Использование сингулярного спектрального анализа в геоморфологических исследованиях Южного Приморья и залива Петра Великого Японского моря

Полный текст

Введение

В диапазоне низких частот сейсмоакустические поверхностные волны — доминирующий механизм переноса акустической энергии в шельфовой зоне [1]. Изучение инфразвуковых диапазонов распространения звука проводится для прогнозирования и регистрации землетрясений. Регистрация звуковых диапазонов используется при решении гидроакустических и сейсмоакустических задач исследования шельфа. В гидроакустических исследованиях ТОИ РАН на шельфе Японского моря используются низкочастотные излучатели с частотами излучения 15–50 Гц, а в качестве приемной системы используется геодинамический аппаратный комплекс [1–3]. Геодинамический аппаратный комплекс включает автономные гидроакустические станции, широкополосные сейсмографы, GPS/ГЛОНАС-приемники, а также лазерные деформографы. Береговая часть названного оборудования установлена на мысе Шульца (п-ов Гамова). Получаемые при сейсмо- и гидроакустических работах данные в значительной степени зависят от рельефа и геологического строения места. Поэтому геолого-геоморфологический анализ района работ необходимо проводить при интерпретации результатов низкочастотных гидроакустических экспериментов, а также в изучении естественных шумов Земли.

В рельефе шельфа заложена информация о геологическом строении, истории развития и современных морфолитодинамических процессах. Автор работы [4] предложил концепцию, где рельеф представляется как сигнал и, таким образом, может исследоваться при использовании методического аппарата теории обработки сигналов. Данный подход хорошо согласуется с применением сингулярного спектрального анализа (ССА) к изучению рельефа. Методы САА, которые могут применяться для описания форм рельефа разных рангов, приведены в работах [5–8]. Применять двумерный ССА в качестве основного метода обработки ЦМР нами было предложено исходя из того, что наблюдается некая устойчивость соотношений между размерами форм рельефа и затраченной энергией (тектонической, либо другой) на их формирование [7]. ССА входит в состав более общей группы методов естественных ортогональных функций (ЕОФ).

Методы ЕОФ являются одними из наиболее востребованных инструментов в метеорологии, физике атмосферы и океана [6, 8]. Основная их идея заключается в “расщеплении” исходных полей на пространственные структуры максимальной вариации и “измерении” относительного вклада каждой структуры. Прямая связь между масштабами вариаций и энергетикой рельефообразующих процессов определяет адекватность применяемого математического аппарата. Используются различные математические подходы при исследовании динамики изменения рельефа во времени под действием тех или иных сил и агентов [4, 9, 10]. Достаточно детально методика исследований рельефа с помощью ССА описана в работах [11, 12]. В работе [13] был применен метод ССА к изучению рельефа залива Петра Великого и прилегающей суши в контексте сопоставления линейных размеров и времени образования тех или иных крупных форм. В настоящей работе тоже использованы результаты обработки рельефа дна залива и прилегающей суши с помощью метода ССА, расширен охват территории до всего Южного Приморья. Кроме того, приводится обоснование расположения гидрофизического полигона в пределах геологически однородной структуры на основе результатов ССА рельефа и геолого-геофизических данных.

Фактический материал

Работа базируется на нескольких типах данных, в разных аспектах характеризующих рельеф и геологическое строение района исследования. Так, в заливе Петра Великого в 2009–2010 гг. коллективом ученых ТОИ (включая автора этой работы) были проведены детальные батиметрические исследования [12]. Результаты батиметрических измерений сопоставлены с глобальными цифровыми моделями рельефа морского дна NASA (ETOPO1) и GEBCO, полученными на общедоступных веб-ресурсах [14, 15]. В результате обработки и интерполяции данных натурных измерений и доступных цифровых моделей восстановлен рельеф дна залива Петра Великого, в том числе, свала глубин. Данные о рельефе суши получены с открытого веб-ресурса, который обеспечивает доступ к глобальной цифровой модели ASTER [16].

