют восемь наиболее крупных литосферных плит, которые покрывают 90 % поверхности Земли: Тихоо