CC BY
12
УДК 550.361; 362; 551+519.717
Н.В. Вилор1, А.В. Ключевский2, В.М. Демьянович3, В.А. Русанов4, Д.Ю. Шарпинский5, С.А. Тащилин6
УХОДЯЩИЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ ИК ПОТОК ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ В КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СООТНОШЕНИЯХ С ИХ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
Изучена временная (сезонная) изменчивость уходящего поверхностного ИК потока, измеренная со спутников NO A A и TERRA, на сейсмоактивных разломах Байкальской рифтовой зоны (БРЗ). Вариации квазстационарных уходящих ИК потоков составляют 98.5 - 112.2 мВт/м2.стр.мкм в диапазоне 8-10 мкм. В спектре ИК потока разломов выделены низкочастотная и высокочастотные компоненты. Интегральные величины сейсмологического параметра региональной трещиноватости-проницаемости и мощности низкочастотной компоненты потока имеют значимую статистическую связь, которая объясняется тепломассопереносом в зонах динамического влияния разломов.
Ключевые слова: уходящий, поверхностный, ИК поток, сейсмоактивный, разлом, изменчивость, низкочастотная, высокочастотная, компонента, трещиноватость, проницаемость, мощность. Библиогр. 5 назв. Ил. 6. Табл. 6.
THE OUTGOING SURFACE IR FLUX OF TECTONIC FAULTS IN ITS CORRELATIONS WITH THEIR SEISMOLOGIC PARAMETERS
N.V.Vilor1 , A.V.Kluchevsky2, V.M.Demjanovich3, V.A.Rusanov4, D.Yu.Sharpinsky5, S.A.Tashchilin6
The authors examined temporary (seasonal) variability of the outgoing surface IR flux of Baikal rift zone seismoactive faults measured by NOAA and TERRA satellites. Variations of quasistationary outgoing IR fluxes equal 98.5 - 112.2 mW/m2.str.^m inside 8-10 ^m range. Low frequency and high frequency components are found in the IR flux fault spectrum. The integral magnitudes of a seismological parameter of regional fracturing and permeability and the volume of the flow low-frequency component have a high statistic connection, which is explained by heat and mass transport within zones of fault dynamic influence.
Key words: outgoing, surface, IR flux, seismoactive, fault, variability, low-frequency, high- frequency, component, fracturing, permeability, power. 5 sources, 6 figures,6 tables.
Крупные, региональные разломы в областях высокой тектонической активности из различных частей северного полушария выделяются интенсивным уходящим поверхностным инфракрасным излу-
чением (ИК), которое является их фундаментальным неотъемлемым свойством. Физика излучения тонкого слоя поверхности разломов предполагает его зависимость от ряда факторов. Выявление связи
1Вилор Николай Васильевич - доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник института геохимии СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского,1а, тел.: (3952)383577, e-mail: [email protected]
2Ключевский Анатолий Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128, e-mail: [email protected]
3Демьянович Владимир Михайлович - научный сотрудник институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
4Русанов Вячеслав Анатольевич - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Институт динамики систем и теории управления СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 134, тел.: (3952) 511581, e-mail: [email protected]
5Шарпинский Дмитрий Юрьевич - научный сотрудник института динамики систем и теории управления СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 134.
6Тащилин Сергей Анатольевич - научный сотрудник института солнечно-земной физики СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126, тел.: (3952) 425865, e-mail: sergey@iszf. irk.ru
приразломных региональных ИК аномалий, фиксируемых радиометрами спутников серий NOAA и TERRA, с температурой поверхности и деформационными свойствами субстратов, изучаемых сейсмологическими методами, формулирует цель данного исследования. Связь между этими характеристиками вскрывается в изучении временной изменчивости уходящего ИК потока, сопоставлении яркостной температуры излучения с температурой поверхности и с вариациями потока по простиранию разломов. В качестве исходной причины устанавливаемых геофизических аномалий выступают деструктивные сейсмологические и тепловые свойства субстратов в зонах сейсмоактивных разломов.
Рассмотрены сезонные и пространственные колебательные характеристики уходящего поверхностного ИК потока крупных региональных сейсмоактивных разломов БРЗ. Определены пространственно-временные изменчивости параметра их деструкции - региональной тре-щиноватость-проницаемости, коррелирующей с интенсивностью ИК потока, и ее вариации, совпадающие с вариациями уходящего ИК излучения.
