Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) широко используются для наземных высокоточных координатных определений при исследованиях современных движений и деформаций земной коры как тектонических плит, так и отдельных геологических структур. Измерения проводятся регулярно на специально выбранных пунктах (GPS/ГЛОНАСС), образующих разномасштабные геодезические построения — геодинамические полигоны.
Современная спутниковая навигационная система основывается на использовании принципа дальномерных измерений между навигационными спутниками и наземными приемниками (рис. 1). В составе сигнала со спутников передаётся информация, на основании которой высчитываются координаты пунктов в общеземной координатной системе на каждый момент времени. Для геодезических измерений используется высокоточная аппаратура, специальные программы обработки полученных данных для определения положения пункта с максимально возможной точностью, что позволяет изучать медленные и быстрые деформационные процессы, происходящие на земной поверхности.
Fig. 1. Navigation and positioning infrastructure based on the Roscosmos Navigation Accuracy Improvement system. Measurement collection stations are a complex of high-precision navigation equipment installed at points with known coordinates; system integrity information is about failures in GNSS operation; ephemeris-time information is data for calculating the spacecraft orbit and onboard clock data; ground data transmission lines are VHF broadcast stations, mobile wireless communication systems or the Internet. https://www.roscosmos.ru/22054/ .
Одним из интересных объектов геодинамических исследований с применением новейших спутниковых геодезических технологий стала территория северо-запада России. Внедрение современных спутниковых технологий в практику исследований геодинамических процессов в этом регионе началось на стыке прошлого и текущего столетий при содействии специалистов научных и учебных учреждений региона. Это позволило по-новому посмотреть на некоторые тектонические и внутриплитовые процессы при решении геодинамических задач. Активное участие в организации спутникового мониторинга принимают специалисты Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта Российской Академии Наук (ИФЗ РАН), продолжая исследования, начатые традиционными геодезическими методами в рамках международного проекта (Прилепин и др., 2002; Galaganov et al., 2001; Галаганов и др., 2005).
Согласно общепринятым представлениям, для современной геодинамики региона определяющим процессом является постледниковое поднятие как следствие оледенения, охватившего около 10-11 тысяч лет назад северо-западную часть Евразии, включающую географические территории Норвегии, Швеции, Дании, Финляндии, а также северо-запада России.
Сотрудники ИФЗ РАН продолжают проводить измерения и исследовать современное развитие деформационных процессов на основе мониторинга GPS+ГЛОНАСС на геодинамических полигонах в Ленинградской области и в Республике Карелия. В 2015 году был создан геодинамический полигон в Мурманской области на побережье Кандалакшского залива, где были заложены новые пункты для изучения локальных движений региона (рис. 2). Карельский полигон расположен в области с наиболее стабильной геодинамической обстановкой и на данный момент является географическим центром исследуемого региона. В настоящее время в него входят четыре пункта: MELO — расположенный на прибрежном возвышенном массиве вблизи г. Сортавала, GIRS — в районе расположения древнейших палеовулканов на территории пос. Гирвас, KRMS — в поселке Карельская Масельга, BOTS — на территории Ботанического сада Петрозаводского государственного университета.
Рис. 2. Местоположение основных пунктов GPS+ГЛОНАСС: 1 — Ленинградская область (наблюдения 1999–2021 гг.); 2 — Карелия (наблюдения 1999–2021 гг.); 3 — Кольский полуостров (наблюдения 2015–2021 гг.).
Fig. 2. Location of the main GPS+GLONASS points: 1 – Leningrad Region (observations 1999–2021); 2 – Karelia (observations 1999–2021); 3 – Kola Peninsula (observations 2015–2021).
Fig. 3. Equipment installation of at the BOTS point: a) in 2006; b) in 2018.
Пункт BOTS был заложен в 1999 году. Место для него было выбрано на большой поляне, с максимально открытым небесным сводом, что является необходимым условием получения качественных спутниковых данных. Он расположен на скальном выходе коренных пород, что исключает его оползневое смещение с верхними слоями почвы и представляет собой бетонный монумент с системой принудительного центрирования (рис. 3а). На таких пунктах антенна крепится к жестко закрепленной площадке на вершине монумента. Такая конструкция предложена финскими специалистами для выполнения высокоточных деформационных измерений. За годы наблюдений вокруг пункта вырос целый студенческий городок (рис. 3б), новые постройки частично закрыли обзор, но, несмотря на это, получаемые данные не стали хуже. Продолжительность повторных непрерывных спутниковых измерений на пункте составляет 5–7 суток, что служит гарантией высокого качества полученных измерений.
Рис. 4. Графики временного хода северной (N) и восточной (E) компонент координат для пункта BOTS за 2006-2021 гг.
Fig. 4. Time series of the northern (N) and eastern (E) coordinate components for the BOTS point for 2006-2021.
Рис. 5. Карта скоростей современных вертикальных движений (изолинии) и векторов горизонтальных движений (стрелки) северо-востока Восточно-Европейской платформы за период 2006–2021 г.
Fig. 5. Map of modern vertical movements velocities (isolines) and vectors of horizontal movements (arrows) of the northeast of the East European Platform for the period 2006–2021.
Рис. 6. Эпицентры землетрясений, произошедших за 2000–2019 гг.
Fig. 6. Epicenters of earthquakes occurred in 2000–2019.