Для дальнейшей математической обработки рельефа цифровые данные переинтерполировались на равномерную сетку, привязанную к географическим координатам, на двух уровнях детальности/дискретизации и пространственного охвата. В случае более мелкого масштаба (рис. 1) ячейка составляла 180×180 м. При более крупном масштабе (пространственный охват показан на рис. 1 наклонным прямоугольником) размер ячейки составлял 90×90 м. Оптимальные параметры детализации рельефа и пространственного охвата были определены с учетом доступной нам вычислительной мощностью компьютера.

Рис. 1. Карта Южно-Приморского региона, на котором проводился анализ методом ССА (прямо-угольником указано место наиболее детальных исследований)

1 — п-ов Муравьева-Амурского, 2 — Амурский залив, 3 — Уссурийский залив, 4 — залив Посьета

В южном Приморье проведено множество геолого-геофизических работ, подробно описано геологическое строение берега и дна залива Петра Великого [17–24]. Также в данной работе использованы материалы геологических карт [25, 26]. Однако знания о глубинном геологическом строении района основаны только на данных геофизических исследований [18, 19], поскольку нет глубоких буровых скважин.

Геоморфология района

Южное Приморье граничит с Китайской Народной Республикой и Корейской Народно-Демократической Республикой (рис. 1). Здесь южная часть хребта Сихотэ-Алиня протягивается преимущественно субширотно и спускается в залив Петра Великого, переходя в самый крупный полуостров залива — п-ов Муравьева-Амурского. Хребет Сихотэ-Алиня достигает высот 1000–1700 м, образован в позднем мелу — раннем палеогене активным внедрением магм и вулканическими извержениями. Западнее простираются ряд средне- и низкогорных массивов высотой до 1000 м параллельно хребту Сихотэ-Алиня. Между горными образованиями расположена Верхнеуссурийская депрессия, оформившаяся в кайнозойское время. Восточно-Маньчжурская горная область заходит на территорию Южного Приморья со стороны КНР лишь своими восточными отрогами. Это низкогорные глыбовые хребты Пограничный, Черные Горы и Борисовское плато базальтов.

Залив Петра Великого — самый большой залив Японского моря с площадью 55 600 км ². В его пределах имеется множество островов и отдельных выступающих из воды скал. Полуостров Муравьева-Амурского делит акваторию залива Петра Великого на две большие части — Амурский и Уссурийский заливы. Продолжением п-ова Муравьева-Амурского являются крупные острова: Русский, Попова, Рейнеке, Рикорда, архипелаг Римского-Корсакова. В залив впадает несколько рек (Туманная, Раздольная) и много мелких речек и ручьев. Устьевые части многих рек в недавнем геологическом прошлом были затоплены морем, в результате чего здесь образовалось несколько заливов второго порядка — Амурский, Уссурийский, Восток, Америка. Подобное происхождение имеет и юго-западный залив Посьета.

Амурский залив неглубокий, с глубинами в центральной части до 35 м, вследствие того, что впадающая в него р. Раздольная формирует здесь свой конус выноса. Уссурийский залив более глубоководный, с глубинами до 65 м. В центральной части залива Петра Великого глубины варьируют от 100 до 300 м, затем шельф переходит в резкий свал глубин, где на протяжении порядка 10 км глубина нарастает с 400–500 м до 2500–3000 м.

Результаты и их обсуждение

Применение используемого в работе метода — ССА — осуществляется в два этапа. Первый этап: декомпозиция или разложение поверхности на компоненты — моды. Каждая мода имеет свои высотные характеристики, зависящие от выбранного масштаба и разности между минимальным и максимальным значениями высот рельефа выделенного участка. Первая или “старшая” мода отражает основные тенденции в рельефе, по мере увеличения порядкового номера моды увеличивается и детализация. Однако если брать отдельно моду с высоким порядковым номером, то она будет показывать только определенные высотные характеристики, за вычетом всех остальных.

