Когда дрожит земля

По данным статистики геологической службы США (USGS), в 2011 году случилось почти две с половиной тысячи землетрясений магнитудой от 5 баллов. Это на 10% больше, чем в 2010 году, и на 30% чем в период 2000 – 2010 годов. Одновременно с ростом землетрясений растут города, появляются новые инженерные объекты и объекты инфраструктуры – это также повышает опасность землетрясений для этих объектов. Для улучшения прогнозирования землетрясений в мире широко используются ГНСС-технологии, позволяющие снизить риск нанесения ущерба и улучшить реагирование на чрезвычайные ситуации.

В 1915 году немецкий метеоролог Альфред Вегенер предложил теорию дрейфа континентов. Поначалу теория подверглась жесткой критике, но, с появлением новых описательных методов, его правота подтвердилась.

Движение континентальных плит обычно незаметно, так как чрезвычайно медленно. Однако он проявляется при столкновениях плит, что вызывает деформации, сопровождающиеся землетрясениями. До 80-х годов ХХ века основными методами измерения сейсмической активности были оптические и интерферометрические измерения.

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.

За прошедшие годы ГНСС-оборудование стало компактнее и точнее, и по-прежнему позволяет геофизикам отвечать на вопросы, возникающие в ходе сейсмических исследований.

Движение почвы

Геофизики выделяют три типа движения литосферных плит, составляющий цикл землетрясений:

Интерсейсмическое – медленное движение плит в промежутке между землетрясениями, т.е., отсутствие движений, заметных без использования технических средств наблюдения

Косейсмическое – быстрые движения поверхности в местах столкновения плит, т.е. землетрясение как таковое.

Постсейсмическое – смещения почвы после землетрясения, когда напряжение на стыках плит высвобождается вокруг зоны основного землетрясения.

В некоторых случаях, постсейсмические движения поверхности могут составлять более 1 см в день, после чего цикл начинается заново.

Основным средством наблюдения за сейсмическими явлениями является сейсмометр, принципиальная конструкция которого состоит из груза с пружинным креплением, заключенным в закрепленный на земле корпус. При землетрясении корпус приходит в движение, и смещается относительно груза. Однако сейсмометр способен фиксировать подземные толчки разной силы (т.е., косейсмические и постсейсмические явления), наблюдать же за медленными интерсейсмическими движениям, которые впоследствии превращаются в землетрясения, сейсмометр не способен.

ГНСС-измерения

Измерения с помощью ГНСС-технологий позволяют измерить медленное интерсейсмическое движение, а также события, происходящие во время землетрясения. По данным геофизика Кена Хадната, это делает технологии высокоточного спутникового позиционирования чрезвычайно ценными для сейсмических исследований. «В некоторых случаях альтернативы ГНСС-приемникам просто нет, - говорит Хаднат. – Кроме того, за движениями тектонических плит и за наращиванием напряжения невозможно следить с помощью других средств 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. Кроме того, сети референцных станций могут быть использованы для облегчения работы спасательных и изыскательских служб до и после катастрофы. Несмотря на принципиально разные задачи, выполняемые спасателями и геодезистами, им одинаково нужны надежные точки отсчета координат.

Дополняющие друг друга методы

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.

Наибольшее значение имеют данные, полученные в самые первые минуты после толчка: во время землетрясения, помимо основного удара, могут происходить оползни, появляться трещины, возникать области затопления. Сеть ГНСС позволяет увидеть эти события, и вовремя направить аварийную команду в нужное место.

В последнее время роль ГНСС в мониторинге опасных природных явлений возросла. Одним из наиболее перспективных направлений в этой области является система раннего оповещения о цунами. Базовые станции, установленные вдоль побережья, могут зафиксировать признаки подводных толчков, и предоставить время для эвакуации людей. Кроме того, коммерческое использование данных от сетей базовых станций помимо целей мониторинга позволяет получить дополнительные средства за счет их использования в других отраслях экономики.