Однако наиболее острой проблемой является установление колебательных характеристик интенсивности ИК излучения активных разломов и связи их с изменчивостью региональных элементов геологической структуры БРЗ при использовании данных дистанцион-ного зондирования Земли и наземных гео-
физических измерений. В состав представленной информации включено описание временных и пространственных вариаций ИК эмиссии таких элементов поверхностной геоструктуры БРЗ, как крупные региональные разломы и краевой шов на южном ограничении Сибирской платформы, а также расчет характеристик излучения и колебательных свойств уходящего поверхностного ИК потока, обнаружение и прослеживание аналогичных особенностей рассматриваемых разломов методами очаговой сейсмологии.
Методика исследований. Развиваемый подход к изучению колебательных характеристик ИК потока основан на совместном изучении повышенного уходящего ИК излучения структурных элементов земной поверхности с его математическим моделированием. Инструментальной основой для изучения этого природного феномена являются изображения поверхности, передаваемые по 5 каналам от искусственных спутников Земли - космических аппаратов серий NOAA и TERRA, в том числе по тепловым каналам 3.7, 8 и 10-11 мкм от радиометров AVHRR и MODIS. Для наиболее полного исключения влияния солнечного нагрева поверхности Земли при съемке собственного уходящего ИК-излучения земной поверхности использовано позднее ночное время второй половины осеннего сезона и начала зимы. Обработаны как отдельные безоблачные сцены, так и мультивременной композитный имидж, разработанный на
1Vilor Nikolay Vasiljevich, a doctor of geological and mineralogical sciences, a principal research worker of the Institute of Geochemistry named after A.P. Vinogradov of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 1a Favorsky St., Irkutsk, 664033. Home tel.: (3952) 383577, e-mail: [email protected]
2Kluchevsky Anatoliy Vasiljevich, a candidate of technical sciences, a senior research worker of the Institute of the Earth's crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, e-mail [email protected]
3Demjanovich Vladimir Mihailovich, a scientific worker of the Institute of the Earth's crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033.
4Rusanov Vyacheslav Anatoljevich, a doctor of physical and mathematical sciences, a principal research worker of the Institute of System Dynamics and Control Theory of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 134 Lermontov St., Irkutsk, 664033. Tel.: (3952) 511581, e-mail: [email protected]
5Sharpinsky Dmitry Yurjevich, a research worker of the Institute of System Dynamics and Control Theory of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 134 Lermontov St., Irkutsk, 664033.
6Taschilin Sergey Anatoljevich, a research worker of the Institute of Solar and Earth Physics of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 126 Lermontov St., Irkutsk, 664033. Tel.: (3952) 425865, e-mail [email protected]
основе многолетнего архива изображений в сезон поздней осени-зимы при удлиненном ночном времени и значительном радиационном остывании поверхности.
При использовании тепловой космической съемки (ТКС) как перспективного направления по изучению физических свойств сейсмоактивных секторов континентальной коры наряду с традиционными методами и приемами привлечены новые методические подходы, специально приспособленные к задачам данного исследования. Так применен оригинальный метод временных поперечных профилей для определения уровня зависимости интенсивности уходящего ИК потока разломов от средней термодинамической температуры поверхности. Профильные измерения проведены на протяженности 5 участков с наиболее контрастно выраженным уходящим излучением на Тункинском, Баргузинском, Приморском, Верхне-Ан-гарском разломах БРЗ и на юго-западном фасе краевого шва Сибирской платформы. Дальнейшее развитие метода позволило использовать кривые временных вариации температурных градиентов для вычисления квазистационарных уходящих ИК потоков данных разломов. Обнаружена ранее неизвестная пространственная изменчивость интенсивности уходящего ИК излучения по простиранию разломов. Измеренная на композитном имидже, она имеет колебательные свойства. В специально разработанной программе «Спектр» при математическом моделировании распределения поверхностного ИК потока разломов для наиболее мощного спектрального интервала 10 мкм в качестве программной среды была применена вычислительная система МАТЬАБ (пакет Signal Processing Toolbox), реализованная в серийных расчетах. Появление этого программного продукта открыло возможность для спектрального анализа колебательных свойств ИК излучения разломов с выделением низко- и высокочастотных групп, различающихся по интегральной мощности.