Применительно к исследуемым участкам методом ССА были рассчитаны 41 мода. На этапе декомпозиции формируется специальная траекторная матрица, для этого с помощью окна скользящего среднего выполняется векторизация двумерной матрицы в четырехмерное пространство. Для окна скользящего среднего выбраны параметры n = 2, m = 2.

Суммирование мод является вторым этапом — реконструкцией. Сложение всех 41 мод будет полностью отражать рельеф местности. Необходимо отметить, что суммарный вклад уже первых десяти мод в полную вариацию составил 0.96. Первая мода на большем территориальном охвате описывает перепад высот более 4500 м, на меньшем территориальном охвате 3000 м. Вторая, третья и четвертая моды на большем территориальном охвате описывают перепад высот — 100 м, на меньшем территориальном охвате — 60 м.

На рис. 2 показаны результаты расчета 8 первых (старших) мод Южного Приморья. Белым цветом указаны районы с глубинами 0–300 м. Градиент серого указывает на высотные характеристики на суше до максимального значения 1850 м, и в море до глубин более 2500 м. На рис. 1 четко прослеживаются несколько крупных структур: хребет Сихотэ-Алиня, протягивающийся с северо-востока на юг Приморья, Восточно-Маньчжурская горная система на юге Приморья и северо-востоке Китая. На рис. 2 отмечена Уссури-Ханкайская равнина, расположенная между двух горных областей. Здесь расположена долина р. Раздольной, впадающей в залив Петра Великого. Сам залив оканчивается свалом глубин, контур бровки которого повторяет форму береговой линии.

Рис. 2. Восстановленный рельеф исследуемого региона на основе первых 8 мод, полученных методом ССА

1 — Восточно-Маньчжурская горная область, 2 — хребет Сихотэ-Алиня, 3 — Уссури-Ханкайская равнина

Горный хребет Сихотэ-Алиня вследствие длительной переработки различными (преимущественно, эрозионными) процессами характеризуется значительными показателями глубины и густоты расчленения. Восточно-Маньчжурская горная область на рис. 2 выделяется как высотное плато с отдельными пиками. Высшей точкой Восточно-Маньчжурской горной области на исследуемом участке является гора Сэньлиньшань (1498 м).

При изучении математическими методами форм рельефа с относительно малыми линейными размерами (мезо- и микрорельеф), находящихся, кроме того на границе суши и моря, проявляется ряд проблем. Субаэральный рельеф суши и субаквальный рельеф дна акваторий, формирующиеся в принципиально различных морфо- и литодинамических условиях, не могут полностью корректно быть описаны сингулярными спектрами одновременно. Тектоническое воздымание и складкообразование, экзогенная переработка горного рельефа на суше приводят к формированию сложных, “высокочастотных” морфологических черт земной поверхности. В то время как на дне моря преобладают плавные формы, обусловленные особым гидродинамическим воздействием на рельеф. Пример таких форм, не имеющих сухопутных “аналогов” в районе исследования — большой протяженностью валы высотой 10–20 м, шириной до нескольких км образованные приливами и отливами, а также т. н. осадочные волны [27]. Протяженность данных структур в заливе Петра Великого может достигать 40 км. Расположены они в центральной части залива с глубинами 40–100 м и огибают всю береговую черту. Подводный вал и осадочные волны, расположенные в заливе Посьета подробно рассмотрены в работе [12], где исследовался микрорельеф на основе батиметрической съемки.

Чтобы оценить более точно геолого-геоморфологическую позицию гидрофизического комплекса, было проведено математическое моделирование методом ССА в более крупном масштабе (при меньшем территориальном охвате). На рис. 1 область применения метода ССА выделена наклонным прямоугольником. На рис. 3 показан реконструированный рельеф части залива Петра Великого (залив Посьета и Амурский залив) и части Восточно-Маньчжурской горной области (Западно-Приморская складчатая зона), полученный с помощью суммирования 41 моды. Расположение гидрофизического полигона указано стрелкой.

