Геофизическое моделирование землетрясений на основе обработки данных радиолокационных съемок в ENVI SARscape на примере землетрясения в городе Бам (Иран)
|
Аннотация 1
Список условных обозначений и сокращений 3
Список иллюстраций 4
Содержание 5
Введение 6
1. Обзор 9
1.1. Дистанционное зондирование Земли 9
1.1.1. Определение и классификация 9
1.1.2. Этапы обработки данных ДЗЗ 10
1.1.3. Применение методов ДЗЗ 10
1.2. Радиолокационные системы 11
1.2.1 Принцип работы и виды РЛС 11
1.2.2 Преимущества и недостатки радиолокационных систем 12
1.2.3 Методы обработки данных РСА 15
1.2.4 Применение радиолокационной съёмки 17
2. Геолого-геофизическое описание исследуемого объекта 20
2.1. Геологическое строение 20
2.2. Сейсмичность 20
2.3. Историческая справка 21
2.4. Характеристики и параметры землетрясения в городе Бам 21
3. Материалы и методы исследования 24
3.1 Спутник EnvironmentalSatellite 24
3.2 Программный комплекс ENVI 26
3.3 Модель Okada 29
3.4 Алгоритмы обработки радарных данных в ПО ENVISARScape 32
4. Обработка и интерпретация данных 34
4.1 Построение карты смещения 34
4.2 Геофизическое моделирование 41
4.3 Выводы 45
Список использованных источников 46
Список условных обозначений и сокращений 3
Список иллюстраций 4
Содержание 5
Введение 6
1. Обзор 9
1.1. Дистанционное зондирование Земли 9
1.1.1. Определение и классификация 9
1.1.2. Этапы обработки данных ДЗЗ 10
1.1.3. Применение методов ДЗЗ 10
1.2. Радиолокационные системы 11
1.2.1 Принцип работы и виды РЛС 11
1.2.2 Преимущества и недостатки радиолокационных систем 12
1.2.3 Методы обработки данных РСА 15
1.2.4 Применение радиолокационной съёмки 17
2. Геолого-геофизическое описание исследуемого объекта 20
2.1. Геологическое строение 20
2.2. Сейсмичность 20
2.3. Историческая справка 21
2.4. Характеристики и параметры землетрясения в городе Бам 21
3. Материалы и методы исследования 24
3.1 Спутник EnvironmentalSatellite 24
3.2 Программный комплекс ENVI 26
3.3 Модель Okada 29
3.4 Алгоритмы обработки радарных данных в ПО ENVISARScape 32
4. Обработка и интерпретация данных 34
4.1 Построение карты смещения 34
4.2 Геофизическое моделирование 41
4.3 Выводы 45
Список использованных источников 46
Тема представленной диссертационной магистерской работы Геофизическое моделирование землетрясений на основе обработки данных радарных съемок в ENVI SARscape на примере землетрясения в городе Бам (Иран).
Настоящая работа совершает обработку данных интерферометрических снимков, радиолокационной съемки, выполненной радарами спутника Епу1гоптеп1а^а1е11йес синтезированной апертурой (SAR). В работе использовалась пара снимков, сделанных до землетрясения в городе Бам - 3 декабря 2003 года и после - 11 февраля 2004 года.
Целью исследовательской деятельности является построение геолого-геофизической модели развития разлома в момент землетрясения магнитудой M 7.8 по данным радарной съёмки и сейсмической сети.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• изучить физические особенности и принципы работы радиолокационных станций (РЛС);
• получить представление о функциональных возможностях программы обработки данных РЛС - ENVI SARscape;
• количественная оценка смещений земной поверхности, вызванных землетрясение Бам, по данным радарной съемки картирования смещений земной поверхности, вызванных данным землетрясением;
• совместная обработка и интерпретация данных радарной дифференциальной интерферометрии и всемирной сети сейсмических наблюдений.
