CC BY
16
УДК 551.24
СРАВНЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ДВИЖЕНИЯ АМУРСКОЙ ЛИТОСФЕРНОЙ ПЛИТЫ
Инна Евгеньевна Дорогова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры космической и физической геодезии, тел. (383)343-29-11, e-mail: inna_dorogova@mail.ru
Алина Игоревна Мелкова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры космической и физической геодезии, тел. (383)343-29-11, e-mail: alpishka.melkova@yandex.ru
Выполнено сравнение нескольких моделей движения Амурской литосферной плиты по расхождениям между теоретическими (вычисленными по параметрам модели) и наблюдаемыми значениями скоростей смещений GPS-пунктов. Сравнение выполнено по трем наборам данных, включающим координаты и скорости смещения пунктов, полученные по GPS-измерениям в разные годы.
Ключевые слова: движения земной коры, Амурская плита, ГНСС-измерения, параметры движения литосферных плит, границы литосферных плит.
COMPARISON OF EXISTING MODELS OF AMUR LITHOSPHERIC PLATE MOVEMENT
Inna E. Dorogova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Space and Physical Geodesy, phone: (383)343-29-11, e-mail: inna_dorogova@mail.ru
Alina I. Melkova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Space and Physical Geodesy, phone: (383)343-29-11, e-mail: alpishka.melkova@yandex.ru
The article provides quantitative comparison of several models of Amur lithospheric plate movement on the basis of difference between theoretical (calculated by the model parameters) and empirical values of GPS-point displacement velocities. The comparison is performed for three data sets including GPS-point displacements coordinates and velocities, the values of which were obtained from GPS-measurements in different years.
Key words: crust movements, Amur plate, GNSS-measurement, lithospheric plate displacement parameters, lithospheric border.
Представления о блоковой структуре земной коры являются динамичными и регулярно уточняются в процессе наблюдений за движениями земной коры, в том числе с помощью ГНСС-измерений [1-6]. Не существует единого мнения о количестве литосферных плит, слагающих земную кору, также постоянно ве-
дутся обсуждения границ литосферных плит. Амурская литосферная плита не входит в перечень плит некоторых глобальных моделей и насчитывает более десятка вариантов границ.
Основные из существующих вариантов границ и параметров вращения Амурской литосферной плиты собраны в статье [7]. В этой работе рассмотрены 10 вариантов границ плиты, различные варианты координат центра вращения и значений угловой скорости вращения Амурской плиты, собранные из русских и зарубежных источников.
Рассматриваемые модели движения Амурской литосферной плиты получены в разные годы, начиная с 1980-х, поэтому будем оценивать их согласованность с несколькими разновременными наборами геодезических данных.
Для сравнения существующих моделей движения плиты нами использовались три набора данных, содержащих координаты и смещения геодезических пунктов. Первый набор данных приведен в работе [8] и содержит значения смещений десяти пунктов, полученных в 1995-1996 гг. Второй набор данных приведен в работе [7] и содержит значения смещений восьми пунктов, полученных в 2000-2007 гг. Третий набор данных приведен в работе [9] и содержит значения смещений 14 пунктов, полученных авторами путем объединения, результатов измерений выполненных ими с опубликованными результатами измерений за последние годы (2012-2015 гг).
В качестве основного критерия для сравнения нескольких моделей использовалось расхождение между теоретическими (вычисленными по параметрам модели) и наблюдаемыми значениями скоростей смещений пунктов. Общий алгоритм оценивания моделей приведен в работах [10, 11]. Оценивание и сравнение моделей в этих работах выполняется на основании суммы квадратов разностей, определенной для наблюдаемой и теоретической скоростей смещений пунктов
А = Х (V - V0)2 (1)
где V - ожидаемая скорость смещения пункта, определяемая по параметрам вращения плиты, на территории которой расположен ¿-ый пункт, мм/год;
V - наблюдаемая скорость смещения пункта, мм/год.
