VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Литосферная плита — это крупный стабильный участок земной коры, часть литосферы. Согласно теории тектоники плит, литосферные плиты ограничены зонами сейсмической, вулканической и тектонической активности — границами плиты.

Существует два принципиально разных вида земной коры — кора континентальная и кора океаническая. Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (пример — крупнейшая тихоокеанская плита), другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.

Тектоника плит — современная геологическая теория о движении литосферы, согласно которой земная кора состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга.

Сейчас уже нет сомнений, что горизонтальное движение плит происходит за счёт мантийных теплогравитационных течений — конвекции. Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли, которые имеют очень высокую температуру (по оценкам, температура ядра составляет порядка 5000 °С) и температуры на её поверхности. В наше время актуальны два метода наблюдений за движениями литосферных плит:

РСДБ – наблюдение с Земли объектов, настолько удаленных, что их собственное двежение не может наблюдаться в Земли.

Исследование радиоизлучения этих источников позволяет получить базисные линии (расстояния между станциями) очень большой длины и не требует при этом измерений элементов орбиты. Этот метод позволяет измерить базисную линию длиной в тысячи километров с точностью до нескольких сантиметров.

Другие геодинамические процессы, как, например, движение полюсов Земли и движение плит земной коры, существенно воздействуют на результаты длиннобазисной радиоинтерферометрии, изменяя ориентировку геоцентрической системы координат по отношению к инерциальному пространству, определяемому квазарами. Таким образом, РСДБ позволяет усовершенствовать геофизические модели этих процессов с помощью мониторинга (систематических измерений) длин базисных линий, соединяющих станции слежения. Например, если станции находятся на противоположных сторонах материка или океана, с помощью РСДБ выявляется движение континентальных плит (составляющее несколько сантиметров в год). Считается, что этот результат служит подтверждением гипотезы тектоники плит. Для геодезии особенно важно то, что РСДБ позволяет очень жестко определить ориентировку опорной геодезической сети по отношению к небесной сфере. Однако необходимо учитывать погрешности, источниками которых являются движение полюсов, дрейф материков и изменения параметров вращения Земли.

ГНСС – представляет собой сеть базовых станций, расположенных по всему миру, координаты которых известны относительно центра масс Земли (геоцентрическая система координат).

Зная положения этих пунктов относительно центра масс Земли с помощью системы GPS можно определять базисные расстояния между этими пунктами, и по их изменению, можно судить о положении литосферных плит.

В обоих случаях для получения достоверных результатов нужно учитывать множество факторов, как например, синхронизацию времени (часов): в РСДБ между системами приема сигналов на радиотелескопах, а в GNSS между атомными часами, установленными на спутниках и часами, которые встроены в спутниковые приемники.

На мой взгляд в РСДБ намного больше тонкостей, нежели в GNSS, сложно представить какие нужно вкладывать средства для поддержания глобальной системы РСДБ. Как я понимаю, в настоящее время предпочтение отдают спутниковому методу определения, которые дает точность определения расстояния между базовыми пунктами около 0.5см, а также является более экономичным вариантом по сравнению с РСДБ.

Далее рассмотрим более подробно каждый из методов.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ)

Впервые идея РСДБ была предложена учеными нашей страны Н. С. Кардашевым, Л. И. Матвеенко и Г. Б. Шоломицким в 1965 году.

Основные принципы радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой.

Излучение от квазара (широкополосный шумовой сигнал) приходит на радиотелескопы 1 и 2 с задержкой τ, обусловленной разностью хода ∆S. Вектор базы D имеет длину D = ∆S/cosβ, а так как ∆S = Vτ, где V - скорость радиоволн, то τ = (D/V)cosβ, т.е. задержка τ содержит информацию о длине D. Эта задержка измеряется корреляцион ным методом.

Записи сигналов S(t) и S(t + τ) на телескопах 1 и 2 сводятся в корреляторе, на выходе которого воспроизводится корреляционная функция К12(τ) = =, имеющая максимум при τ = 0. Сдвигая записи до появления максимума выходного сигнала, определяют задержку τ, равную величине сдвига.