Актуальность исследования. Землетрясения являются наименее предсказуемыми и поэтому наиболее катастрофическими по своим последствиям явлениями природы. Серьезный ущерб при землетрясениях наносится в результате снижения сейсмической опасности региона и вызванное этим применение заниженных требований к строительству, примером чего могут служить последствия разрушительных землетрясений в Иране, Турции, Афганистане, последнее землетрясение в Индийском океане и вызванное им разрушительное цунами на побережье Индонезии.
Даже незначительные сейсмические толчки приводят к тектоническим подвижкам в земной коре и перераспределению грунтовых масс, что в свою очередь может служить «спусковым крючком» к возникновению оползней, разрушению дамб, магистральных трубопроводов и иных технических сооружений, что может привести к серьезным экологическим последствиям. (В. А. Бабешко, А. Ю. Бяков[8])
Современные карты сейсмического и микросейсмического районирования дают представление о месте и силе возможного землетрясения, позволяют с высокой долей вероятности прогнозировать и предсказывать готовящееся сейсмическое событие и его мощность по изменению геолого-геофизических и геохимических параметров. Однако проблема разработки математических моделей и основанных на них методов прогнозирования времени землетрясений является актуальной задачей. (Завьялов А.Д.
Кроме того, актуальность данного вопроса обусловлена наблюдением тектонических смещений в не сейсмоактивных зонах. Что демонстрирую в своей статье Коштяк Б., Цацонь С., Добрев Н.ДГ31. Авторы рассказывают о многолетних повторных измерениях микросмещений по отдельным тектоническим разломным структурам в разных частях Центральной Европы и на Балканах.
Предполагают, что процесс деформации земной коры от очагов сильных землетрясений землетрясений с M > 7 (Иране (1997), Турции (1999) и в зоне Северо- Лнатолийского разлома) достигает середины Европейского кратона. Аномальные смещения на определенных участках происходят в результате распространяющейся на большие расстояния деформации в гетерогенной блоковой среде Западноевропейской части Евразийской плиты.
Мониторинг земной поверхности классическими наземными методами, например, с помощью нивелирования, несут информацию о вертикальных смещениях реперов, которые также могли двигаться и в горизонтальном направлении, тогда как спутниковые данные предоставляют информацию о проекции полного вектора смещений на направление на спутник в точках нахождения устойчивых отражателей. Такие методы как оптические измерения или мониторинг с помощью GPS, позволяет выявлять деформации с субмиллиметровой точностью в местах замеров. Однако получение данных мониторинга в формате плотной двумерной сетки является дорогостоящим и затратным по времени для больших площадных оценок и может быть использовано только для небольших локальных зон. Кроме того, при анализе конкретного события деформации рельефа, могут потребоваться и ретроспективные данные, получить которые классическими методами проблематично, так как локальный мониторинг чаще всего осуществляется после происшествия связанного с событием деформации. Дистанционное изучение Земли с использованием спутниковых радиолокационных космоснимков позволяет проводить площадные исследования относительных изменений высотных отметок земной поверхности, состоявшихся между двумя пролетами спутника. (Семёнов А.В., Потапов В.ПГ6], Голубев В.И. [5])
Интерферометрическая обработка радиолокационных космоснимков является эффективным методом, который позволяет анализировать полученные площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности. Способность получать изображение земной поверхности независимо от условий освещенности и облачности является преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) перед оптическими сенсорами. Метод спутниковой радиолокационной интерферометрии использует эффект интерференции электромагнитных волн и основан на математической обработке нескольких когерентных амплитудно-фазовых измерений одного и того же участка земной поверхности со сдвигом в пространстве приемной антенны РСА. (Филатов А.В. [9])
Настоящая работа совершает обработку данных интерферометрических снимков, радиолокационной съемки, выполненной радарами спутника Епу1гоптеп1а^а1е11йес синтезированной апертурой (SAR). В работе использовалась пара снимков, сделанных до землетрясения в городе Бам - 3 декабря 2003 года и после - 11 февраля 2004 года.