Значения наблюдаемых и теоретических (ожидаемых) скоростей могут быть определены по формулам
V (X/1 - X/)2 + (у11 - у1)2 / М; (2)
V0 = щя01, (3)
где X], у1 - координаты пункта из первого цикла измерений, мм;
X1, У11 - координаты пункта из второго цикла измерений, мм;
А - промежуток времени между циклами измерений, выраженный в годах; е
т - расстояние от пункта до центра вращения плиты, мм;
- угловая скорость вращения плиты, рад./год. Поскольку принятые наборы данных включают разное число пунктов, в данной работе в качестве критерия для сравнения моделей вместо суммы квадратов отклонений наблюдаемых значений скоростей смещений пунктов от теоретических использовалось среднее из квадратов отклонений наблюдаемых скоростей смещений пунктов от их ожидаемых значений
X (V - V 0)2
А' = -(4)
п ,
где п - число пунктов.
В результате оценивания каждого из возможных наборов параметров (моделей) вращения Амурской плиты с помощью первого набора данных, содержащего 10 пунктов [8], были получены средние отклонения наблюдаемых смещений пунктов от теоретических, приведенные в табл. 1.
Таблица 1
Сравнение моделей по первому набору данных
Номер модели Сумма квадратов отклонений наблюдаемых смещений Среднее из квадратов отклонений наблюдаемых смещений
пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2 пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2
Модель 1 [7] 0,19924 0,01992
Модель 2 [8] 2,86778 0,28678
Модель 3 [12] 1,56452 0,15645
Модель 4 [13] 0,10172 0,01017
Модель 5 [14] 0,41916 0,04192
Модель 6 [15] 0,40891 0,04089
Модель 7 [16] 0,48294 0,04829
Модель 8 [17] 0,16644 0,01664
Модель 9 [18] 0,19679 0,01968
Модель 10 [19] 0,23825 0,02383
Модель 11 [20] 0,35887 0,03589
Модель 12 [21] 0,34505 0,03451
Модель 13 [22] 0,27842 0,02784
Модель 14 [23] 0,23361 0,02336
После выполнения вычислений для каждой возможной модели вращения Амурской плиты с помощью второго набора данных, содержащего координаты и смещения 8 пунктов [7], были получены средние отклонения наблюдаемых смещений пунктов от теоретических, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Сравнение моделей по второму набору данных
Номер модели Сумма квадратов отклонений наблюдаемых смещений Среднее из квадратов отклонений наблюдаемых
пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2 смещений пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2
Модель 1 [7] 0,03600 0,00450
Модель 2 [8] 1,40920 0,17615
Модель 3 [12] 0,75176 0,09397
Модель 4 [13] 0,12952 0,01619
Модель 5 [14] 0,01104 0,00138
Модель 6 [15] 0,00976 0,00122
Модель 7 [16] 0,00296 0,00037
Модель 8 [17] 0,05320 0,00665
Модель 9 [18] 0,04096 0,00512
Модель 10 [19] 0,06736 0,00842
Модель 11 [20] 0,01936 0,00242
Модель 12 [21] 0,01512 0,00189
Модель 13 [22] 0,01344 0,00168
Модель 14 [23] 0,03176 0,00397
В результате аналогичного оценивания каждой возможной модели вращения Амурской плиты с помощью третьего набора данных, содержащего результаты измерений последних лет [9], были получены средние отклонения наблюдаемых смещений пунктов от теоретических, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Сравнение моделей по третьему набору данных
Номер модели Сумма квадратов отклонений наблюдаемых смещений Среднее из квадратов отклонений наблюдаемых смещений
пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2 пунктов от ожидаемых значений, 103, (мм/год)2
Модель 1 [7] 8,46342 0,60453
Модель 2 [8] 18,20518 1,30037
Модель 3 [12] 5,41436 0,38674
Модель 4 [13] 6,05066 0,43219
Модель 5 [14] 8,61154 0,61511
Модель 6 [15] 8,66964 0,61926
Модель 7 [16] 9,29614 0,66401
Модель 8 [17] 8,20988 0,58642
Модель 9 [18] 8,59516 0,61394
Модель 10 [19] 6,77320 0,48380
Модель 11 [20] 8,04342 0,57453
Модель 12 [21] 8,10614 0,57901
Модель 13 [22] 8,51746 0,60839
Модель 14 [23] 8,70772 0,62198
Затем с учетом возможных вариантов границ Амурской литосферной плиты из исходных наборов поочередно и в различных комбинациях исключались пункты, расположенные между различными вариантами границ плиты. В большинстве случаев это практически не повлияло на показатели согласованности моделей с данными о смещениях пунктов, но в некоторых случаях исключение пунктов, расположенных у восточных границ плиты, привело к улучшению результатов.
