ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВБЛИЗИ ТРАССЫ БАЙКАЛО-АМУРСКОЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ МАГИСТРАЛИ ПО ДАННЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ РСА ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Введение. Первые разработки принципов интерферометрии с применением радара с синтезированной апертурой (РСА), установленного на борту космических спутников, проводились в восьмидесятых годах прошлого столетия. С тех пор метод РСА интерферометрии успешно используется во всем мире для исследований деформаций земной поверхности различного генезиса. Мы применяем данный метод для выявления опасных деформаций вблизи одного из участков трассы Байкало-Амурской магистрали Восточно-Сибирской железной дороги (БАМ ВСЖД). Сложная геодинамическая обстановка района, обусловленная современными деформациями земной коры, влияет на инженерно-сейсмогеологические особенности трассы.

Методика. Суть метода дифференциальной РСА интерферометрии состоит в обработке пар радарных изображений, снятых в два разных момента времени, между которыми произошла деформация. Разность фаз сигналов, полученных при съемке, отображается с помощью интерферограмм. Монохромная или цветная шкала интерферограммы характеризует величину и направление сдвига, произошедшего при деформации. В нашем исследовании применялись данные с двух спутников: ENVISAT (инструмент ASAR, С-диапазон) и ALOS (инструмент PALSAR, L-диапазон). При длине волны 5.6 см (С-диапазон) фазовый набег 2π на интерферограмме порождается изменением дальности по направлению к спутнику на 2.8 см; при длине волны 23.6 см (L-диапазон) – на 11.8 cм. Разности дальностей в направлении на точку съемки пересчитываются в истинные изменения положения земной поверхности. Преимуществом метода перед другими способами измерения деформаций является высокоточное измерение смещений земной поверхности по всей площади объекта. Существуют ограничения метода, такие, как временная декорреляция, происходящая из-за изменения радиофизических свойств поверхности, и влияние атмосферных и ионосферных явлений. Ограничения и методы их преодоления детально описаны в [Hanssen, 2001].

Геодинамическая обстановка. Район наших исследований находится в пределах Верхнеангарско-Муйской междувпадинной перемычки северо-восточного сегмента Байкальской рифтовой системы, в зоне динамического влияния Муяканского и Перевального разломов (рис. 1). Высокий уровень сейсмичности подтверждает современную геодинамическую активность района исследований. Эпицентральное поле с магнитудами землетрясений 2.6<ML<6.2 наблюдается с 1962 по 2012 гг. (по данным Байкальского филиала Геофизической службы Сибирского отделения Российской академии наук (рис. 2)).

В исследуемом районе трасса БАМ проходит вдоль Муяканской структуры почти на всем ее протяжении и пересекает отдельные ее дислокации. Таким образом, инженерно-сейсмогеологические условия трассы на этом участке неблагоприятны [Solonenko, Mandelbaum, 1985]. Региональный Перевальный разлом простирается в северо-западном направлении. Выраженность и влияние разлома на геодинамическую обстановку на
разных его отрезках различна. На исследуемом участке разлом проявлен в поле силы тяжести в виде гравитационной ступени небольшой интенсивности [San’kov et al., 1991].

Интерпретация результатов дифференциальной РСА интерферометрии. Нами произведена интерферометрическая обработка снимков ENVISAT и ALOS/PALSAR. Из-за сильной заболоченности долин и расчлененного рельефа на всех интерферограммах по снимкам ENVISAT велико влияние временной декорреляции. Однако, несмотря на это, на одних и тех же участках на трех парах снимков (13.01.2004–08.03.2005, 16.05.2004–18.09.2005 и 17.02.2004–17.01.2006) обнаружены четыре области высокой когерентности. Для анализа выбрана пара с базой интерферометра, равной 3 м (13.01.2004–08.03.2005) (рис. 3). При такой базе влияние рельефа на интерферометрическую разность фаз исчезающе мало.