На небольшие мощности уходящего поверхностного ИК потока, несомненно,
воздействует сезонная термодинамическая температура деятельного слоя грунтов. Для оценки этого влияния на профилях, ориентированных через Тункинский, Приморский, Баргузинский разломы и юго-западную часть краевого шва Сибирской платформы, измерены среднемесячные интенсивности ночного ИК излучения с сентября по март, во время с наименьшим влиянием остаточного солнечного прогрева. Спутниковые определения яркостной температуры заверены наземными измерениями температуры с точностью до 0.5о С на Тункинском разломе в ночное осеннее время, наиболее благоприятное для спутниковых наблюдений. Особенности латеральной изменчивости ИК потока оценены способом определения их максимумов через 1 минуту географической широты или долготы по простиранию разломов и краевых структур. Спектральный анализ для выявления периодичности и получения колебательных характеристик процесса проведен методом математического моделирования в программе «Спектр». Для объяснения физической природы частотных компонент уходящего ИК потока выполнен расчет параметра ё (показателя региональной трещиноватости - проницаемости) на основе банка данных о сейсмичности изучаемых активных разломов с 1968 по 1994 г. Проведенные расчеты приводят к заключению о временном дрейфе экстремумов ё в зонах динамического влияния разломов. Примененный впервые способ вычисления интегральных величин ИК потока и показателя трещи-новатости - проницаемости по программе «Спектр» в сочетании с их корреляционным анализом дал основание для суждения о пространственной совместимости их экстремумов.
Временная зависимость уходящего поверхностного ИК потока сейсмоактивных разломов. Изменения температурных сезонно-градиентов ИК потоков меньше на разломах, чем на днище рифтогенных впадин (рис. 1). На Тункинском разломе, формирующем крутой северный борт одноименной впадины, при неширокой
зоне динамического влияния (ЗДВР) нарушения интенсивности ИК потока и яр-костная температура представлены одно-модальным экстремальным графиком.
Рис. 1. Яркостная температура уходящего
ИК потока на Тункинском (А) и Баргузинском (Б) разломах в зависимости от времени съемки с ИСЗ NOAA и TERRA
Ряды: 1 - сентябрь, 2-октябрь, 3- ноябрь, 4-декабрь, 5-январь, 6-февраль, 7 - март
На противоположном борту впадины Южный контурный разлом экспонирован более широкой ЗДВР на склонах меньшей крутизны. Ему свойственно расширение максимума излучения. Баргузинский разлом, представленный кулисно-построен-ной зоной граничных сбросов, к которой приурочен северо-западный борт одноименной впадины, имеет расширенную конфигурацию в общем одномодального графика уходящего ИК потока. Повышенная интенсивность ИК излучения на краевом шве платформы охватывает пространство от граничной зоны разломов и несогласий и распространяется на всю сложную структуру нижнепротерозойско-архейско-го краевого Шарыжалгайского кристаллического выступа цоколя платформы. Общая ширина ареальной полосы повышенного излучения в Присаянском средне-горье достигает 35 км.
Термодинамическая температура по-верхности разлома. Яркостные поверхностные температуры Тункинского разлома (рис. 2), измеренные со спутников, подтверждены наземными измерениями на 3-х пунктах: 1) в залесенном сейсмогенном рве на сместителе разлома (сейсмостанция «Аршан» Байкальский филиал Геофизической службы СО РАН), 2) в лесном массиве в 11 км от разлома и 3) на метеостан-
Времп суток, час
Рис. 2. Температура С С) грунта на поверхности Тункинского разлома и его периферии.
Измерения проведены 8-9. 10.2007: 1 - на сместителе (сейсмогенный ров); 2 - дополнительная станция (11 км); 3 - метеостанция «Тунка» (19 км). Профиль пройден на юг от Тункинских Гольцов
лома. Измерения температуры с точностью до 0.5о С в точках наблюдения проводились одновременно на всех пунктах. При относительном постоянстве температуры на разломе значительное охлаждение поверхности происходит за пределами области, прилегающей к сместителю регионального тектонического смещения. Разности поверхностных температур разлома и его периферии, равные 6о С, соответствуют различиям яркостных температур, вычисленных по данным, полученным при пролетах спутников. Флуктуации интенсивности ИК потока на поперечных к разлому профилях измерений составляют не более 0.5-1 мВт/ м2. срд.мкм.