Результаты, представленные в табл. 1, показывают, что наилучшим образом с первым набором данных согласуются модели, предложенные в статьях [13] и [17]. При исключении из вычислений нескольких пунктов хорошие результаты дают также модели из работ [7] и [18].
По результатам, приведенным в табл. 2, можно говорить о том, что наилучшим образом с наблюдаемыми смещениями пунктов второго набора согласуются модели, предложенные в статье [16], также хорошие результаты дают модели, полученные в работах [14] и [15]. Причем модель, предложенная в работе [16] лучше согласуется с исходными данными при исключении из них пунктов БИТА и КИА1, как по отдельности (что согласуется с предположением, выдвинутым в работе [7], о том, что граница плиты проходит между этими пунктами), так и двух пунктов одновременно.
Результаты вычислений, представленные в табл. 3, показывают, что наиболее согласованной с наблюдаемыми смещениями пунктов третьего набора является модель, предложенная в статье [7], также хорошие результаты получены для моделей из работ [12] и [13].
Таким образом, при использовании для оценивания моделей различных наборов данных, содержащих координаты и смещения геодезических пунктов, хорошую согласованность показывали разные модели. Некоторые из моделей демонстрировали лучшую согласованность при исключении из исходных данных пунктов, расположенных на восточной границе Амурской плиты, в то время, как исключение пунктов, расположенных близи западной границы, практически не оказывало влияния на результаты.
Сравнение выполнялось по упрощенной схеме с целью выбора нескольких моделей, наилучшим образом согласующихся с результатами измерений или уменьшения количества моделей для дальнейших исследований. Выбор определенного набора параметров (модели) движения Амурской плиты на основе приведенных результатов выполнить затруднительно, но имеется возможность обозначить модели, которые не показали хорошей согласованности с рассматриваемыми наборами данных. К ним можно отнести модель 2 и модель 3, которые хорошо согласуются только с третьим набором данных, модели 11-14 показали средние показатели согласованности со всеми наборами данных. Модели, приведенные в работах [7] и [13] показали хорошую согласованность с несколькими наборами данных.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович К. М., Карпик А. П., Клепиков А. Н. Спутниковый мониторинг земной поверхности // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2004. - № 1. - С. 4-10.
2. Басманов А. В. Геодезический мониторинг Байкальского геодинамического полигона Росреестра // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 2 (30). - С. 48-54.
3. Дорогова И. Е. Выявление блоковой структуры области земной коры, испытывающей горизонтальные движения вращательного характера // Геодезия и картография. - 2013. -№ 5. - С. 36-39.
4. Дорогова И. Е., Дербенев К. В. Глобальные вихревые движения блоков земной поверхности // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 1. - С. 237-240.
5. Дорогова И. Е. Изучение горизонтальных движений земной коры вращательного характера по данным геодезических наблюдений // Геодезия и картография. - 2013. - № 4. -С. 37-40.
6. Мазуров Б. Т. Геодинамические системы (кинематические и деформационные модели блоковых движений) // Вестник СГУГиТ. - 2016. - Вып. 3 (35). - C. 5-12.
7. Ашурков С. В., Саньков В. А., Мирошниченко А. И. Кинематика Амурской плиты по данным GPS-геодезии // Геология и геофизика. - 2011. - № 2. - С. 299-311.