В зоне динамического влияния Муяканского разлома по данным ENVISAT обнаружены два типа эндогенных деформаций, которые можно определить как тектонические – линейно локализованные и площадные.

Линейно локализованные деформации приурочены непосредственно к зоне сместителя разлома (рис. 3), прослеживающегося в основании уступа Муяканского хребта. Рассмотрение размеров аномалий, их протяженности и характера пространственного распределения позволяет исключить экзогенную природу деформаций. Сейсмическая активность зоны разлома в течение 2004–2006 гг. весьма незначительна. Следовательно, мы не можем объяснить генезис этих деформаций накоплением и реализацией упругих напряжений в виде сейсмических событий. Одним из видов деформаций, фиксируемых геодезическими методами в зонах активных разломов, как в подвижных областях, так и на платформах, являются параметрические деформации, впервые выделенные и описанные Ю.О. Кузьминым и называемые им суперинтенсивными [Kuzmin, 2013]. Скорости параметрических деформаций достигают больших величин – до 10–5. Чаще всего, они не сопровождаются сейсмичностью и локализуются непосредственно в зонах разломов. Автор связывает происхождение этих деформаций с изменениями параметров среды внутри зоны разлома, вблизи ее главного сместителя.

Площадные деформации, обнаруженные вблизи окончания Муяканского разлома (рис. 3) на СВ замыкании Муяканской впадины и в западном борту Улан-Макитской впадины, также не могут быть прямо объяснены сейсмогенными движениями. Картина распределения площадных деформаций соответствует распределению напряжений на окончании левостороннего сдвига в упругой среде [Osokina, 2010]. На восточном окончании северного крыла разлома располагается область растяжения и фиксируется относительное опускание земной поверхности, а на юго-восточной части разлома располагается область сжатия, где фиксируется относительное поднятие земной поверхности. Эти данные согласуются с данными геодинамических исследований [San’kov et al., 2000], по которым Муяканский разлом наряду с вертикальной имеет левостороннюю сдвиговую компоненту смещений.

Наряду с деформациями эндогенной природы, в зонах активных разломов Верхнеангарско-Муйской междувпадинной перемычки нами были обнаружены экзогенные деформации. На участке Байкало-Амурской железнодорожной магистрали в нескольких километрах от Северо-Муйского тоннеля (ст. Казанкан, п. Северомуйск, координаты 56.1N 113.8E) с начала 90-х годов прошлого столетия развивается оползневой процесс. Согласно данным нивелирования и геодезических GPS-измерений, проведенных на железной дороге в 2002– 2003 годах «Иркутскжелдорпроектом», железнодорожное полотно сдвигалось в зоне действия оползня, вдоль склона со скоростью до 2 см/мес. Развитие оползня приводит к риску разрушения железнодорожного пути и крушения поездов. Происхождение оползня связывается исследователями с процессом деградации многолетнемерзлых пород и подрезанием склона дорогой, а также чрезмерной нагрузкой на склон [Trzhtsinsky et al., 2004]. Нельзя также недооценивать влияние уровня сейсмической и тектонической активности района на разрушение пород и развитие оползней, поскольку Казанканский оползень находится в зоне влияния сейсмически активных Муяканского и Перевального разломов.

Для изучения оползневого процесса в районе ст. Казанкан мы использовали снимки с восходящего витка ALOS/PALSAR. Несмотря на зимнее время съемки и разницу между съемками в два года, хорошую корреляцию и результаты показала пара радарных снимков ALOS/PALSAR, снятых 17.01.2009 и 12.01.2007. Местоположения деформаций, наблюдаемых на интерферограммах, точно совпадают с расположением мостов (рис. 4, 5, 6), где по данным предыдущих исследований [Trzhtsinsky et al., 2004] обнаружены значительные подвижки. У второго и третьего моста, ниже железнодорожного полотна, обнаруживаются области, испытывающие воздымание, что, по-видимому, связано с характером развития оползня. Модель развития оползня по геологическим данным описывается как выдавливание по цилиндрической плоскости скольжения с отрицательным знаком смещения в области цирка и положительным – во фронтальной части [Trzhtsinsky et al., 2004].