На величину измеряемого уходящего поверхностного ИК потока разлома влияет средняя термодинамическая температура местности [2], особенно на зимнем минимуме (табл. 1). в ИК диапазоне 10 мкм. Ее график резко изменяет угол наклона от крутого с градиентом 1.4-2.2 мВт/ м2 град в сентябре-октябре до минимума 0.0110.67 мВт/ м2 град в октябре-ноябре и последующим повышением до 0.31-2.7 мВт/ м2 град в зимние месяцы по март включительно.
Таблица 1
Зависимость ИК потока от температуры на
Неоднородности распределения уходящего поверхностного ИК потока по протяженности сейсмоактивных разломов. Вариации интенсивности уходящего ИК излучения по простиранию разломов проявлены, главным образом, в отношении их амплитуды (рис. 3) и объединяются в три группы: единичные крупные глубокие
минимумы; высокочастотные с амплитудой не более 0.5-1.5 мВт/ м2. срд.мкм; низкочастотные региональные с длиной волны от 64 до 300 километров и с амплитудой до 2 - 3.8 мВт/м2.срд.мкм.
Вариации первой группы сопряжены с пересечением разломов крупными речными долинами или плотно сближенными менее значительными водотоками. Вторая группа корреспондирует с локальными неоднородностями рельефообразующих форм и погрешностями измерений, а третья - с региональными изменениями геолого-структурной ситуации.
При полосовидном и ареальном распределении интенсивного ИК излучения фиксируются кратковременные, неустойчивые узколокальные аномалии, на 5.5-7.5 мВт/м2. срд. мкм превышающие повышенный уровень на краевом шве платформы. На северной периферии Приморского разлома в долине р. Сарма отмечается локальная январская аномалия, на 7 мВт/ м2 срд.мкм превышающая фон, равный 37 мВт/ м2 срд.мкм. Мартовские яркости ИК потока в южной части и на периферии этого разлома превысили поверхностное излучение от оз. Байкал, равное 42-43 мВт/ м2 срд.мкм, на 6.5-8.5 мВт/ м2 срд.мкм. Локальные аномалии обычно с поперечником 2-3 км располагаются на вершинах гор, гребнях узких отрогов, на водоразделах, сложенных основными и карбонатными горными породами.
Анализ композитных среднемесячных изображений за период 2003-2005 гг., показал, что на Тункинском разломе местоположение контрастов меняется по высоте рельефа в пределах 3-х пикселов. С привлечением дневных среднемесячных изображений-композитов рассчитаны средние значения контрастов дневных и ночных температур. При сравнении вычисленных значений тепловой инерции с табличными значениями известных типов подстилающей поверхности положительные контрасты радиояркостной температуры соотнесены с водой, увлажненными почвами, темнохвойным лесом, гранитом и базальтом. На территориях с аридным и
Тункинском разломе
Месяц Средняя температура, оС ИК поток, мВт/м2.срд.мк м
Сентябрь 7.4 68.195
Октябрь -1.4 57.485
Ноябрь -14.9 55.445
Декабрь -24.5 51.620
Январь -27.3 46.530
Февраль -23.3 53.150
Март -11.6 55.445
А
54 53 52 5 1 50 49
1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118
Точ ки измерения
б 50
49 | 48
w у
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77
Точки измерения
В
45 44
42 41
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91
Точки измерения
Г
41 40 39 38 37 36 35
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101
Д
Точки измерения
70 60 50 40 30 20 10 0
22 43 64 85 106 127 148 169 190 211 232 253 274 295
Точки измерения
Н
48
46
45
4 7
46
45
44
43
48
47
46
43
40
1
Рис .3. Величина ИК потока (мВт/м2.стр.мкм) по простиранию крупных разломов БРЗ:
А-Тункинского, Б-Приморского, В-Баргузинского, Г-Верхне-Ангарского, Д-краевого шва ЮЗ фаса Сибирской платформы. Абсциссы - точки измерения, ординаты - уходящий ИК поток,
мВт/м2. стр.мкм
гумидным климатом путем пространственного совмещения ИК изображений (AVHRR) с изображениями в видимой части спектра с высоким пространственным разрешением (ИСЗ "Landsat" (28,5 метра) и "Ikonos" (4 метра)) в программе «Google Earth» показано, что контрасты измеряемых температур соотносятся с различными составами подстилающих поверхностей.
