RESEARCH OF LAKE BAIKAL ICE COVER DYNAMICS ON THE BASIS OF RADAR DATA AND GPS-NAVIGATION METHODS

Full Text

С 2006 г. ледовый покров озера Байкал стал моделью для исследования закономерностей деформационных и сейсмических процессов в литосфере [1]. В рамках интеграционного научного проекта на льду проводились комплексные экспериментальные и теоретические исследования, включая инструментальный мониторинг абсолютных и относительных перемещений структурных блоков различного ранга, деформаций хрупкого поверхностного слоя фрагментов ледового покрова, а также сейсмической и акустической активности [2]. Основная цель исследований - выявление и статистический анализ взаимосвязи механизмов деформации различного ранга и их дальнейшее использование для обсуждения проблемных вопросов геомеханики, геофизики и тектоники. Для составления непрерывной, пространственной картины деформаций на основе локальных «наземных» наблюдениях были привлечены радиолокационные данные дециметрового и сантиметрового диапазона ALOS PALSAR 2008-2011 гг. и RADARSAT 2012 г. Динамика блочной структуры ледового покрова на основе текстурного анализа. Структура трещин, ледовых плит и блоков отчетливо прослеживается на радарных изображениях. Сравнивая текстурные характеристики снимков за последовательные даты можно получить представление о процессах формирования, разрастания и «залечивания» трещин. Для количественного анализа была отработана методика выделения векторных слоев на базе алгоритмов классификации массива текстурных характеристик для каждого снимка с последующим сравнением кластеров со схожими характеристиками. Сравнение блочных структур за разные даты из-за сложного поступательно-вращательного движения отдельных льдин, а также вследствие изменений размеров и формы отдельных блоков вплоть до дефрагментации или наоборот, срастания соседних блоков не позволило провести оценку горизонтальных смещений. Более результативными оказались исследования структурных изменений трещин ледового покрова [3]. Таким обра зом методы текстурного анализа эффективны для фиксации отдельных этапов формирования, разрастания или «залечивания» трещин. Исследование динамики ледового покрова методами радарной интерферометрии. Для оценки горизонтальных и вертикальных подвижек ледовых плит был применен метод дифференциальной интерферометрии [4; 5]. Вследствие низкой когерентности, вероятно вызванной значительным временным интервалом между съемками (46 дней для ALOS PALSAR и 24 дня для RADARSAT) и сильного изменения ледовой обстановки по тестовым участкам ожидаемые результаты не были получены [3]. При смещениях льда зачастую происходит некогерентное смещение соседних рассеивателей в пределах одного пикселя и относительно других пикселей -элементов пространственного разрешения радара. Вследствие чего когерентность радарной интерферо-метрической пары снижается и использование метода дифференциальной интерферометрии может привести к большой погрешности измерений. В подобных случаях принято использовать метод спекл-интерферо-метрии, часто именуемый в иностранной литературе «offset-tracking procedure» или «speckle-tracking method», заключающийся в расчете кросс-корреляции малых фрагментов радарных изображений поверхности льда. Установленные направления и амплитуды перемещений отдельных фрагментов ледового покрова, вычисленных методом спекл-интеферометрии парам радарных снимков 2009-2011 гг. представлены на рис. 1, 2. Субширотная область хрупких деформаций шириной от мыса Лиственничного до Больших Котов на северном берегу и от пос. Выдрино до пос. Танхой на южном берегу приурочена в 2010 г. к зоне конвергенции двух крупных ледовых массивов, один из которых, «Восточный» дрейфует с востока на запад (возможно под действием ветра Баргузина или подледного течения от р. Селенги к р. Ангаре). Другой, «Западный» смещается в юго-восточном направлении (рис. 1, а). Во фронтальной части Западного блока, вдоль южного побережья озера образовалась протяженная 77 Вестник СибГАУ. № 5(51). 2013 система становых трещин. Амплитуды перемещений внутри ледового массива «Западный» нарастают в северо-восточном направлении и резко затухают в прибрежной части. Для массива «Восточный» характерно нарастание амплитуд подвижек в западном направлении. В тыловой части массива образовались многочисленные трещины растяжения. В пределах выделенной зоны конвергенции субширотного направления, ограниченной серией становых трещин, амплитуды перемещений резко снижаются, распределение направлений близко к хаотическому, что свидетельствует о сложно-напряженном состоянии зоны конвергенции. В 2011 г. вследствие более теплой зимы и формирования более тонкого ледового панциря возникли отличия деформаций ледового поля в целом по тестовому участку и отличий направлений и амплитуд смещений (рис. 1, б). Оценка горизонтальных подвижек наземными GPS-измерениями. В марте 2010-2012 гг. были проведены наземных GPS измерения перемещений опор ных точек, жестко закрепленных на ледовом покрове в районе п. Листвянка и п.Боярск. Несмотря на достаточно высокие суточные смещения амплитудами до 2-3 м, наблюдаемые в отдельных точках ледового покрова, общие перемещения отдельных точек за период наблюдений (7-10 дней) оказались менее 1 м. При анализе траекторий смещений всех пунктов GPS во многих случаях в течение одного дня наблюдался возврат реперных точек к почти исходному положению. Вектор движения после 12 ч нередко менялся на обратный. Возможно, что ледяные поля, слегка изогнутые деформациями в результате термических напряжений, распрямляются; при этом GPS измерениями фиксируют обратные деформации. Эти особенности траекторий движений относительно базовой береговой точки можно вслед за предшественниками интерпретировать как проявление некоей квазиупругой отдачи ледяной пластины после предшествующего «регионального» сжатия и порожденного им смещения Рис. 1. Динамика ледового покрова для тестового участка Листвянка по результатам спекл-интерферометрии данных ALOS PALSAR: а - 21.01.2010-08.03.2010; б - 24.01.2011-11.03.2011. Рис. 2. Динамика ледового покрова для тестового участка Максимиха по результатам спекл-интерферометрии данных ALOS PALSAR: а - 20.01.2009-07.03.2009; б - фрагмент 78 Раздел 1. Радиолокационная поляриметрия и интерферометрия. Радиометрия земных покровов с последующей релаксацией напряжений. Выполненные GPS наблюдения подтверждают сделанные ранее выводы о преимущественно термальном механизме инициации деформирования ледового покрова Байкала. Для полевых измерений использовались спутниковые геодезические приемники HiPer Topcon и Trimble R3. В целом, оценки перемещений - дрейфа ледового покрова, интерферометрическими методами хорошо согласуются с данными подспутниковых GPS измерений. Сравнение наземных наблюдений со спутниковыми данными показало, что активные деформационные процессы происходят не только на границах крупных блокоразделов ледового покрова оз. Байкал, но и во всем его объеме, вследствие внутриблоковой фрагментации ледовых пластин, находящихся в сложном напряженном состоянии.

About the authors

T. N. Chimitdorzhiev

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Science, Siberian Branch

Email: tchimit@ipms.bscnet.ru
8 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

G. I. Tatkov

Geological Institute of Russian Academy of Science, Siberian Branch

6a Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

Zh. A. Tubanov

Geological Institute of Russian Academy of Science, Siberian Branch

6a Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

P. N. Dagurov

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Science, Siberian Branch

8 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. I. Zakharov

Fryazino Branch of the Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Science

Email: ludmila@sunclass.ire.rssi.ru
1 Vvedensky square, Fryazino, Moscow Region, 141190, Russia

I. I. Kirbizhekova

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Science, Siberian Branch

8 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. V. Dmitriev

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Science, Siberian Branch

8 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

M. E. Bikov

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Science, Siberian Branch

8 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

References

Supplementary files