На исследуемой интерферограмме наибольшее изменение дальности наблюдается ниже железнодорожных путей у второго моста. За двухлетний период, прошедший между измерениями, изменение дальности по направлению от поверхности к радару составило 6 см. Кроме того, вблизи мостов наблюдаются области с опусканием земной поверхности, связанные, по-видимому, с процессами солифлюкции. По данным РСА интерферометрии уточнено место положения оползневого цирка между вторым и третьим мостом (рис. 6). Ранее, вследствие недостатка данных, положение этого цирка отмечалось ниже по склону. Выявлено распространение процесса оползания, происходящее на склоне между первым и вторым мостом, которое не фиксировалось ранее. В будущем возможно объединение цирков и, как следствие, усиление оползневого процесса. Из полученных данных можно сделать вывод о том, что проведенные мероприятия по укреплению склона и железнодорожной насыпи не привели к остановке оползневого процесса, что говорит об острой необходимости продолжения укрепительных работ и принятия мер по изменению трассы на данном участке магистрали.

Заключение. Таким образом, исследование деформаций в районе Верхнеангарско-Муйской междувпадинной перемычки северо-восточного сегмента Байкальской рифтовой системы с применением метода дифференциальной РСА интерферометрии позволило получить новые данные о характере современных смещений земной поверхности различного происхождения. В зоне динамического влияния Муяканского разлома обнаружены два типа деформаций, которые можно определить как тектонические линейно локализованные и площадные. Наблюдаемые деформации, находящиеся непосредственно в зоне разлома, можно отнести к параметрическим, связанным с изменением состояния среды в зоне разлома. Картина распределения площадных деформаций соответствует распределению напряжений на окончании левостороннего сдвига в упругой среде.

Первые РСА-исследования, проведенные в районе п. Северомуйск, показали, что снимки ALOS/PALSAR применимы для детального изучения оползневого процесса, происходящего в районе ст. Казанкан БАМ ВСЖД. Оползневой процесс продолжает свое развитие, несмотря на проведенные укрепления. В настоящее время происходит объединение цирков на участке между первым и вторым мостом, что может привести к усилению процесса.

Таким образом, деформации в зоне Муяканского разлома могут представлять опасность для линейных сооружений Байкало-Амурской магистрали. Метод РСА интерферометрии имеет большой потенциал как для изучения уже произошедших событий в районе исследований, так и для мониторинга развивающихся процессов. В настоящее время РСА ALOS/PALSAR закончил свою работу на орбите, однако с 2014 года Японским аэрокосмическим агентством JAXA запущены новые усовершенствованные спутники РСА миссии ALOS2/PALSAR2, работающие на той же длине волны L-диапазона. Мы планируем продолжить наши исследования с использованием новых данных.

1. Cumming I., Wong F., 2005. Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data: Algorithms and Implementation. Artech House Publishers, New York, 632 p.

2. Déverchère J., Houdry F., Solonenko N.V., Solonenko A.V., San’kov V.A., 1993. Seismicity, active faults and stress fields of the North Muya region, Baikal rift: New insights on the rheology of extended continental lithosphere. Journal of Geophysical Research 98 (B11), 19895–19912. http://dx.doi.org/10.1029/93JB01429.

3. Doser D.I., 1991. Faulting within the eastern Baikal rift as characterized by earthquake studies. Tectonophysics 196 (1–2), 109–139. http://dx.doi.org/10.1016/0040-1951(91)90292-Z.

4. Elachi C., van Zyl J., 2006. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second edition. John Wiley & Sons, New York, 616 p.

5. Franceschetti G., Lanari R., 1999. Synthetic Aperture Radar Processing. CRC Press, New York, 328 p.

6. Gabriel A.K., Goldstein R.M., 1988. Crossed orbit interferometry: theory and experimental results from SIR-B. International Journal of Remote Sensing 9 (5), 857–872. http://dx.doi.org/10.1080/01431168808954901.