Распределение параметра d - показатель региональной проницаемости - тре-щиноватости в зонах динамического влияния разломов (ЗДВР). Ранее приведены доказательства [3] отчетливой корреляции структурных особенностей распределения интенсивности уходящего ИК потока и изменений параметра d - показателя региональной проницаемости-трещинова-тости субстрата ЗДВР. Новый шаг в исследовании этого свойства разломов состоит в изучении его временной изменчивости, характеризующей деформированное состояние литосферы по данным очаговой сейсмологии [5]. Параметр d - показатель региональной проницаемости-трещинова-тости определен в локальных ячейках среды размером 60x30 км вдоль зон Баргузинского, Тункинского и ВерхнеАнгарского разломов. Расчеты выполнены с шагом в 15 км, а значения параметра d приписаны центрам ячеек. Представленные на рис. 4 пространственно-временные графики вариаций параметра d за три периода наблюдений по 9 лет с 1968 по 1994 годы отражают изменения деформированного состояния, происходящие в структуре субстрата и создающие отличия уровней d. Распределение данного показателя деструкции свидетельствует о пространственной неоднородности и временных вариациях состояния проницаемости-трещиноватости недр в ЗДВР. Связь между параметром d и интенсивностью уходящего поверхностного ИК потока разломов I, выявленная статистическими расчетами, обусловлена, вероятно, свойствами процесса тепло-массопереноса в зонах тектонических нарушений.
Обсуждение результатов исследований
Квазистационарные уходящие ИК потоки разломов. Временному распределению градиентов ИК потока свойственно октябрь-ноябрьское понижение - сезонный минимум и увеличение как при снижении термодинамической температуры ниже 0, так и при ее повышении (табл. 2).
Таблица 2
Градиенты ИК-потока в зависимости от изменения средней термодинамической температуры (At oC), Grad =AI / At oC
Месяц Разлом А I А toC Grad
Сентябрь-октябрь Тункинский 12 8,8 1,36
Баргузинский 20,08 9 2,23
Краевой шов 14,06 8,3 1,9
Приморский 10,56 6,9 1,53
Октябрь-ноябрь Тункинский 1,25 13,5 0,093
Баргузинский 7,05 12,5 0,56
Краевой шов -0,11 10,3 0.011
Приморский 6,62 9,9 0,67
Ноябрь-декабрь Тункинский 3,44 9,6 0,31
Баргузинский 4,10 9,9 0,41
Краевой шов 3,28 6,0 0,54
Приморский 14,12 5,2 2,72
Декабрь-январь Тункинский 4,84 2,8 1,73
Баргузинский 3,34 5 0,69
Краевой шов 4,78 2 2,39
Приморский 7,56 4,5 1,68
Наименьшая величина приращений AI и градиентов Grad выделяет некоторое значение уходящего ИК потока, постоянное для каждого разлома при наименьшем влиянии термодинамической температуры деятельного слоя поверхностного грунта. Эта константа соответствует квазистационарному ИК потоку - I const. Квазистационарные потоки разломов являются характеристиками их собственного поверхностного ИК излучения. Их величина суммируется в диапазоне 8-10 мкм, исходя из того обстоятельства, что интенсивность потока ИК излучения с длиной волны 8 мкм соответствует доле, равной 0.846 от таковой у потока в диапазоне 10 мкм (табл. 3).
Статистически значимые различия потоков, равные 5-17 мВт/м2.срд.мкм, обусловлены как величиной потока, так и свойствами излучающих слоев на поверхности разломов.