Рис. 1. Иллюстрация "Метод РСДБ"

В простейшем случае радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, разнесенных на сотни или тысячи километров и наблюдающих один и тот же квазар - квазизвездный (звездоподобный) внегалактический источник шумового радиоизлучения с чрезвычайно широким спектром. Квазары находятся на расстояниях от Земли в десятки и сотни миллионов световых лет, то есть практически в бесконечности; поэтому приходящие от квазара радиоволны имеют идеально плоский фронт, а поступающие на оба радиотелескопа сигналы приходят по строго параллельным путям. Эти шумовые сигналы совершенно идентичны, но приходят на радиотелескопы с некоторой временной задержкой τ один относительно другого, обусловленной разностью расстояний ∆S от радиотелескопов до квазара. Линию, соединяющую центры антенн радиотелескопов 1 и 2, называют вектором базы D. Он является одним из основных определяемых параметров и может быть выражен через три разности одноименных координат точек 1 и 2. Нетрудно показать, что задержка τ зависит от длины D вектора D и угла τ между базой и направлением на квазар. Эта задержка измеряется так называемым корреляционным методом: на обоих радиотелескопах шумовые сигналы от квазара записываются на широкополосные магнитофоны. Записи сводят вместе в центре обработки на корреляторе - устройстве, осуществляющем перемножение сигналов и осреднение произведения за большой промежуток времени (который намного больше периода самой низкочастотной составляющей спектра входных сигналов). Это осредненное произведение есть корреляционная функция входных сигналов, и ее значение снимается с выхода коррелятора. Если шумовой сигнал, принятый первым радиотелескопом, обозначить S(t), то сигнал, принятый вторым радиотелескопом, будет S(t + τ), а их корреляционная функция выразится в виде К = , где угловые скобки обозначают осреднение по времени. Эта корреляционная функция имеет один резко выраженный максимум при τ = 0. Следовательно, если при подаче сигналов на коррелятор сдвинуть одну запись относительно другой до получения максимума выходного сигнала, то величина временного сдвига даст искомую задержку τ. При этом измерения осуществляются тем точнее, чем yже (острее) максимум корреляционной функции, а он тем острее, чем шире спектр записываемых сигналов, то есть чем меньше их временная когерентность. Именно поэтому в РСДБ наблюдают шумовые, наиболее широкополосные, сигналы квазаров.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)

Появление ГНСС-технологий позволило ученым уточнить результаты предыдущих исследований. Толчком к расширению применения ГНСС-технологий стало землетрясение Лома Приета в 1989 году. Удар по побережью Сан-Франциско унес 68 жизней и нанес ущерб в 6 млрд. долларов. Незадолго до катастрофы, геофизики USGS Уилл Прескот и Джим Саваж проводили измерения в районе землетрясения. Впоследствии им удалось показать зависимость в возникновении подземных толчков от изменения векторов движения литосферных плит. Это был важный шаг вперед в сейсмике, и он не был бы совершен без спутниковых измерений.

Геофизики используют два вида сбора данных с помощью ГНСС-приемников. Первый состоит в периодическом сборе и анализе информации, полученной с некоторого числа пунктов в течение длительного периода с помощью постобработки. Это позволяет получить детальную картину о сейсмической обстановке на больших площадях.

Непосредственно после землетрясения ученые проводят измерения, чтобы восстановить картину событий. Полученные данные позволяют им получить картину косейсмических движений – это позволяет предугадать постсейсмические движения, которые бывает сложно отличить от косейсмических.

Второй метод измерений опирается на работу постоянно действующих станций. Данные из сетей референцных станций непрерывно собирают и обрабатывают информацию о движениях земной коры. В некоторых регионах созданы сети не только для научных исследований, но и для проведения геодезических, строительных и сельскохозяйственных работ, для коммерческого использования данных сетей станций. Наблюдение за изменениями в режиме реального времени позволяет собирать информацию обо всех трех типах сейсмических движений.

Геофизик из Королевского научного исследовательского института Новой Зеландии Джон Биван считает, что использование данных постобработки и отслеживания данных о деформациях почвы в реальном времени дополняют друг друга. В районах с низкой сейсмической активностью оправдано использование режима постобработки, а в районах с высокой лучше использовать слежение в реальном времени. Например, в Китае установлена сеть из 260 референцных станций Trimble, которые в реальном времени зафиксировали косейсмические смещения от 2 до 12 сантиметров, вызванные землетрясением в Восточной Японии.

Для повышения эффективности использования сетей базовых станций, расширяется количество областей их использования. Так, в штате Вашингтон установлена сеть из 102 базовых станций. Сеть работает на технологии Trimble VRS, и используется не только для научных, но и для коммерческих целей – например, для кадастровых работ.

В целом, использование ГНСС-технологий позволяет повысить безопасность людей и объектов. Так, в Новой Зеландии, Японии и Калифорнии разработаны системы, ведущие постоянный мониторинг сейсмической активности. В состав систем мониторинга входят не только базовые станции, но и разного рода сейсмические датчики.

Специализированное программное обеспечение позволяет отслеживать данные как со спутниковых станций, так и с традиционных сейсмических датчиков одновременно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Физика Земли. Учебник-монография В. В. Кузнецов. – Новосибирск, 2011

2. Статья дтн Голубева А. – Глобальная сеть для ловли радиоволн

Код для цитирования: Скопировать