7. Gabriel A.K., Goldstein R.M., Zebker H.A., 1989. Mapping Small Elevation Changes Over Large Areas: Differential Radar Interferometry. Journal of Geophysical Research 94 (B7), 9183–9191. http://dx.doi.org/10.1029/JB094iB07p09183.

8. Goldstein R.M., Engelhardt H., Kamb B., Frolich R.M., 1993. Satellite radar interferometry for monitoring ice sheet motion: Application to an Antarctic ice stream. Science 262 (5139), 1525–1530. http://dx.doi.org/10.1126/science.262.5139.1525.

9. Golenetsky S.I., Misharina L.A., 1978. Seismisity and earthquake focal mechanisms in the Baikal rift zone. Tectonophysics 45 (1), 71–86. http://dx.doi.org/10.1016/0040-1951(78)90225-1.

10. Hanssen R.F., 2001. Radar Interferometry. Data Interpretation and Error Analysis. Delft University of Technology, Delft, Netherlands, 308 p.

11. Houdry-Lémont, F., 1994. Mécanismes de l’Extension Continentale dans le Rift Nord-Baikal, Siberie: Contrantes des Données d’Imagerie SPOT, de Terrain, de Sismologie et de Gravimétrie. Thése de doctorat de Université Pierre et Marie Curie Paris 6. Laboratoire de Géodynamique Sous-Marine, Obsernatoire Océanologique de Villefranche-surMer, 345 p.

12. Kartashov V.A., Zalutsky V.T., 2009 Some geodetic technologies of explorations on the East-Siberian railway. In: Innovative technologies for an efficient geospatial management of Earth resources. Proceedings of FIG and SSGA Workshop, Russia, Irkutsk–Listvyanka, 26 July 2009. Available from: https://www.fig.net/resources/proceedings/2009/lakebaikal_2009_comm6/ppt/kartashov_zalutsky_ppt.pdf.

13. Klees R., Massonnet D., 1999. Deformation measurements using SAR interferometry: potential and limitations. Geologie en Mijnbouw 77 (2), 161–176. http://dx.doi.org/10.1023/A:1003594502801.

14. Kuzmin Yu.O., 2013. Recent geodynamics of the faults and paradoxes of the rates of deformation. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 49 (5), 626–642. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351313050029.

15. Massonnet D., Rabaute T., 1993. Radar interferometry: limits and potential. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 31 (2), 455–464. http://dx.doi.org/10.1109/36.214922.

16. Osokina D.N., 2010. Fields of local stresses of different levels and second order fractures close to the off of a strike slip fault. Izvestiya, Physics of the Solid Earth 46 (5), 419–432. http://dx.doi.org/10.1134/S1069351310050071.

17. Peltzer G., Hudnut K.W., Feigl K.L., 1994. Analysis of coseismic surface displacement gradients using radar interferometry: New insights into the Landers earthquake. Journal of Geophysical Research 99 (B11), 21971–21981. http://dx.doi.org/10.1029/94JB01888.

18. Petit C., Meyer B., Gunnell Y., Jolivet M., San’kov V., Strak V., Gonga-Saholiariliva N., 2009. The height of faceted spurs, a proxy for determining long-term throw rates on normal faults: evidence from the North Baikal Rift System, Siberia. Tectonics 28 (6), TC6010. http://dx.doi.org/10.1029/2009TC002555.

19. San’kov V., Déverchère J., Gaudemer Y., Houdry F., Filippov A., 2000. Geometry and rate of faulting in the North Baikal Rift, Siberia. Tectonics 19 (4) 707–722. http://dx.doi.org/10.1029/2000TC900012.