50
100
150
200
250
0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6
I I | | I I I | | I I I | | I I I | | I I | | | 1[, км
6
—♦— 1968-1994 --Б- 1968-1976 -Д- 1977-1985 --©-- 1986-1994
50 100 150 и-1-1—I-1-1—I-1-1—Иг1—1-1-1-1 км
0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6 -0,7 -0,8 -0,9
\т Ъ
а.-- 1
1 1968-1994
-В- 1968-1976 --Д-- 1977-1985 -О--1986-1994
Б
0
0
-0,1 --0,2 --0,3 --0,4 --0,5 --0,6 -
50 100 150 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1 _ км
-Ф—1968-1994 €!-■ 1968-1976 Д-- 1977-1985 О--1986-1994
В
Рис. 4. Графики вариаций параметра й ЗДВР,
разломы: Баргузинский (А), Тункинский (Б), Верхне-Ангарский (В) за период 1968-1994 гг. на трех девятилетних интервалах: 1968-1976, 1977-1985 и 1986-1994 г. Ь - протяженность разломов, км
0
0
Таблица 3 Квазистационарные поверхностные уходящие ИК потоки (мВт/ м2срд.мкм) крупных региональных разломов БРЗ
Разлом 10 мкм Суммарный: 10 мкм + 8 мкм
Тункинский 55.811 103.027 ± 2.22
Приморский 60.803 112.242 ± 3.492
Баргузинский 53.344 98.473 ± 1.525
Краевой шов платформы 55.831 103.064 ± 0.947
Уходящий поверхностный ИК поток, измеряемый спутниковыми радиометрами (I отличается от квазистационарного потока (I соп^) на величину А I, которая в зависимости от термодинамической температуры может быть положительной или отрицательной (рис. 5).
Графики зависимости А I от термодинамической температуры на всех разломах имеют ступенчатый облик. Области приращений ИК потока с противоположными знаками появляются вследствие изменения измеряемого потока при воздействии свойств деятельного слоя грунта. Измеряемый уходящий поток, таким образом, представлен суммой основной
константы (I const) и приращений А I (см. рис. 5), зависящих от термо-динамической температуры местности в момент съемки со спутника, т. е. I det = I const + А I.
Физическая природа А I определяется свойствами тепловой инерции излучающего слоя и потоком в субстрате.
Расчет теплоемкости излучающих слоев поверхности разломов. Вариации измеряемого ИК потока (табл. 4) по координате термодинамической температуры имеют в основе толщину излучающего слоя (Сг) и его теплоемкость (Cpr).
Теплоемкость — Cpr (Дж/ кг. град), представленная как теплосодержание единицы массы излучающего слоя, рассчитана из соотношения:
Cpr = [ ( А I det / А t) *т] / M, где А — наибольшее изменение или приращение I;
I det - измеренный со спутника ИК поток (Дж/ м2.с);
t - термодинамическая температура, оС; т - продолжительность месяца, равная 2.592 *106 с;
M (кг) - масса излучающего слоя
t
А I = I det - I
const
ИК-поток
Стабильный ИК поток
Область отрицательного приращения ИК потока за счет зимнего охлаждения поверхности
Область
положительного приращения ИК потока за счет остаточного нагрева поверхности
0о С Термодинамическая температура, оС
Рис. 5. Изменения интенсивности ИК потока под влиянием температуры деятельного
(поверхностного) слоя грунта
Таблица 4
Рассчитанные толщина и теплоемкость излучающего слоя на поверхности крупных региональных разломов БРЗ
Разлом А I, А^ 0С Сгх10"3м Рассчитанная теплоемкость (Дж/кг.град)
мВт/м2. срд. мкм при плотностях (кг/м3)
1800 2000 2300 2500
Тункинский 12 (сент-окт) 8.8 2 982.1 883.4 768.6 707.1
Приморский 10.56 (сент-окт) 6.9 2 1102.32 992.08 901.9 793.67
6.62 (окт-нояб) 8.9 1 1072.8 965.5 877.72 772.4
14.11(нояб-дек) 5.2 3.75 1057.44 946.30 822.83 757.04
Баргузинский 20.07 (сент-окт) 9 2.75 1168.23 1051.40 914.26 841.54
Краевой шов 14.01 (сент-окт) 8.3 2.2 1104.21 993.74 864.17 795.00
платформы
Примечание: (сент-окт) и т.д. - временные интервалы расчета А I.
площадью в 1 м при определяемой толщине Сг в интервале 1-4 мм.
Вычисленные теплоемкости поверхностного слоя излучающего субстрата разломов (см. табл. 3) близки к таковым для тяжелых каменистых суглинистых почв [4]. Толщина излучающего слоя при отрицательных термодинамических температурах варьирует от 1 до 3.75 мм. Интервал принятых в расчет плотностей дезинтегрированного субстрата составляет 1.8 -2.5 т/ м3 [4] .