Рис. 3. Рельеф залива Петра Великого и прилегающей суши

Стрелкой указано расположение гидрофизического полигона

На западном обрамлении Амурского залива и залива Посьета, где более детально проведено моделирование рельефа методом ССА, растянулись гряды кайнозойских вулкано-тектонических структур. Комплекс измерительных приборов расположен на “острие” Западно-Приморской складчатой зоны позднепалеозойской стабилизации с ее главными антиклинальными поднятиями — Барабашевским и Хасанским, ограниченными западными берегами Амурского залива [26]. Западно-Приморская складчатая зона сложена гранитами, диоритами и габбро [25]. Барабашевское антиклинальное поднятие отчетливо видно на рис. 4 — это крупный цельный блок, выделяющийся в центре рисунка, вклинивающийся острием в шельф залива Петра Великого. В подводной части Барабашевское поднятие продолжается в виде Гамовской антиклинали (рис. 5). По геофизическим данным Гамовская антиклиналь протягивается на 15 км, постепенно погружаясь до материкового склона, с юга ограничена Туманганской синклинальной зоной, с северо-востока Раздольнинским синклинальным прогибом, к структурному продолжению которого приурочен Амурский залив. Гранитный блок Гамовской антиклинали по данным гравиразведки имеет мощность порядка 10 км [19]. По данным сейсморазведки мощность осадочной толщи в Туманганской синклинарной зоне достигает 900 м [24]. Все прогибы имеют СВ ориентировку и контролируются системой сбросо-сдвигов субмеридионального и СВ простирания.

Рис. 4. Реконструкция модели рельефа для первой моды разложения

Изолинии и тональное выделение рельефа в диапазоне высот, характерных шельфовой области. Стрелкой указано положение гидрофизического полигона

Рис. 5. 3D-реконструкция поверхности акустического фундамента (гранитный и базальтовые слои) по данным геофизических исследований в заливе Посьета

Тектонические структуры: 1 — Туманганская синклинальная зона, 2 — антиклиналь Клерка, 3 — Гамовская антиклиналь

Таким образом, гидрофизический полигон расположен на гранитном блоке большой мощности, “острие” которого направлено на ЮВ. Зафиксированы два крупных разлома, влияющих на распространение звука вблизи гидрофизического полигона, и несколько более мелких [25, 26]. Западно-Приморский разлом, направленный с севера на юг вдоль границы Приморского края с КНР по территории Южного Приморья, проходит севернее п-ова Гамова в открытую часть залива Петра Великого (рис. 1). Уссурийский разлом направлен с северо-востока на юго-запад, расположен вдоль береговой черты пересекая основание п-ова Гамова. Ряд более мелких разломов повторяют направление региональных со смещением на ССЗ.

Заключение

В настоящей работе продемонстрировано применение новой, достаточно общей методики цифрового анализа рельефа с использованием ССА. Обработка рельефа на основе таких алгоритмов встречается достаточно редко и в основном носит характер иллюстраций математических методов. В данном случае внимание перенесено на возможности и практику морфометрического анализа. Анализ рельефа и геологической обстановки имеет прикладной характер в позиционировании стационарных систем регистрации акустических и сейсмических волн. Показано, что гидрофизический полигон ТОИ, расположенный на массивном гранитном блоке, имеет выгодную структурно-геологическую позицию, поскольку упрощается решение обратной задачи в интерпретации акустических экспериментальных работ и исследовании шумов Земли.

Об авторах

А. Н. Самченко

Автор, ответственный за переписку.
Email: samchenco@poi.dvo.ru
Россия, Владивосток

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Карта Южно-Приморского региона, на котором проводился анализ методом ССА (прямо-угольником указано место наиболее детальных исследований)

Скачать (722KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Восстановленный рельеф исследуемого региона на основе первых 8 мод, полученных методом ССА

Скачать (833KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Рельеф залива Петра Великого и прилегающей суши

Скачать (758KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Реконструкция модели рельефа для первой моды разложения

Скачать (656KB)

Метаданные

6. Рис. 5. 3D-реконструкция поверхности акустического фундамента (гранитный и базальтовые слои) по данным геофизических исследований в заливе Посьета

Скачать (592KB)

Метаданные