Синхронные измерения GPS+ГЛОНАСС проводятся в июле-августе с двухгодичным интервалом между эпохами измерений способом дифференциального позиционирования в статическом режиме, с интервалом регистрации 30 с. Для выбранного временного интервала производится определение среднесуточных геоцентрических и геодезических координат пунктов и их осреднение в отсчетной координатной системе ITRF. Также привлекаются данные постоянно действующих станций Международной геодинамической сети (IGS) в России, Финляндии, Швеции и Норвегии. Ближайшие из них используются в вычислениях в качестве опорных (перемещаемых во времени с постоянной скоростью). Среднеквадратическая ошибка определения плановых координат составила в среднем 0.2 мм для пунктов IGS и 0.3–0.5 мм – для определяемых пунктов. Точность определения вертикальной составляющей координат в 2–2.5 раза ниже.
На графиках, приведенных на рис. 4, отражено изменение во времени компонент координат пункта BOTS за период с 2006 по 2021 гг., которое демонстрирует равномерное горизонтальное смещение пункта во времени, что свидетельствует о высоком качестве проводимых измерений.
Полученные в результате расчета вертикальные и горизонтальные скорости земной поверхности региона приведены на рис. 5. Результаты вычислений подтверждают современное поднятие Балтийского щита со скоростью до 10.4 мм/год, на российской территории не превышая 5–6 мм/год. Вычислены также горизонтальные движения Восточно-Европейской платформы. Они имеют северо-восточное направление и составляют в среднем 23 мм в год в международной координатной системе отсчета ITRF. Внутрирегиональные горизонтальные скорости смещения пунктов Карелии и Ленинградской области были получены путем перерасчета скоростей относительно находящегося на северо-западе пункта KIRU, который был принят за неподвижный. Полученные скорости в локальной системе отчета имеют преимущественно юго-восточное направление и составляют порядка 3–4 мм в год. Для пункта BOTS — 3.8 мм в год.
Помимо анализа скоростей пунктов, большое внимание уделяется изучению площадных деформаций и современного сейсмического режима. Использованная методика анализа деформирования земной коры выявила наличие чередующихся зон растяжения и сжатия со значениями деформаций от (–0.8)∙10–8 до 1.6∙10–8 в год. Для оценки сейсмической активности данного региона использовался каталог землетрясений, предоставленный КоФ ФИЦ ЕГС РАН, и данные Геологической службы США (USGS). Территория обладает слабой сейсмической активностью. С 2000 г. здесь произошло около 200 сейсмических событий с магнитудами (Ms) 0.7–4.1. В основном это слабые события с магнитудами до 3.3, кроме девяти – с Ms от 3.5 до 4.1. Повышенная интенсивность сейсмических проявлений характерна для сводового поднятия Фенноскадии (рис. 6).
Одной из важнейших задач исследований является сопоставление полученных смещений земной коры с выделившейся сейсмической энергией. Проявление сейсмичности в пределах рассматриваемой территории достаточно неоднородно, выделяются области, приуроченные к зонам, переходным от растяжения к сжатию, или к зонам растяжения. Выделена Балтийско-Ладожская область сейсмической активности, маркирующая зону перехода от свода к платформе (Гусева и др., 2016, 2020).
Результаты выполненных исследований с использованием ГНСС технологий и анализа сейсмичности позволяют оценить современную тектоническую активность Фенноскандии и особенности ее проявления в первое двадцатилетие текущего века. Сопоставление скоростей перемещений, деформаций и сейсмичности определяет количественные характеристики современной геодинамики исследуемого региона для конкретного временного интервала. Дальнейшее развитие сети геодезических наблюдений в северо-западной части Восточно-Европейской платформы позволит расширить и уточнить имеющиеся данные о геодинамическом режиме этого региона.
Выражаем благодарность директору Алексею Анатольевичу Прохорову и сотрудникам Петрозаводского ботанического сада за теплый прием и помощь в организации работ!
References
Galaganov O. N., Guseva T. V., Mishin A. V., Bogdanov V. I. Some results of geodynamic researches on eastern frame of the Baltic shield // IAG International Symposium on Recent Crustal Movements. Helsinki, Finland, August 27–31, 2001. Abstracts. Edited by Markku Poutanen. Kirkkonummi. P. 95—96.
Galaganov O. N., Guseva T. V., Perederin V. P. Results of the study of modern movements of the earth's crust in the Baltic-Ladoga region of Russia// Geodeziya, kartografiya i aerofotoznimannya. Lviv: «Lvivska politekhnika», 2005. No. 66. P. 121—125.
Guseva T. V., Krupennikova I. S., Mokrova A. N., Perederin V. P. Geodetic satellite monitoring and seismic activity of the north-west of Russia // Sovr. Probl. DZZ Kosm. 2016. Tom 13. No. 5. P. 133—141.
Guseva T. V., Krupennikova I. S., Mokrova A. N., Perederin V. P., Rozenberg N. K. Satellite monitoring and seismic activity of the north-west of Russia // Geophysical Research. 2020. V. 21. No. 1. P. 24—32. DOI: 10.21455/gr2020.1-2 .
Prilepin M. T., Mishin A. V., Kaban M. K., Baranova S. M. Study of the Baltic Shield geodynamics from GPS data // Izvestiya. Physics of the Solid Earth, Pleiades Publishing, Inc. (New York, USA), 2002. Vol. 38. No 9. P. 756—764.