Целью исследовательской деятельности является построение геолого-геофизической модели развития разлома в момент землетрясения магнитудой M 7.8 по данным радарной съёмки и сейсмической сети.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• изучить физические особенности и принципы работы радиолокационных станций (РЛС);
• получить представление о функциональных возможностях программы обработки данных РЛС - ENVI SARscape;
• количественная оценка смещений земной поверхности, вызванных землетрясение Бам, по данным радарной съемки картирования смещений земной поверхности, вызванных данным землетрясением;
• совместная обработка и интерпретация данных радарной дифференциальной интерферометрии и всемирной сети сейсмических наблюдений.
Актуальность исследования. Землетрясения являются наименее предсказуемыми и поэтому наиболее катастрофическими по своим последствиям явлениями природы. Серьезный ущерб при землетрясениях наносится в результате снижения сейсмической опасности региона и вызванное этим применение заниженных требований к строительству, примером чего могут служить последствия разрушительных землетрясений в Иране, Турции, Афганистане, последнее землетрясение в Индийском океане и вызванное им разрушительное цунами на побережье Индонезии.
Даже незначительные сейсмические толчки приводят к тектоническим подвижкам в земной коре и перераспределению грунтовых масс, что в свою очередь может служить «спусковым крючком» к возникновению оползней, разрушению дамб, магистральных трубопроводов и иных технических сооружений, что может привести к серьезным экологическим последствиям. (В. А. Бабешко, А. Ю. Бяков[8])
Современные карты сейсмического и микросейсмического районирования дают представление о месте и силе возможного землетрясения, позволяют с высокой долей вероятности прогнозировать и предсказывать готовящееся сейсмическое событие и его мощность по изменению геолого-геофизических и геохимических параметров. Однако проблема разработки математических моделей и основанных на них методов прогнозирования времени землетрясений является актуальной задачей. (Завьялов А.Д.
Кроме того, актуальность данного вопроса обусловлена наблюдением тектонических смещений в не сейсмоактивных зонах. Что демонстрирую в своей статье Коштяк Б., Цацонь С., Добрев Н.ДГ31. Авторы рассказывают о многолетних повторных измерениях микросмещений по отдельным тектоническим разломным структурам в разных частях Центральной Европы и на Балканах.
Предполагают, что процесс деформации земной коры от очагов сильных землетрясений землетрясений с M > 7 (Иране (1997), Турции (1999) и в зоне Северо- Лнатолийского разлома) достигает середины Европейского кратона. Аномальные смещения на определенных участках происходят в результате распространяющейся на большие расстояния деформации в гетерогенной блоковой среде Западноевропейской части Евразийской плиты.
Мониторинг земной поверхности классическими наземными методами, например, с помощью нивелирования, несут информацию о вертикальных смещениях реперов, которые также могли двигаться и в горизонтальном направлении, тогда как спутниковые данные предоставляют информацию о проекции полного вектора смещений на направление на спутник в точках нахождения устойчивых отражателей. Такие методы как оптические измерения или мониторинг с помощью GPS, позволяет выявлять деформации с субмиллиметровой точностью в местах замеров. Однако получение данных мониторинга в формате плотной двумерной сетки является дорогостоящим и затратным по времени для больших площадных оценок и может быть использовано только для небольших локальных зон. Кроме того, при анализе конкретного события деформации рельефа, могут потребоваться и ретроспективные данные, получить которые классическими методами проблематично, так как локальный мониторинг чаще всего осуществляется после происшествия связанного с событием деформации. Дистанционное изучение Земли с использованием спутниковых радиолокационных космоснимков позволяет проводить площадные исследования относительных изменений высотных отметок земной поверхности, состоявшихся между двумя пролетами спутника. (Семёнов А.В., Потапов В.ПГ6], Голубев В.И. [5])
Интерферометрическая обработка радиолокационных космоснимков является эффективным методом, который позволяет анализировать полученные площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности. Способность получать изображение земной поверхности независимо от условий освещенности и облачности является преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) перед оптическими сенсорами. Метод спутниковой радиолокационной интерферометрии использует эффект интерференции электромагнитных волн и основан на математической обработке нескольких когерентных амплитудно-фазовых измерений одного и того же участка земной поверхности со сдвигом в пространстве приемной антенны РСА. (Филатов А.В. [9])
Результатом первого этапа настоящей работы является расчёт смещения земной поверхности вдоль активного разлома. Таким образом, общая амплитуда смещения составила 50 сантиметров, в частности в юго-восточной части относительно города Бам произошло оседание поверхности земли на 0,2 метра, а в северо-восточной части - поднятие на 0,325 метров. Также по карте смещений можно сделать вывод, что плоскость разлома наклонена к востоку.
