Мониторинг деформаций земной поверхности из космоса

Введение

Геологической службой США (USGS) используется новый инструмент для определения, измерения и мониторинга изменений формы или относительного положения поверхности Земли. По отражениям от земли радарных спутниковых сигналов и анализу полученных изображений, интерферометрическая радиолокационная система (ИРЛС) с синтезированной апертурой (InSAR) способна обнаружить мелкие различия в расстояниях между собственной позицией и землей в процессе движения поверхности вверх, вниз или в сторону. InSAR показывает пространственные деформации достаточно подробно, и в сочетании с наземным мониторингом дает возможность вникнуть в широкий спектр процессов наук о Земле.

Как InSAR работает

Обнаружение изменений в положении поверхности Земли требует двух радиолокационных изображений определенной области, взятой из приблизительно одного и того же пространственного положения, но в два разных момента времени. На рисунке 1 сигнал радара показан в качестве волн, и сегменты различные сегменты обозначены разными цветами, чтобы подчеркнуть сдвиг в позиции отраженной волны. Поднятие поверхности земли произошло между первым и вторым прохождением спутника, и таким образом общая длина обратного сигнала для второго прохождения короче, чем для первого.

Интерферометрия основана на обработке пары изображений для определения различий отраженных сигналов некоторой области. Поскольку область, покрываемая двумя радиолокационными изображениями, как правило, имеет площадь 50 или 100 км (сторона), этот метод позволяет отследить деформации на больших площадях.

Чтение интерферограмм

Количество и характер деформаций в интерферограмме показаны с помощью диапазона цветов (в спектре – от красного до фиолетового). На рисунке 2 показана интерферограмма, фиксирующая оседание в долине Санта-Клара, Калифорния (верхнее изображение) и карта рельефа (нижнее изображение), связывающая цветные полосы с значениями деформаций.

Эта и многие другие интерферограммы используются в соответствии с условием, что переход от красного до фиолетового цвета указывает на приближение земли к спутнику (поднятие). В примере Санта-Клара, цветовые полосы изменяются в обратном порядке, что указывает на оседание в центре. Этот сдвиг соответствует 3 см оседания на расстоянии примерно 8 км. Таким образом, интерферометрия обнаруживает мелкие изменения в высоте поверхности Земли и определяет точную форму этих изменений.

Оседание на рисунке 2 является следствием сезонной откачки грунтовых вод, которая произошла с января по август 1997 года. Такая карта поверхности смещений повышает возможность контролировать и наблюдать за оседанием, вызванным уплотнением систем водоносных горизонтов (Гэллоуэй и др., 2000).

Деформации на вулканах

Многолетний опыт в области мониторинга действующих вулканов, таких как Килауэа на Гавайях, привели к пониманию, что движение расплавленной породы (магмы) под землей можно посредством мониторинга деформаций поверхности вулкана. Неожиданным результатом систематического анализа InSAR для вулканов Аляски и в западной части Соединенных Штатов явилось открытие, что некоторые давно спящие вулканы активно деформируются и могут в конечном итоге вспыхнуть, хотя в настоящее время они практически не проявляют активности.

На рисунке 3 показана определенная с помощью InSAR область поднятия возле скопления вулканов, известных как Три сестры, в центральном Орегоне. Эта деформация, которая не расположена непосредственно под любым из вулканов, находится в районе, где последнее извержение произошло 1500 лет назад. Поднятие поверхности земли, которая началось в 1997 году, достигло 15 см в 2001 году. GPS-мониторинг показывает, что поднятие продолжается в устойчивом темпе, и предполагается, что поднятие производится поверх движения магмы. InSAR устанавливает глубину проникновения в 6-7 км (Уикс и др., 2002).

Из-за наблюдаемого подъема, Геологическая служба США установила сейсмометры, GPS-станции и оборудование для мониторинга в данной области, чтобы проверить наличие других признаков вулканической активности. Сначала новые сейсмометры не обнаружили землетрясения в районе поднятия. В марте 2004 года, однако, произошло 300 небольших землетрясений, имеющих эпицентры на северо-востоке от центра поднятия, как показано на рисунке 3.

Этот пример показывает, как использование InSAR для определения деформаций неконтролируемых вулканов помогает USGS разрабатывать более эффективные и действенные сети мониторинга вулканов.

Другие вулканы США, где проиводится определение деформаций с помощью InSAR, включает несколько вулканов Алеутских островов (Окмок, Акутан, Уэстдаль, Фишер, Киска, Макушин, Сегуам и Аниак-Чак), а также Пэулик на полуострове Аляска, Лонг-Уэлли в Калифорнии, и Йеллоустоун в Вайоминге. Результаты InSAR для Йеллоустоун приводятся Брентли и другими (2004). Наиболее полный набор данных существует для Уэстдаля, где серия интерферограмм фиксирует десятилетие непрерывной деформации (Лу, Мастер-Ларк, и другие, 2003). В идеале, вулканологи могли бы использовать эту технику, чтобы наблюдать все вулканы по всему миру для определения наличия деформаций.

