CC BY
43
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОДВИЖЕК ЛЕДОВОГО ПОКРОВА ЮЖНОЙ КОТЛОВИНЫ ОЗЕРА БАЙКАЛ НА ОСНОВЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Тумэн Намжилович Чимитдоржиев
Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, заместитель директора, д.т.н., тел. (3012) 433224, e-mail: [email protected]
Геннадий Иванович Татьков
Геологический Институт СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6а, директор, д.г.-м.н., тел. (3012) 433945, e-mail: [email protected]
Александр Иванович Захаров
Фрязинский филиал ФГБУН Института радиотехники и электроники РАН, 141190, Россия, Московской обл., г. Фрязино, пл. Введенского, 1, зав. лаб. радиолокационных систем и методов, к.т.н., тел. +7(496) 5652685, e-mail: ludmila@sunclass. ire.rssi. ru
Ирина Ивановна Кирбижекова
Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 8, старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., тел. +7 (3012) 433224, e-mail: [email protected]
Цырен Алексеевич Тубанов
Геологический Институт СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6а, научный сотрудник, к.г.-м.н., тел. +7 (3012) 433945, e-mail: [email protected]
Михаил Евгеньевич Быков
Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул.Сахьяновой 8, аспирант, тел. (3012) 433224, e-mail: evgomond@yahoo. com
В докладе представлены результаты исследования динамики ледового покрова озера Байкал вблизи пос. Листвянка. Оценка подвижек ледового поля произведена на основе радиолокационных данных ALOS PALSAR и наземных GPS-измерений 2010-2011 гг. Установленные методами спекл-интерферометрии величины и направление горизонтальных смещений согласуются с наземными GPS-измерениями.
Ключевые слова: спекл-интерферометрия, текстурный анализ, GPS-измерения.
STUDIES MOVEMENTS ICE SOUTHERN BASIN OF LAKE BAIKAL BY RADARS AND TERRESTRIAL MEASUREMENTS
Tumen N. Chimitdorzhiev
Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, deputy director, D.Sc., tel. +7 (301-2) 43-31-84, e-mail: [email protected]
Gennady I. Tat’kov
Geological Institute of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 6a, Sakhyanovoy str., director, D.Sc., tel. (3012) 433945, e-mail: [email protected]
Alexander I. Zakharov
FGBUN Fryazino Branch of the Institute of Radioengineering and Electronics RAS, 141190, Russia, Moscow region, Fryazino, Vvedensky Square, 1, Head of the Laboratory of radar systems and methods, D.Sc., tel. +7(496) 5652685, e-mail: [email protected]
Irene I. Kirbizhekova
Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, senior researcher, D.Sc., tel. +7 (3012) 433184, e-mail: [email protected]
Tsyren A. Tubanov
Geological Institute of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 6a, Sakhyanovoy str., researcher, D.Sc., tel. +7 (3012) 433945, e-mail: [email protected]
Michael E. Bikov
Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, postgraduate, tel. +7 (3012) 433184, e-mail: [email protected]
This report presents the results of a study of the dynamics of the ice cover of Lake Baikal near vil. Listvyanka. Assessment of movements of the ice field produced by ALOS PALSAR radar data and ground GPS-measurements 2010-2011. Established by methods of speckle-traking method values and direction of the horizontal displacements are consistent with ground-based GPS-measurements.
Key words: speckle-traking method, texture analysis, GPS-measurements.
Перспективной моделью для исследования закономерностей деформационных и сейсмических процессов является ледовый покров озера Байкал [2]. Начиная с 2006 года учёные Новосибирска, Томска, Иркутска, Улан-Удэ проводят комплексные экспериментальные и теоретические исследования вблизи пос. Листвянка, включая инструментальный мониторинг абсолютных и относительных перемещений структурных блоков различного ранга, деформаций хрупкого поверхностного слоя фрагментов ледового покрова, а также сейсмической и акустической активности [5].