Несмотря на незначительные смещения, по причине низкого качества построек в городе, в основном из саманного кирпича - без всяких средств антисейсмической защиты, масштабы землетрясения были катастрофическими.
После выполнения двух итераций нелинейной инверсии следует вывод о том, что полностью автоматический инструмент моделирования не работает, практически всегда необходимо редактирование параметров модели. Также инструментами нелинейной инверсии было выведено среднее расположение очага землетрясения со средним значением скольжения 1,45 м. С помощью линейной инверсии было получено более реалистичное распределение скольжения по плоскости разлома, что составило от 0 до 2.77 метров, и определен очаг максимальных смещений.
В случаях с более сложными землетрясениями операция расчёта проекции смоделированных смещений земной поверхности в направлении линии визирования радара позволяет выявить остаточные напряжения либо смещения, наведённые землетрясением, но не вызванные напрямую им, а также построить карты риска последующих землетрясений. Так как с геологической точки зрение землетрясение в Баме очень простое (был лишь один разлом, одна плоскость разлома и не было оползней) необходимость в расчёте смещений в направлении линии визирования отсутствует.
Подводя итоги, нужно сказать, что в случае землетрясения в городе Бам - смоделированные смещения практически полностью соответствуют зафиксированным смещениям по данным радарной интерферометрии. Это говорит о том, что модель хорошо описывает реально произошедшие сейсмические события, и что все произошедшие смещения вызваны напрямую подвижками вдоль плоскости разлома.
Несмотря на незначительные смещения, по причине низкого качества построек в городе, в основном из саманного кирпича - без всяких средств антисейсмической защиты, масштабы землетрясения были катастрофическими.
После выполнения двух итераций нелинейной инверсии следует вывод о том, что полностью автоматический инструмент моделирования не работает, практически всегда необходимо редактирование параметров модели. Также инструментами нелинейной инверсии было выведено среднее расположение очага землетрясения со средним значением скольжения 1,45 м. С помощью линейной инверсии было получено более реалистичное распределение скольжения по плоскости разлома, что составило от 0 до 2.77 метров, и определен очаг максимальных смещений.
В случаях с более сложными землетрясениями операция расчёта проекции смоделированных смещений земной поверхности в направлении линии визирования радара позволяет выявить остаточные напряжения либо смещения, наведённые землетрясением, но не вызванные напрямую им, а также построить карты риска последующих землетрясений. Так как с геологической точки зрение землетрясение в Баме очень простое (был лишь один разлом, одна плоскость разлома и не было оползней) необходимость в расчёте смещений в направлении линии визирования отсутствует.
Подводя итоги, нужно сказать, что в случае землетрясения в городе Бам - смоделированные смещения практически полностью соответствуют зафиксированным смещениям по данным радарной интерферометрии. Это говорит о том, что модель хорошо описывает реально произошедшие сейсмические события, и что все произошедшие смещения вызваны напрямую подвижками вдоль плоскости разлома.