Преимущество InSAR в том, что он может быть применен для чрезвычайно отдаленных и неконтролируемых вулканов, и это дает вохможность получения изображения области деформаций (не только деформаций серии точек). Основным ограничением, кроме ограниченного потока изображений (в настоящее время только два работающих спутника), является трудность съемки сквозь растительность на земле. Эта проблема особенно остро стоит для многих действующих вулканов в тропиках.

Различные деформации, связанным с землетрясениями

Деформации на вулканах, обнаруженные с помощью InSAR, считаются преимущественно вертикальными. Для многих землетрясений, однако, большая часть деформаций является горизонтальной и происходит по той же причине, что и землетрясение. Потому InSAR может обнаружить движение только по направлению к спутнику или от него, необходима другая информация для характеристики и горизонтальных и вертикальных смещений.

Рисунок 4 показывает деформационные поля, связанные с двумя сильными землетрясениями, которые произошли на Аляске в октябре и ноябре 2002 года. В каждом случае, интерферограмма основана на паре изображений – один до и один после каждого события. Симметрия деформаций предполагает, что движение было преимущественно горизонтально, что соответствует наземным наблюдениям.

Важнейшей новой информацией, определенной с помощью InSAR, является то, что деформация происходит на гораздо большей площади, чем полоса земли вдоль разломов. Эпицентр землетрясения горы Ненана (рис. 4а) находится в западной части его деформаций, и предполагается, что он движется на восток. Это движение вызвало гораздо большее землетрясение Денали (рис. 4б) (Lu, Райт и Викс, 2003).

Большая часть деформации, вероятно, происходит после землетрясений, как только поверхность Земли достигнет деформаций, которые начинаются на глубине и очень быстро распространяются вдоль поверхностей разломов. Если ученые смогут продемонстрировать с помощью анализа InSAR, что на самом деле происходит перед землетрясением , то этот новый метод может в конечном итоге привести к появлению средства прогнозирования землетрясений для некоторых систем разломов.

InSAR и GPS

Область Лос-Анджелеса, Калифорния, является важной целью для исследования USGS, потому что этот густонаселенный и высокоразвитый район очень тектонически активен. Геология района Лос-Анджелеса осложняется активными разломами и другими структурами. По этим причинам Геологическая служба США и ее партнеры (в том числе Национальное управления по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA и Национальный научный фонд NSF) установили обширную сеть GPS станций под названием SCIGN (Southern California Integrated GPS Network) в целях мониторинга продолжающейся тектонической активности в данной области (см. веб-сайт Геологической службы США).

Данные InSAR для Лос-Анджелесского бассейна покрывает по меньшей мере часть области контролируемого массива SCIGN (рис. 5). Есть несколько других мест на Земле, где данные деформаций InSAR и GPS перекрываются, что позволяет провести прямое их сравнение. Сравнения, возможные для бассейна Лос-Анджелеса показали, что по этим двум методам получены аналогичные результаты. Эти данные также дополняют друг друга; непрерывный GPS-мониторинг обеспечивает непрерывность во времени, в то время как InSAR предлагает схему пространственных деформаций для области.

Какие выводы можно сделать по мониторингу деформаций в районе Лос-Анджелеса? Во-первых, данные SCIGN и InSAR показывают сезонные колебания уровня грунтовых вод, а также деформации, вызванные перекачкой нефти и газа (Боуден и др., 2001).

Чтобы расшифровать текущую тектоническую активность, ученые должны отделить сигнал поверхностных процессов от общих сигналов деформаций. Еще одним преимуществом InSAR является то, что мониторинг позволяет увидеть ранее неопределенные или потенциально сейсмогенные подземные процессы, и определить положение известных подземных структур. Боуден и др. (2003).

Какой вид SAR наилучший?

Интерферограммы, показанные на рисунках 2-4 были получены из пар изображений европейских спутников дистанционного зондирования (Европейское космическое агентство) или Radarsat (Канадское космическое агентство). Датчик на этих спутниках – С-диапазонный радар, имеющий длину волны 5,66 см. К сожалению, эти относительно короткие волны не являются идеальными для рассмотрения многих видов природных поверхностей и искажаются растительностью.

L-диапазонный SAR, который имеет значительно большие длины волн (23,53 см), лучше подходит для интерферометрии, особенно в районах с высокой растительностью; однако в настоящее время нет рабочих L-диапазонных спутников. Единственный архив L-диапазона получен Satellite JERS-1, который находился под управлением Японии с 1992 по 1998. USGS, опираясь на эти архивные съемки, а также изображения С-диапазона ERS, создали две интерферограммы для вулкана Акутан на Алеутских островах (рис. 6 и 7).