С 2011 года для мониторинга ледового обстановки южной части оз. Байкал были привлечены спутниковые данные радара ALOS PALSAR в дециметровом диапазоне. Спутниковые радары с синтезированной апертурой (РСА) за последние десятилетия стали мощным инструментом при изучении земной поверхности. В частности, дифференциальная РСА интерферометрия перемещений льда с сантиметровой точностью позволила получить новые интересные результаты в гляциологии [6-9], картировать мульды оседания на нефтегазовых месторождениях в районах распространения сплошной и очаговой мерзлоты [1,3]. Главное преимущество метода дифференциальной радиолокационной интерферометрии (ДРИ) в том, что в пределах радиолокационного снимка в результате получается детальная площадная картина радиальных перемещений отражающей поверхности, а не отдельные профили или точечные измерения. Возможности применения ДРИ зависят от диапазона радара и ограничены фазовым шумом, который, как правило, характеризуется когерентностью. Исследования когерентности радиолокационных изображений ALOS PALSAR дециметрового диапазона в период ледостава в 2010 -2011 гг. показали
[4], что проведение измерений смещений ледового покрова на обширных площадях акватории озера методом дифференциальной интерферометрии не представляется возможным вследствие высокой временной декорреляции (из-за значительных горизонтальных подвижек ледового покрова и ионосферных возмущений). Некоторые перспективы могут быть связаны с обработкой радарных изображений с меньшей временной базой, а также для локальных прибрежных частей Южного Байкала.
При смещениях льда зачастую происходит некогерентное смещение соседних рассеивателей в пределах одного пикселя и относительно других пикселей - элементов пространственного разрешения радара. Вследствие данного эффекта когерентность радарной интерферометрической пары уменьшается и использование метода дифференциальной интерферометрии может привести к большой погрешности измерений. В подобных случаях используют метод спекл-интерферометрии, часто именуемый в иностранной литературе «offset-tracking procedure» или «speckle-tracking method», заключающийся в расчёте кросскорреляции малых фрагментов радарных изображений поверхности льда.
По нескольким парам радарных снимков 2010-2011 гг. методом спекл-интеферометрии были рассчитаны направления и амплитуды перемещений отдельных фрагментов ледового покрова. Вычисленные перемещения и направления дрейфа ледового покрова совпали. Субширотная область хрупких деформаций шириной от мыса Лиственничного до Больших Котов на северном берегу и от пос. Выдрино до пос. Танхой на южном берегу приурочена к зоне конвергенции двух крупных ледовых массивов, причем первый, «Восточный» дрейфует с востока на запад, возможно под действием ветра Баргузина или подлёдного течения от р. Селенги к р. Ангаре; а второй, «Западный» смещается в юго-восточном направлении. Во фронтальной части Западного блока, вдоль южного побережья озера образовалась протяжённая система становых трещин. Амплитуды перемещений внутри ледового массива «Западный» нарастают в северо-восточном направлении и резко затухают в прибрежной части. Для массива «Восточный» характерно нарастание амплитуд подвижек в западном направлении. В тыловой части массива образовались многочисленные трещины растяжения. В пределах выделенной зоны конвергенции субширотно-го направления, ограниченной серией становых трещин, амплитуды перемещений резко снижаются, распределение направлений близко к хаотическому, что свидетельствует о сложно-напряжённом состоянии зоны конвергенции. Дрейф ледового покрова за 46-дневный период между съёмками равен 6-8 м в юго-восточном направлении, при максимальных смещениях отдельных фрагментов до 15 м. Восточнее данной линии наблюдается тренд смещения с востока на запад, т.е. по направлению возможного течения от основного зимнего притока р.Селенги к основному стоку р. Ангаре. Отмечается также различие в преобладающих направлениях дрейфа ледового покрова: в 2010 г. - северо-восточное; в 2011 г. - юго-восточное, что, возможно, связано с изменением розы ветров в аномально холодный 2010 г., и нарушениями многолетнего порядка становления ледового покрова в 2011 г., когда сплошной ледовый покров установился первоначально в районе Листвян-
ки и лишь потом - в северной части озера. Результаты спекл-интерферометрии хорошо согласуются с данными наземных GPS измерений перемещений точек, жёстко закрепленных на ледовом покрове в районе п. Листвянка.
При высокоточных GPS-измерениях 2010-2011 годов были задействованы стационарные пункты многолетнего мониторинга GPS в городах Иркутск и Улан-Удэ. С использованием стационарных пунктов наблюдений вычислялась средняя скорость, амплитуды и направление общего движения точек закреплённых на ледовом покрове в районе мыса Лиственничный. В 2010 году использовались два комплекта приборов Trimble R3, в 2011 году -спутниковые геодезические приемники HiPer Topcon № 8PP9FR36I2O, № 8R0TAYF8AV4, прошедшие метрологическую аттестацию. Спутниковые приёмники GPS предназначены для создания сетей и выполнения топографической съемки с сантиметровой точностью, что вполне приемлемо при измерениях перемещений ледового покрова с амплитудами от десятка сантиметров до десятков метров.
По данным GPS в 2010 году отмечалось, что активизация движений пунктов, расположенных в различных блоках ледовых пластин, разделённых становыми трещинами, происходила примерно в одно и то же время, когда ледовый покров подвергался охлаждению или разогреву, т.е. значительным температурным перепадам. Направления смещений соответствовали господствующим во время эксперимента 12-18 марта направлениям ветров: по азимутам 300° и 60-80°.