20. San’kov V.A., Dneprovsky Yu.I., Kovalenko S.N., Bornyakov S.A., Gileva N.A., Gorbunova N.G., 1991. Faults and Seismicity of the North Muya Geodynamic Test Area. Nauka, Novosibirsk, 111 p. (in Russian) [Саньков В.А., Днепровский Ю.И., Коваленко С.Н., Борняков С.А., Гилева Н.А., Горбунова Н.Г. Разломы и сейсмичность Северо-Муйского геодинамического полигона. Новосибирск: Наука, 1991. 111 с.].

21. Sandwell D.T., Myer D., Mellors R., Shimada M., Brooks B., Foster J., 2008. Accuracy and resolution of ALOS interferometry: vector deformation maps of the Father's Day intrusion at Kilauea. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 46 (11), 3524–3534. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2008.2000634.

22. Sherman S.I., Levi K.G., Bornyakov S.A., 1980. Block tectonics of the Muyakan-Angarakan interfluve area and some seismicity problems. In: M.M. Odintsov (Ed.), Seismotectonics and Seismicity of the BAM Construction Area. Nauka, Moscow, p. 43–56 (in Russian) [Шерман С.И., Леви К.Г., Борняков С.А. Блоковая тектоника Муякан-Ангараканского междуречья и некоторые вопросы сейсмичности // Сейсмотектоника и сейсмичность района строительства БАМ. М.: Наука, 1980. С. 43–56].

23. Solonenko V.P., Mandelbaum M.M. (Eds.), 1985. Geology and Seismicity of the BAM Zone. Seismogeology and Seismic Zoning. Nauka, Novosibirsk, 190 p. (in Russian) [Геология и сейсмичность зоны БАМ. Сейсмогеология и сейсмическое районирование / Ред. В.П. Солоненко, М.М. Мандельбаум. Новосибирск: Наука, 1985. 190 с.].

24. Soloviev S.L. (Ed.), 1985. Geology and Seismicity of BAM Zone. Seismicity. Nauka, Novosibirsk, 190 p. (in Russian) [Геология и сейсмичность зоны БАМ. Сейсмичность / Ред. С.Л. Соловьев. Новосибирск: Наука, 1985. 190 с.].

25. Stramondo S., Chini M., Bignami C., Salvi S., Atzori S., 2011. X-, C-, and L-Band DInSAR investigation of the April 6, 2009, Abruzzi Earthquake. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters 8 (1), 49–53. http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2010.2051015.

26. Trzhtsinsky Yu.B., Kozyreva E.A., Laperdin V.K., Zalutsky V.T., Popov O.Yu., 2004. Engineering-geological features of the Kazankan segment of the BAM. In: V.I. Osipov (Ed.), Sergeev’s readings, Issue 6. Engineering geology: state-of-theart and future prospects. Materials of the annual session of RAS Scientific Council on problems of Geoecology, Engineering Geology and Hydrogeology. GEOS, Moscow, p. 438–442 (in Russian) [Тржцинский Ю.Б., Козырева Е.А., Лапердин В.К., Залуцкий В.Т., Попов О.Ю. Инженерно-геологические особенности Казанканского участка БАМ // Сергеевские чтения. Вып. 6. Инженерная геология и охрана геологической среды. Современное состояние и перспективы развития. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии / Ред. В.И. Осипов. М.: ГЕОС, 2004. С. 438–442].

27. Zalutsky V.T., 2007. Monitoring of deformations in railroad beds using surface laser scanning. In: Problems and prospects of the Russian railroad survey, design, construction and operation. Proceeding of the All-Russian Researchto-Practice Conference (Irkutsk, Russia, October 10–11, 2007). Vol. 2. Irkutsk state transport university, Irkutsk, p. 48–53 (in Russian) [Залуцкий В.Т. Мониторинг деформаций земляного полотна железных дорог с помощью наземного лазерного сканирования // Проблемы и перспективы изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации Российских железных дорог: Материалы Всероссийской научно-практической конференции (Иркутск, 10–11 октября 2007 г.). Иркутск: ИрГУПС, 2007. Т. 2. C. 48–53].