8. Heki K., Miyazaki S., Takahashi H., Kasahara M., Kimata F., Miura S., Vasilenko N.F., Ivashchenko A., An K.D. The Amurian Plate motion and current plate kinematics in eastern Asia // J. Geophys. Res. - 1999. - v. 104. - № B12. - P. 29147-29155.
9. Ашурков С. В., Саньков В. А., Серов М. А. Современные деформации Амурской плиты и окружающих структур по данным GPS измерений // Геология и геофизика. - 2016. -№ 11. - С. 2059-2070.
10. Дорогова И. Е. Применение методов кластерного анализа для исследования блоковой структуры земной коры // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. К Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 1. -С.180-185.
11. Дорогова И. Е. Исследование блоковой структуры земной поверхности по результатам повторных геодезических наблюдений // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 1. - С. 147-151.
12. Парфенов Л.М., Козьмин Б.М., Имаев В.С., Савостин Л.А. Тектоническая природа Олекмо-Становой сейсмической зоны // Геотектоника. - 1987. - № 6. - С. 94-108.
13. Sella G.F., Dixon T.H., Mao A. REVEL: a model for recent plate velocities from space geodesy //J. Geophys. Res. - 2002. - V. 107. - № B4, 2081, doi:10.1029/2000JB000033
14. Kreemer C., Holt W.E., Haines A.J. An integrated global model of present-day plate motions and plate boundary deformation // Geophys. J. Int. - 2003. - V. 154. - № 1. - P. 8-34.
15. Shestakov N.V., Gerasimenko M.D., Kolomiets A.G., Bormotov V.A., Gerasimov G.N., Tatakashi H., Kasahara M., Kato T. About current geodynamic activity of the Central Sikhote-Alinsky fault and southern part of the Russian Far East as a whole according to GPS observations // The 8th Workshop of Asia-Pacifi c space geodynamics program: Abstract book. Novosibirsk, Academic Publishing House «Geo». - 2009. - P. 16-17.
16. Wei D., Seno T. Determination of the Amurian plate motion // Mantle dynamics and plate interaction in East Asia / Eds. M. Flower, S. Chung, C. Lo, T. Lee. - 1998. - P. 337-346.
17. Hsu H., Park P.-H., Kato T., Xiong X. Study on crustal movement of the Eastern Asia by GPS technique //Proceedings of the APSG symposium: space geodesy and dynamic planet / Eds. Cheng Hyang, Ruixian Zhou. Korea, APSG. - 2006. - P. 182-188.
18. Zonenshain L.P., Savostin L.A. Geodynamics of the Baikal rift zone and plate tectonics of Asia // Tectonophysics. - 1981. - V. 76. - P. 1-45.
19. Prawirodirdjo L., Bock Y. Instantaneous global plate motion model from 12 years of continuous GPS observations // J. Geophys. Res. - 2004. - V. 109. - № B8, B08405, doi:10.1029/2003JB002944.
20. Jin Sh., Park P.-H., Zhu W. Micro-plate tectonics and kinematics in Northeast Asia inferred from a dense set of GPS observations // Earth Planet. Sci. Lett. - 2007. - V. 257. - P. 486-496.
21. Apel E.V., Burgmann R., Steblov G., Vasilenko N., King R., Prytkov A. Independent active microplate tectonics of northeast Asia from GPS velocities and block modeling // Geophys. Res. Lett. - 2006. - V. 33. - № 11, L11303, doi:10.1029/2006GL026077.
22. Calais E., Dong L., Wang M., Shen Z., Vergnolle M. Continental deformation in Asia from a combined GPS solution // Geophys. Res. Lett. - 2006. - V. 33. - № 24, L24319, doi:10.1029/2006GL028433.
23. Тимофеев В.Ю., Горнов П.Ю., Ардюков Д.Г., Малышев Ю.Ф., Бойко Е.В. Результаты анализа данных GPS измерений (2003-2006 гг.) на Дальнем Востоке по Сихотэ-Алинской сети // Тихоокеанская геология. - 2008. - Т. 27. - № 4. - С. 39-49.
© И. Е. Дорогова, А. И. Мелкова, 2018