Подспутниковыми геодезическими GPS измерениями 11-19 марта 2011 года установлена непрерывность поля перемещений закреплённых на льду точек в восточном направлении, что проявилось в коллинеарности суточных векторов. Плавное увеличение амплитуды смещений в восточном направлении указывает на растягивающие напряжения вдоль северного побережья озера. Рассогласованность (от общей направленности) и меньшие амплитуды смещений движения близких к берегу опорных пунктов подтвердило, что эта часть ледового массива сильнее прикреплена к берегу и менее подвижна.
Таким образом, на примере Лиственничного полигона впервые в мировой практике показана возможность использования данных ALOS PALSAR (длина волны 23 см) для оценки амплитуд горизонтальных подвижек (дрейфа) ледовых покровов внутриконтинентальных озер. При обработке радарных изображений 2010-2011 годов установлено, что оценка смещений ледового покрова на обширных площадях акватории озера методом дифференциальной интерферометрии сильно осложнена из-за высокой временной декорреляции, в т.ч. из-за значительных горизонтальных подвижек ледового покрова, ионосферных возмущений и т.д. Методом спекл-интерферометрии, основанной на кросс-корреляции малых фрагментов радарных изображений поверхности льда, показаны некоторые различия в преобладающих направлениях дрейфа ледового покрова в 2010 -2011 годах.
В целом, оценки перемещений - дрейфа ледового покрова, полученные в 2010 - 2011 годах интерферометрическими методами хорошо согласуются с
данными подспутниковых GPS измерений. Сравнение наземных наблюдений со спутниковыми данными показало, что активные деформационные процессы происходят не только на границах крупных блокоразделов ледового покрова оз. Байкал, но и во всем его объёме, вследствие внутриблоковой фрагментации ледовых пластин, находящихся в сложном напряжённом состоянии.
Исследования выполнены при поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН№73 «Изучение закономерностей и механизмов сейсмотектонических процессов в земной коре методами физического моделирования на ледовом покрове озера Байкал» (координатор д.ф.-м.н., чл.-к. С.Г.Псахье)
Радарные данные получены по гранту Японского аэрокосмического агентства 09/JAXA/AEO №0223001 "Study of topography and geology of Baikal region using optical and radar ALOS data".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Брыксин В.М., Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Технология создания комплексного банка космических снимков Земли // Известия Алтайского государственного университета. -2011. - № 1-1 (69). - С.55-59.
2. Добрецов Н.Л., Псахье С.Г., Ружич В.В. [и др.] Ледовый покров озера Байкал как модельная среда для изучения тектонических процессов в земной коре // ДАН. - 2007. -Т. 412. - №5. - С. 656-660.
3. Евтюшкин А.В., Филатов А.В., Васильев Ю.В. [и др.] Использование данных PALSAR при выполнении геодинамического мониторинга нефтегазовых месторождений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2010. - Т.7. - № 2.- С.122-128.
4. Кирбижекова И.И., Чимитдоржиев Т.Н., Тубанов Ц.А. [и др.]. Результаты исследований динамики ледового покрова озера Байкал методами спутниковой радиолокации ALOS PALSAR и GPS-навигации // Вестник БНЦ СО РАН. - 2012. №1(5). - С.42-59.
5. Ружич В.В., Псахье С.Г., Черных Е.Н. [и др.] Деформации и сейсмические явления в ледяном покрове озера Байкал // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50. - № 3. -С.289-299.
6. Чимитдоржиев Т.Н., Хаптанов В.Б., Захаров А.И. [и др.]. Использование данных радиолокационной интерферометрии ALOS PALSAR и георадарного зондирования для исследования криогенных деформаций грунтов // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - №4. - С. 172-181.
7. Goldstein R., Engelhard R., Kamb B. [et al] Satellite radar interferometry for monitoring ice sheet motion: Application to an Antarctic ice stream // Science. - 1993. - Vol. 262- P. 15251530.
8. Mohr J. J., Reeh N., Madsen S. Three-dimensional glacial flow and surface elevation measured with radar interferometry // Nature. - 1998. - Vol. 391. - P. 273-276.
9. Rignot E., Gogineni S., Krabill W., and S. Ekholm, North and Northeast Greenland ice discharge from satellite radar interferometry // Science. - 1997. - Vol. 276. - P. 934-937.
© Т.Н. Чимитдоржиев, Г.И. Татьков, А.И. Захаров, И.И. Кирбижекова, Ц.А. Тубанов, М.Е. Быков, 2013