Колебательные свойства уходящего поверхностного ИК потока разломов. Наблюдаемые величины ИК потока изменяются по латерали разломов при воздействии форм рельефа и геолого-структурной ситуации. Они измерены на мульти-временном имидже с применением про-
Таблица 5
Рассчитанные колебательные свойства уходящего поверхностного ИК потока региональных
разломов БРЗ
граммного комплекса «БКУ1.4». Спектральные характеристики ИК потока определены по программе «Спектр», специально разработанной для анализа данных орбитального мониторинга. Фильтрация низкочастотных колебаний проведена через расчет полиномов (табл. 5). Высокочастотные колебания оценены методами Уэлша и Томсона [1]. В соответствии с выделением этих спектральных областей вычислены интегральные мощности ИК-из-лучения как в низкочастотной, так и в высокочастотной геометрических группах колебаний. Фильтрация групп разделяет вклад мощностей высоко- и низкочастотных компонент ИК потока (табл. 5).
Мощность низкочастотной геометрической компоненты превосходит с коэф-
Разлом Длина, км Тип (кинематика) Диапазон колебаний (геометрических)
Длинноволновый Коротковолновый
Длина волны, км Амплитуда, мВт/м2 стр.мкм Мощность, мВт/м2 стр.мкм Длина волны, км Мощность, мВт/м2 стр.мкм
Способ расчета
Томсона Уэлша
Тункинский 130 сбросо-сдвиг 94 2.1 308350 40; 20; 8 20; 10 78.661
Приморский 200 сдвиго-сброс 78 2.1 179943 50;14; 10 20 27.420
Баргузинский 200 сброс 64 1.5 - 2 184450 40;16 20; 13 13.358
Верх.-Ангар-ский 95 сброс > 200 > 3.8 172376 40;16; 9 10 32.848
Краевой шов платформы 300 сбросо-сдвиги 300 3.5 -3.6 854262 167;50; 17; 7 23; 9; 7; 6 692.406
Примечание: в коротковолновом диапазоне амплитуда колебаний не превышает 0.1 - 0.25 мВт/м2 стр.мкм.
фициентом от 1.23 х103 до 1.49х105 мощность высокочастотной. В целом же общая рассчитываемая мощность, интегрированная по учтенной длине разломов для спектрального ИК диапазона 8-10 мкм достигает 318 Вт/м2 стр. мкм у Верхне-Ангарского разлома и 1577 Вт/м2стр.мкм - на краевом шве платформы.
Корреляционные соотношения уходящего ИК потока и сейсмологических параметров. Параметр ё характеризует соотношение чисел сейсмических толчков, имеющих различные значения коэффициента формы дислокации, и информирует о деформированном состоянии среды по данным совокупности землетрясений в исследуемом объеме литосферы. На рис. 4 приведено его распределение, рассчитанное за 1968-1994 гг. При совместном рассмотрении выборок ё и измеренных значений уходящего поверхностного ИК потока на композитном мультивременном имидже установлено линейное соотношение между ними вдоль краевого шва Сибирской платформы с коэффициентом корреляции р«0,36 (п=21, число коррелируемых пар точек) [2]. В сейсмогенных впадинах БРЗ коэффициент корреляции р»0.51 (п=24). Графики параметра ё (рис. 4) отражают пространственную и временную неоднородность этого показателя, соотносимую с колебаниями уровня региональной прони-цаемости-трещиноватости. Для девятилетних интервалов по временным кривым параметра ё в программе «Спектр» рассчитаны интегралы данного параметра на трех крупных разломах (табл. 6).
Прямая статистическая зависимость интегралов параметра ё и приведенных интегралов мощности длинноволновой геометрической компоненты ИК потока по данным из табл. 4 оценивается величиной коэффициента корреляции, равной 0,64. На карте значений ё на девятилетних временных сечениях очевиден временной дрейф его экстремумов (рис. 6). Предполагается, что расположение максимумов контролирует интенсивность ИК потока, соответствующую длинноволновой геометрической компоненте. Значимая связь мощности
Таблица 6
Рассчитанные интегралы интенсивности уходящего поверхностного ИК потока (10 мкм) и параметра региональной трещиноватости - проницаемости ё крупных разломов БРЗ
уходящего поверхностного ИК излучения с деформационным параметром ЗДВР отражает подтвержденное наземными измерениями термодинамической температуры поверхности влияние теплового потока верхней коры. Вероятно, ИК аномалии, фиксируемые спутниками, на активных региональных разломах ассоциируют с процессами тепломассообмена, происходящими в интервале глубин, соответствующем расположению гипоцентров учтенных землетрясений.