Эта пара интерферограмм, охватывающая практически один и тот же период времени, позволяет сравнивать определенные с помощью InSAR поля деформаций для C- и L-диапазонного радара (Лу и др., 2005).

Интерферограмма на основе С-диапазонного радара (рис. 6) показывает лишь ограниченные сведения о деформации острова Акутан. Хотя растительность может препятствовать эффективности С-диапазона радара, это не относится к случаю Акутан, так как растительность на острове является редкой (рис. 8). Полученные результаты вытекают из природы поверхности, что во многих областях состоит в основном из рыхлых вулканических отложений. Этот материал является неустойчивым в масштабе нескольких сантиметров в течение определенного периода лет. Только молодые потоки и некоторые поверхности скал были достаточно стабильны, чтобы показать последовательную деформацию (рис. 6) на более короткой волне С-диапазона в течение 3-х лет.

В случае с большей длиной волны L-диапазона, почти вся поверхность острова появляется достаточно стабильной для четкой идентификации деформационного поля (рис. 7). Состав деформаций, произошедших во время сейсмической активности 1996 года, может быть четко определен. Это было оседание в северо-западной части вулкана, в совокупности с образованием трещин и грабенов, как показано на рисунке 8. К востоку от вулкана наблюдается область оседания, которая четко указывается только в L-диапазоне интерферограмме (рис. 7).

Приобретение данных – совместная межведомственная деятельность

Спутники SAR малочисленны, и требования к сбору повторных изображений, которые могут быть использованы для создания интерферограммы, являются достаточно жесткими. В результате, пары используемых изображений могут не быть подходящими.

InSAR сотрудничает с некоторыми ведомствами. Некоторые из данных дистанционного зондирования были приобретены через консорциум WInSAR, совместный проект, который включает ученых в правительственных и научных кругах, и финансируется NSF, NASA, и USGS. Другие данные дистанционного зондирования, а также изображения JERS и Radarsat, приобретаются на средства NASA. Дальнейшее развитие данной перспективной техники зависит от расширения и укрепления международной координации в приобретении данных SAR, а также запуска дополнительных L-диапазонных или многополосных SAR-спутников.

Ссылки

1. Bawden, G.W., Sneed, Michelle, Stork, S.V., and Galloway, D.L., 2003, Measuring human-induced land subsidence from space: U.S. Geological Survey Fact Sheet 069-03, 4 p. (Available on the Web at http://water.usgs.gov/pubs/fs/fs06903/.) Bawden, G.W., Thatcher, Wayne, Stein, R.S., Hudnut, K.W., and Peltzer, Gilles, 2001, Tectonic contraction across Los Angeles after removal of groundwater pump¬ing effects: Nature, v. 412, no. 6849, p. 812-815.
2. Brantley, S.R., Lowenstern, J.B., Christian¬sen, R.L., Smith, R.B., Heasler, Henry, Waite, Greg, and Wicks, Charles, 2004, Tracking changes in Yellowstone’s restless volcanic system: U.S. Geological Survey Fact Sheet 100-03, 4 p. (Available on the Web at http://pubs.usgs.gov/fs/fs100-03/.) Galloway, D.L., Jones, D.R., and Ingebrit- sen, S.E., 2000, Measuring land subsid¬ence from space: U.S. Geological Survey Fact Sheet 51-00, 4 p. (Available on the Web at http://water.usgs.gov/pubs/FS/fs- 051-00/.)
3. Lu, Zhong, Masterlark, Timothy, Dzurisin, Daniel, Rykhus, Russell, and Wicks, Charles, Jr., 2003, Magma supply dynam¬ics at Westdahl volcano, Alaska, mod¬eled from satellite radar interferometry: Journal of Geophysical Research, v. 108, no. 7, p. 9-1 to 9-17.
4. Lu, Zhong, Wicks, Charles, Jr., Kwoun, Ohig, Power, J.A., and Dzurisin, Daniel, 2005, Surface deformation associated with the March 1996 earthquake swarm at Akutan Island, Alaska, revealed by C- band ERS and L-band JERS radar inter- ferometry: Canadian Journal of Remote Sensing, v. 31, no. 1, p. 7-20.
5. Lu, Zhong, Wright, Tim, and Wicks, Charles, Jr., 2003, Deformation of the 2002 Denali fault earthquakes, mapped by RadarSat-1 interferometry: Eos, v. 84, no. 41, p. 425, 430-431.
6. Wicks, C.W., Jr., Dzurisin, Daniel, Ingebrit- sen, Steven, Thatcher, Wayne, Lu, Zhong, and Iverson, Justin, 2002, Magmatic activity beneath the quiescent Three Sis¬ters volcanic center, central Oregon Cas¬cade Range, USA: Geophysical Research Letters, v. 29, no. 7, p. 26-1 to 26-4.