Заключение. На основе сезонно-временной корреляция интенсивности уходящего поверхностного ИК потока региональных разломов БРЗ и термодинамической температуры местности выявлена зависимость температурных градиентов ИК потока от состояния деятельного слоя грунта, воздействующего на квазистационарные ИК потоки, обусловленные тепло-массопереносом по зонам динамического влияния разломов. Приразломные повышения - аномалии яркостной температуры уходящего ИК излучения, фиксируемые со спутников, подтверждены наземными измерениями в период, наиболее благоприятный для орбитальных наблюдений.
Интеграл Временной Интеграл Разлом
параметра интервал мощ-
ё ности I (х 105)
1,76 1968-1976 3.0825 Тункинский
6,91 1977-1985 3.0825
5,54 1986-1994 3.0825
2,38 1968-1994 3.0825
1,356 1968-1976 1,8445 Баргузинский
1,66 1977-1985 1,8445
2,214 1986-1994 1,8445
1,62 1968-1994 1,8445
1,14 1968-1976 1,7238 Верхне -
2,72 1977-1985 1,7238 Ангарский
2,05 1986-1994 1,7238
1,67 1968-1994 1,7238
' / ' / ' -ож —т- У 0 \ V ' 1 V 1 1 \ ......... 1 \ г I) I :
1 / / /СП^ т -о.з ( А
15 30 45 60 75 90 105 120
Верхне-Ангарский
■0.45 -0.4 -0 35 -0.3 -0,25 -0.2 -0,15
15 30 45 60 75 90 105 120 135
Тункинский
0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225
Баргузинский
.0.45 -0.4 -0.35 -0.3 -0,25 -0.2 -0.15
Рис. 6. Карты распределения величин параметра й по протяженности разломов БРЗ для 3-х
временных интервалов: 1976, 1985 и 1994 годов
Количественно оцененные колебательные вариации уходящего ИК потока по простиранию крупных разломов БРЗ выражаются низко- и высокочастотными компонентами с различающимися длинами геометрических волн. Рассчитанная интегральная мощность первой, низкочастотной длинноволновой разновидности на 3-5 порядков превосходит мощность второй компоненты. Пространственно-временная неоднородность распределения региональной трещиноватости-проницаемости в зонах разломов, впервые установленная на осно-
ве анализа 27-летнего массива сейсмологических наблюдений по оценке комплекса характеристик землетрясений высоких энергетических классов, имеет интегральные величины, связанные высокой положительной корреляцией с интегральной мощностью низкочастотной длинноволновой компоненты ИК потока. На картах параметра ё в зонах сейсмически активных разломов выявлен временной дрейф его экстремумов, коррелирующих с аномалиями ИК излучения. Этим обстоятельством, по-видимому, подтверждается новый важ-
ный вывод о вероятной связи уходящего поверхностного ИК излучения разломов с тепломассопотоком в той части разреза верхней коры и литосферы, деформированной по ЗДВР, где расположены гипоцентры учтенных землетрясений.
Работа выполнена при финансовой поддержке по проекту РФФИ 06-05-65140-а.
Библиографический список
1. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах МАТЬАВ и БСГЬАВ. - СПб: Наука, 2001. - 286 с.
2. Башалханова Л.Б., Буфал В.В., Русанов В. И. Климатические условия освоения котловин южной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1989. - С. 157.
3. Применение данных дистанционного зондирования при исследовании инфракрасного излучения земной поверхности в областях интенсивного движения блоков литосферы Центрально-Азиатского склад-чатого пояса / Вилор Н.В. [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.- Т. 2. -М.: ООО «Азбука-2000», 2007. - Вып. 4. -С. 134-140.
4. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. - М.: Недра, 1993. - С. 127.
5. Ключевский А.В., Демьянович В. М. Сейсмодеформированное состояние земной коры Байкальского региона // Доклады РАН. - 2002. - Т.382. №6. - С. 816-820.
Рецензент доктор геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета Р.М.Лобацкая
